鄭周，葉曉江，侯志堅(jiān)，張藝雪，鄭星文，陳飛

1.武漢工程大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢430205；

2.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074；

3.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，廣東深圳518055

碳納米管納米流體對(duì)液冷式CPU換熱性能的改善

鄭周1，3，葉曉江1，2*，侯志堅(jiān)3，張藝雪1，鄭星文1，陳飛1，3

1.武漢工程大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢430205；

2.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074；

3.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，廣東深圳518055

針對(duì)液冷式CPU（central processing unit）散熱器散熱效果差的問題，設(shè)計(jì)了液冷式CPU散熱器的換熱性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用基液丙二醇-水，Al2O3納米流體和多壁碳納米管（MWCNTs）納米流體進(jìn)行換熱實(shí)驗(yàn)，采用單變量法對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行控制.當(dāng)加熱功率為18.26 W時(shí)，基液丙二醇-水的熱阻值為0.859℃/W，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.135%的Al2O3納米流體的熱阻值為0.751℃/W，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.135%的多壁碳納米管納米流體的熱阻值為0.739℃/W，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.32%的MWCNTs納米流體的熱阻值為0.457℃/W.結(jié)果表明：在基液中添加納米粒子能提高基液的換熱能力，MWCNTs納米流體的換熱效果隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增強(qiáng).

碳納米管流體；液冷CPU；換熱性能；熱阻

1 引言

液冷式CPU的散熱器最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代末90年代初，采用的是直徑為4 cm的鋁制散熱片.從1993年開始，風(fēng)扇開始普遍使用在液冷式CPU散熱器上.隨著電子技術(shù)發(fā)展，CPU頻率和晶體管集成規(guī)模上升，CPU的溫度也成倍地增長(zhǎng)，以往的散熱器己遠(yuǎn)不能滿足CPU散熱的需要，于是如何提高液冷式CPU散熱器的換熱性能，成為了研究熱點(diǎn).

在眾多的冷卻技術(shù)中，液冷技術(shù)非常實(shí)用.自Choi［1］等提出納米流體的概念后，已有研究表明，在液體中添加納米粒子，可以提高液體的導(dǎo)熱系數(shù)，增強(qiáng)對(duì)流換熱［2-7］.Masuda［8］等發(fā)現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)4.3%的Al2O3-H2O納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比水提高了30%；李強(qiáng)［9］等分別測(cè)量了Al-H2O納米流體和Cu-H2O（dn=20 nm左右）納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，測(cè)得體積分?jǐn)?shù)2%的Al-H2O納米流體導(dǎo)熱系數(shù)比水的導(dǎo)熱系數(shù)提高了6.3%；而添加體積分?jǐn)?shù)為2%的Cu納米粒子后其導(dǎo)熱系數(shù)比水的導(dǎo)熱系數(shù)提高了23%.鄭立國(guó)［10］測(cè)定認(rèn)為MWCNTs-H2O納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比水的導(dǎo)熱系數(shù)大.其中，使用阿拉伯膠法制得的體積分?jǐn)?shù)3%的MWCNTs-H2O納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比水的導(dǎo)熱系數(shù)增加12.7%；混酸法制得的體積分?jǐn)?shù)3%的MWCNTs-H2O納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比水的導(dǎo)熱系數(shù)增加了7.1%.而且，MWCNTs-H2O納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)隨碳納米管濃度的增加而增加，隨流體溫度的升高而增加.

為研究MWCNTs納米流體換熱性能，利用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MWCNTs納米流體進(jìn)行CPU散熱實(shí)驗(yàn)，比較了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al2O3、MWCNTs納米流體的散熱效果，分析了不同種類的納米粒子對(duì)換熱效果的影響，其結(jié)果為MWCNTs納米流體在傳熱與換熱系統(tǒng)中的應(yīng)用提供一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 MWCNTs納米流體換熱性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

MWCNTs納米流體換熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由水泵、散熱器、模擬CPU（包括保溫層、模擬芯片、云母片、絕熱層、銅板等）、數(shù)據(jù)采集儀、管路、電腦、調(diào)壓器、熱電偶等組成.模擬CPU長(zhǎng)度為38.6 mm，寬度為27.1 mm.實(shí)驗(yàn)液體選用丙二醇-水（PG-H2O，體積比3∶1）為基液的MWCNTs流體，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.135%、0.32%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.135%、0.32%的Al2O3納米流體和PG-H2O（體積比3∶1）作為實(shí)驗(yàn)對(duì)照液體.

