劉新博

（中國電子科技集團公司第二十研究所西安710068）

典型微通道液冷冷板散熱性能試驗研究

劉新博

（中國電子科技集團公司第二十研究所西安710068）

論文通過搭建微通道液冷冷板測試環(huán)境，分別測試了七種典型微通道液冷冷板的進、出口壓差、流量和溫度。以D5冷板為參考，分別對比常規(guī)通道，不同槽道高度、槽道筋厚及流道形式對微通道液冷冷板散熱性能的影響。結合工程應用比較了不同微通道冷板的綜合性能，為微通道冷板設計提供參考。

微通道；液冷；散熱

Class NumberTN402

1 引言

隨著電子元器件集成化程度越來越高，體積不斷縮小，熱流密度急劇上升［1］。解決大功率、高熱密度下電子設備的散熱問題是結構設計中的關鍵環(huán)節(jié)［2］。應用微通道液冷冷板散熱是一種比較理想的方式［3］。本文通過搭建微通道液冷冷板測試環(huán)境，以測試數據為依據對比了七種典型微通道液冷冷板的換熱性能，結合工程應用比較了不同微通道冷板的綜合性能。

2 微通道液冷冷板性能測試指標

微通道冷板通常以換熱系數和進出口壓差作為衡量冷板性能的主要指標［4］。搭建測試系統(tǒng)應準確測試與這兩個指標相關的參數值。

換熱系數h1的工程意義是整體上衡量冷板對熱源的散熱能力指標。換熱系數越大表明微通道冷板的散熱性能越優(yōu)越。h1的定義公式為

式中Asource為熱源和冷板接觸面積，Twc為熱源表面溫度，To為進出口冷卻液平均溫度，Q為總換熱量。

進出口壓差?P可以衡量泵功耗。壓損越大，消耗的泵功越大，對泵的要求也越高，并與經濟成本相關。保證散熱系統(tǒng)流量的前提下，進出口壓差越小越好。?P的定義公式為

式中Pin為進水口平均壓力，Pout為出水口平均壓力。

3 典型微通道液冷冷板

為了研究微通道液冷冷板的換熱性能，從工程實際應用出發(fā)，設計了七種不同參數的冷板。冷板類型分別為常規(guī)冷板一種，不同槽道高度冷板三種，不同槽道筋厚冷板一種和不同流道形式冷板兩種［5］。微通道冷板參數見表1，示意圖如圖1所示。

表1 微通道液冷冷板參數對照表

本文主要研究微通道不同槽道高度、槽道筋厚及流道形式對微通道液冷冷板性能的影響。以常規(guī)微通道冷板D5為參考，與其他冷板進行對比分析。為了保證各種冷板對比分析數據的準確性，設計冷板時，將冷板與熱源的接觸面積統(tǒng)一設置為10cm2。所有冷板的槽道寬度bc設置為0.5mm，入口段長度L1為10mm。各種冷板的外形尺寸一致，并保證冷板的實際有效散熱面積相同。微通道冷板的加工方法為以常規(guī)機加工藝加工槽道，再通過真空釬焊形成密閉液冷通道［6］。冷板流道結構如圖2所示。

4 微通道液冷冷板性能測試環(huán)境搭建

1）測試環(huán)境組成

根據微通道液冷冷板性能測試指標中的相關參數，測試系統(tǒng)應設計成一個液壓回路。在液壓回路中可以實現流量控制，壓力測量以及相應的溫度測量［7］。測試系統(tǒng)的主要功能單元可劃分為液冷循環(huán)單元、數據采集單元和模擬設備單元三部分。微通道液冷冷板性能測試環(huán)境原理圖如圖3所示。

（1）液冷循環(huán)單元

液冷循環(huán)單元是由微流量水泵、節(jié)流閥、管線、快插接頭及儲水槽等組成的一個開式液壓回路。液冷循環(huán)單元為系統(tǒng)提供流量可調的冷卻液，通過調節(jié)節(jié)流閥開口大小實現系統(tǒng)流量的調節(jié)［8］。