模擬CPU的加熱功率通過(guò)調(diào)壓器調(diào)節(jié)，測(cè)試段共設(shè)置了11個(gè)T型熱電偶，分別布置在加熱主板和邊緣、水冷頭的正面、側(cè)面及進(jìn)出口處.

2.2實(shí)驗(yàn)

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1Schematic diagram of test system

2.2.1 PG-H2O冷卻液圖2給出了PG-H2O（體積比3∶1）作為冷卻液，在熱流密度為1.94×103J/（m2·s）、31.04×103J/（m2·s）下，模擬CPU平均溫度的變化狀況.從圖1中可以看出，模擬CPU的平均溫度穩(wěn)定在37℃～40℃，溫度隨著熱流密度的升高而升高.熱流密度為31.04×103J/（m2·s）時(shí)的溫降幅度遠(yuǎn)高于前者，在31.04×103J/（m2·s）熱流密度下，溫降幅度為43℃；而在1.94×103J/（m2·s）熱流密度下，溫降幅度為20℃.

圖2 PG-H2O冷卻液平均溫度變化曲線Fig.2Mean temperature curves of PG-water coolant liquid

2.2.2 Al2O3納米流體冷卻液采用Al2O3納米流體時(shí)，不同熱流密度下模擬CPU的平均溫度變化如圖3所示.當(dāng)模擬CPU平均溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，Al2O3納米流體的換熱能力有所下降.以熱流密度為31.04×103J/（m2.s）時(shí)為例，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.32%Al2O3納米流體溫度穩(wěn)定于40.4℃，比質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.135%的溫度高2℃左右.說(shuō)明Al2O3納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加會(huì)改變流體的傳熱性質(zhì)，導(dǎo)致了納米流體傳熱性能的下降.本文制備納米流體時(shí)采用的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計(jì)算時(shí)再將其轉(zhuǎn)化為體積分?jǐn)?shù)，其轉(zhuǎn)化公式［11］：

式（1）中，ε為納米流體的體積分?jǐn)?shù)，ρf為納米流體的密度，ρd為基液密度，φm為納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

納米流體的粘度計(jì)算公式［12］：

由此可看出，隨著納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，粘度也隨之增加.

Pak［13］等也指出，納米流體的粘度會(huì)影響其強(qiáng)化傳熱效果.MadhusreeKole［14］等研究了Al2O3-汽車?yán)鋮s液納米流體的粘度與溫度和納米顆粒體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，結(jié)果表明納米流體的粘度隨溫度的升高而減小，隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而增大.

圖3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（a）0.135%和（b）0.32%的Al2O3納米流體冷卻液平均溫度變化曲線Fig.3Mean temperature curves of Al2O3nanofluids coolant liquid with mass fraction of（a）0.135%and（b）0.32%

2.2.3 MWCNTs納米流體冷卻液如圖4所示，MWCNTs納米流體作為冷卻液時(shí)具有極佳的散熱效果.使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.135%MWCNTs納米流體時(shí)，在熱流密度為31.04×103J/（m2·s）下，模擬CPU的平衡溫度為34.3℃，而對(duì)照組質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.135% Al2O3的溫度為38.6℃，PG-H2O（體積比3∶1）的溫度為40.2℃.在熱流密度為31.04×103J/（m2·s）下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.32%MWCNTs納米流體工作時(shí)，最高溫降可達(dá)48℃.而且，在所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，隨質(zhì)量濃度的增加，MWCNTs納米流體散熱效果越明顯.在相同熱流密度（17.46×103J/（m2·s））下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.135%的MWCNTs納米流體的平均溫度穩(wěn)定在34.4℃，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32%的MWCNTs納米流體的溫度穩(wěn)定在32.3℃.

圖4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（a）0.135%和（b）0.32%的MWCNTs納米流體冷卻液平均溫度變化曲線Fig.4Mean temperature curves of MWCNTs nanofluids coolant liquid with mass fraction of（a）0.135%and（b）0.32%

3 結(jié)果與討論

對(duì)比圖3和圖4可知，與Al2O3納米流體相比，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)MWCNTs納米流體作用下的模擬CPU平均溫降幅度更大，達(dá)到平衡溫度的時(shí)間更短.例如，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.135%時(shí)，在不同熱流密度作用下，Al2O3的溫度穩(wěn)定在35.6℃～38.6℃，MWCNTs的溫度穩(wěn)定在32.3℃～34.3℃.在同一熱流密度［31.04×103J/（m2·s）］下，MWCNTs的溫度穩(wěn)定為34.3℃，而Al2O3穩(wěn)定在38.6℃.由圖5可知，MWCNTs納米流體的換熱性能優(yōu)于Al2O3納米流體.