（2）數據采集單元

數據采集單元主要采集系統(tǒng)流量、壓力和溫度三種數據。流量值通過串聯在液冷循環(huán)單元中的流量計讀??；壓力值分為進口壓力和出口壓力，通過安裝在模擬箱體兩端的壓力傳感器采集，從壓力數值顯示器上讀取；溫度數值通過溫度測試儀器采集，從溫度測試儀器的電腦顯示屏上讀取。

（3）模擬設備單元

模擬設備單元是微通道冷板性能測試環(huán)境的核心部分。模擬設備單元包括模擬箱體、模擬熱源和微通道冷板［9］。

模擬箱體和微通道冷板接入液冷循環(huán)單元，冷卻液流經微通道冷板，帶走由模擬熱源傳導至微通道冷板的熱量，從而實現對模擬熱源的冷卻。模擬設備單元如圖4所示。

2）測試環(huán)境工作原理

微流量水泵驅動冷卻液在微通道冷板中以強迫對流的方式帶走熱量，實現對流換熱。從微流量水泵流出的冷卻液流經與模擬熱源接觸的微通道冷板，吸收模擬熱源產生的熱量，冷卻液的溫度上升，從出口流出，形成一個開環(huán)式的冷卻換熱測試系統(tǒng)。通過數據采集單元采集相應流量、壓力和溫度數據。

根據微通道液冷冷板性能測試環(huán)境原理圖搭建微通道液冷冷板性能測試環(huán)境如圖5所示。測試環(huán)境冷卻液為水。

5 微通道液冷冷板性能測試方法

微通道冷板測試環(huán)境主要測試通過微通道冷板的冷卻液流量、微通道冷板兩端的壓力、微通道冷板兩端冷卻液的溫度和模擬熱源的溫度。

將微通道冷板接入測試環(huán)境，設定模擬熱源熱流密度為30W/cm2，然后調節(jié)系統(tǒng)流量從10L/ h-50L/h變化，記錄對應流量時的相應進、出口壓力、溫度和模擬熱源溫度。

流經微通道冷板的冷卻液流量通過串聯在液冷循環(huán)單元中的流量計讀取。微通道冷板兩端的壓力通過安裝在模擬箱體進水口和出水口上的壓力傳感器采集，從壓力傳感器的數值顯示器上讀取。當系統(tǒng)流量變化后記錄相應的進水口和出水口壓力值。溫度測試分為進、出水口溫度和模擬熱源溫度。進、出水口溫度由安裝在模擬箱體進、出水口處的熱電偶采集，模擬熱源的溫度由安裝在模擬熱源上的四只熱電偶采集。熱電偶采集的數據通過儀器在電腦上顯示。

6 數據分析

根據測試環(huán)境實測數據將微通道冷板分為四組對比分析換熱性能。四組對比中以D5冷板為參考，分別對比常規(guī)通道，不同道槽道高度、槽道筋厚及流道形式對微通道液冷冷板性能的影響。

1）微通道冷板與常規(guī)冷板換熱性能對比

常規(guī)通道冷板C5與微通道冷板D5的區(qū)別在于D5的散熱通道中增加了筋厚1mm，寬度0.5mm，高度5mm的散熱槽道［10］。冷板D5與冷板C5測試數據對比如圖6所示。微通道冷板D5和常規(guī)冷板C5進、出口壓差接近。增加散熱槽道使冷卻液與冷板的換熱面積增大，從而提高了冷板D5的換熱性能。微通道冷板D5的換熱性能要比常規(guī)冷板C5優(yōu)越。

2）微通道槽道高度對換熱性能的影響

將微通道冷板D5的槽道高度加工為3.5mm和2mm即為微通道冷板D3.5和D2。冷板D5與冷板D3.5、D2測試數據對比如圖7所示。槽道高度對微通道冷板的換熱系數影響較大。槽道高度減小，微通道冷板的換熱性能降低。槽道高度增大有利于提高微通道冷板的換熱性能，但結合工程實際，微通道冷板的槽道加工方法為機加方式，槽道高度越大，加工難度越大。綜合工程實際和測試結果，微通道冷板D3.5的綜合型能比較優(yōu)越。

3）微通道槽道筋厚對換熱性能的影響

微通道冷板E0.5是在冷板D5的基礎上增加槽道，減小槽道筋厚加工而成。冷板E0.5的槽道筋厚0.5mm，槽道寬度0.5mm，槽道高度5mm。冷板D5與冷板E0.5測試數據對比如圖8所示。根據理論分析，在熱源接觸面積不變的情況下，槽道越多換熱性能越好。從實際測試來看，增加槽道數量的冷板E0.5的換熱性能與D5相比并沒有明顯提升。結合冷板的加工工藝，冷板E0.5的肋條由于厚度過小，加工過成中變形較嚴重，焊接時漏焊，使槽道之間導通。槽道導通導致液冷源橫截面積增大，流速降低，從而降低了流固換熱效率。綜合分析，應用機加方式加工的冷板E0.5在實際應用中效果較差。如能通過其他加工工藝則可提高冷板的換熱性能。

4）微通道流道形式對換熱性能的影響

將微通道冷板D5的通道形式改成Y型和U型即為微通道冷板YW1和UW1。冷板D5與冷板YW1、UW1測試數據對比如圖9所示。復雜流道形式可以提高微通道冷板的換熱性能。Y型、U型通道與直型通道的不同在于前者進、出水口處于冷板的同側。工程應用中，條件允許的情況下可優(yōu)先選用Y型或U型通道形式的冷板。

7 總結

從以上測試數據對比分析，結合工程應用可以得出以下結論。

1）微通道液冷冷板的換熱性能優(yōu)于常規(guī)通道液冷冷板；

2）復雜流道的微通道冷板換熱性能較好，如微通道冷板YW1和UW1，設計微通道液冷冷板時可優(yōu)先考慮；

3）以機加結合焊接的生產方式加工冷板，考慮成本及加工難易程度，槽道深度3.5mm，槽道寬度0.5mm，槽道筋厚1mm較為經濟；

4）冷卻液流量達到一定值后，模擬熱源溫度下降速率趨于平緩。繼續(xù)增大流量時，模擬熱源溫度降低效果不明顯，而進、出口壓差會增大，使泵功耗增大，影響冷板經濟性。

8 結語

本文通過搭建微通道液冷冷板測試環(huán)境，分別測試了七種典型微通道液冷冷板的進、出口壓差、流量和溫度。以D5冷板為參考，對比常規(guī)通道，不同槽道高度、槽道筋厚及流道形式對微通道液冷冷板性能的影響。并結合工程應用比較了不同微通道冷板的綜合性能，為微通道冷板設計提供定性和定量參考。

［1］趙惇殳.電子設備結構設計原理［M］.南京：江蘇科學技術出版社，1986.

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Experimental Study on Heat Transfer Performance of Typical Microchannel Cooling Plate

LIU Xinbo
（20th Institude，China Electronics Technology Group Corporation，Xi'an710068）

In this paper，the inlet and outlet pressure difference，flow rate and temperature of 7 kinds of typical micro channel liquid cold plate are tested by establishing a micro channel liquid cold plate test environment.The effects of the conventional channel，the channel height，the thickness of the channel and the channel form on the cooling performance of the micro channel cold plate were compared with the D5 cold plate.Combined with the engineering application，the comprehensive performance of different microchannel cold plate is compared，which provides reference for the design of microchannel cold plate.

microchannel，liquid cooling，dissipate heat

TN402

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.039

2017年1月8日，

2017年2月26日

“十三五”XX共用信息系統(tǒng)裝備預先研究（編號：31508XXXX）資助。作者簡介：劉新博，男，碩士研究生，工程師，研究方向：電子設備結構設計。