圖5 在相同熱流密度下5組冷卻液的平均溫度Fig.5Mean temperature of five groups of coolant liquid at same heat flux

熱阻能夠反映阻止熱量傳遞能力的大小，因此在評(píng)價(jià)換熱性能時(shí)常使用熱阻作為評(píng)判指標(biāo)［15］.一般情況下，熱阻越小，物質(zhì)的傳熱能力越強(qiáng).散熱器熱阻計(jì)算公式為

式（3）中，Tc為散熱器底面最高的溫度；Tm為進(jìn)出口溫度平均值；為改為熱源產(chǎn)生的熱量；R為計(jì)算得出散熱器的總熱阻.

根據(jù)公式（3）計(jì)算出的結(jié)果如圖6所示.

當(dāng)模擬CPU功率為32.47 W時(shí)，載入MWCNTs（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.32%）納米流體的散熱器熱阻值為0.269℃/W，是測(cè)試液體中熱阻值最小的；與常用的Al2O3納米粒子相比，MWCNTs納米粒子的換熱能力更強(qiáng).當(dāng)功率為2.03 W時(shí)，MWCNTs納米流體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.32%）的熱阻值是2.908℃/W，Al2O3納米流體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.32%）熱阻值是6.517℃/W.隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，MWCNTs納米流體的換熱效果增強(qiáng)，在模擬CPU功率為8.17 W時(shí)，MWCNTs納米流體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.32%）的熱阻值是0.96℃/W，MWCNTs納米流體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.135%）熱阻值是1.454℃/W.質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.32%的MWCNTs納米流體的熱阻值在相同工況下均小于質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.135%.在相同功率（2.03 W、4.57 W、8.17 W）作用下，不同冷卻液工作時(shí)的散熱器熱阻值排序如下，該結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度變化一致.

圖6 在不同功率下5組冷卻液的熱阻值Fig.6Thermal resistance of five groups of coolant liquid at different powers

而在功率18.26 W、32.47 W時(shí)，不同冷卻液工作時(shí)的散熱器熱阻值排序如下：

為了定量評(píng)估添加納米粒子對(duì)液體傳熱性能的影響，將MWCNTs納米流體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.135%、0.32%）與Al2O3納米流體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.135%、0.32%）的熱阻值（R1）與相同工況下的基液（PG-H2O）的熱阻值（R0）之比，定義為納米粒子影響因子E：

圖7給出了填充不同納米粒子的納米流體E隨功率值的變化規(guī)律.

從圖7可以看出，對(duì)于MWCNTs納米流體，E分別為0.602到0.828（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.135%）和0.39到0.549（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.32%），說(shuō)明碳納米管粒子增強(qiáng)了基液（PG-H2O）的換熱性能，且在高質(zhì)量濃度時(shí)強(qiáng)化效果更明顯.對(duì)于Al2O3納米流體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.135%），E在全部工況下全小于1，說(shuō)明在低濃度時(shí)，Al2O3粒子強(qiáng)化了換熱性能；而質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.32%的Al2O3納米流體在功率為18.26 W、32.47 W時(shí)，E分別為1.078、1.077，兩者均大于1，說(shuō)明粘度對(duì)換熱性能的惡化作用大于納米粒子對(duì)換熱性能的提高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提升增大了納米流體的粘度.

圖7 在不同功率下5組納米流體的影響因子Fig.7Impact factor of five groups of nanofluids at different powers

4 結(jié)語(yǔ)

使用MWCNTs納米流體進(jìn)行液冷式CPU散熱器的換熱性能實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MWCNTs納米流體具有良好的換熱性能.在功率為32.47 W下，MWCNTs納米流體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.32%）溫度穩(wěn)定為32.2℃，而Al2O3納米流體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.32%）穩(wěn)定在40.4℃.在液體中添加碳納米管粒子能提升液體的換熱能力.在相同功率（18.26 W）下，PG-H2O流體的熱阻值是0.859℃/W，MWCNTs納米流體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.32%）的熱阻值為0.457℃/W.在相同功率下，MWCNTs納米流體的E值全小于1.由此表明，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，MWCNTs納米流體的換熱效果有所增強(qiáng).在相同功率的情況下，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MWCNTs流體的熱阻值最小，換熱能力最強(qiáng).

［1］CHOI S U S.Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles［J］.Office of scientific&technical information technical reports，1995，231（1）：99-105.

［2］LI Y，ZHOU J E，TUNG S，et al.A review on development of nanofluidpreparation and characterization［J］. Powder technology，2009，196（2）：89-101.

［3］LI C H，PETERSON G P.Experimental investigation of temperature and volume fraction on the effective thermal conductivity of nanoparticle suspensions（nanofluids）［J］.Journal of applied physics，2006，99（8）：93-102.

［4］LI X F，ZHU D S，WANG X J.Evaluation on dispersion behavior of the aqueous copper nano-suspensions［J］. Journal of colloid&interface science，2007，310（2）：456-463.

［5］何欽波，童明偉，劉玉東.低溫相變蓄冷納米流體成核過(guò)冷度的實(shí)驗(yàn)研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，2007，28（4）：33-36. HE Q B，TONG M W，LIU Y D.Experimental study on super-cooling degree of nanofluids for cryogenic cool storage［J］.Journal of refrigeration，2007，28（4）：33-36.

［6］DAS S，PUTTA N，THIESN P，et al.Temperature dependence of thermal conductivity enhancement for nanofluids［J］.Journal of heat transfer，2003，125（4）：567-574.

［7］EASTMAN J A，CHOIS U S，LI S.Novel thermal properties of nanostructured material［J］.Journal of metastable &nanocrystalline materials，1999，2（6）：629-634.

［8］MASUDAH，EBATA A，TERAMAE K，et al.Alteration of thermal conductivity and viscosity of liquid by dispersed ultra-fine particles（dispersion of γ-Al2O3SiO2and TiO2ultra-fine particles）［J］.NetsuBussei，1993，7（4）：227-233.

［9］李強(qiáng).納米流體強(qiáng)化傳熱機(jī)理研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2003.

［10］鄭立國(guó).碳納米管-水納米流體重力熱管傳熱性能研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2007.

［11］宣益民，李強(qiáng).納米流體能量傳遞理論與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［12］BRINKMAN H C.The viscosity of concentrated suspensionsandsolution［J］.Journalofchemicalphysics.1952，20（4）：571.

［13］PAK B C，CHOI Y L.Hydrodynamic and heat transfer study of dispersed fluids with submicron metallic oxide particles［J］.Experimental heat transfer，1998，11（2）：151-170.

［14］KOLE M，DEY T K.Viscosity of alumina nanoparticles dispersed in car engine coolant［J］.Experimental thermal&fluid science，2010，34（6）：677-683.

［15］陸正裕，熊建銀，屈治國(guó)，等.CPU散熱器換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，25（5）：862-863.

LU Z Y，XIONG J Y，QU Z G，et al.An experimental study on two kinds of heat sinks of CPU［J］.Journal of engineering thermophysics，2004，25（5）：862-863.

本文編輯：陳小平

Improvement of Heat Transfer Properties of Liquid-Cooled Entral Processing Unit by Nanofluids Containing Multi-Walled Carbon Nanotubes

ZHENG Zhou1，3，YE Xiaojiang2*，HOU Zhijian3，ZHANG Yixue1，ZHENG Xingwen1，CHENG Fei1，3
1.School of Science，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China；2.School of Materials Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；3.School of Mechanical and Electrical Engineering，Shenzhen Polytechnic，Shenzhen 518055，China

Aiming at the problem of poor heat dissipation in the liquid-cooled central processing unit(CPU) radiator，we designed the heat transfer performance experiment system in the liquid-cooled CPU radiator，by using propylene glycol-water based fluid，and nanofluids containing alumina and multi-walled carbon nanotubes（MWCNTs）to conduct heat transfer experiment，and we optimized the experimental conditions through the single variable method.When the heating power is 18.26 W，the thermal resistance of propylene glycol-water fluid，alumina nanofluids with mass fraction of 0.135%，and MWCNTs nanofluids with mass fraction of 0.135% and 0.32%were 0.859℃/W，0.751℃/W，0.739℃/W and 0.457℃/W，respectively.The results show that the heat transfer capability of the based fluid improves by adding nanoparticles，and the heat transfer effect of MWCNTs nanofluids enhances with the mass fraction increasing.

MWCNTsnanofluids；liquid-cooled CPU；heat transfer performance；thermal resistance

TB383

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.06.015

1674-2869（2016）06-0594-05

2016-08-29

武漢工程大學(xué)第七屆研究生教育創(chuàng)新基金（CX2015091）

鄭周，碩士研究生.E-mail：1689806431@qq.com

*通訊作者：葉曉江，博士，教授.E-mail：xiaojiangye@foxmail.com