不同濃度乙二醇冷卻液對散熱性能影響的研究 附乙二醇水溶液物性下載
引言
隨著電力電子技術的迅速發展，電力半導體器件的高密度、高集成、大功率和小型化的發展已是不可逆轉的趨勢，這些都使芯片的熱流密度迅速上升，傳統的風冷散熱難以滿足要求。液冷散熱采用高比熱容的冷卻液，具有散熱功率大、均勻性好、結構緊湊等優勢，在大功率電力半導體器件散熱中被廣泛采用。冷卻液主要采用乙二醇-水溶液，本文將主要介紹不同濃度的乙二醇水溶液的散熱性能。
乙二醇水溶液簡介
水作為一種常見而優秀的載冷液，因其低廉的成本和出色的換熱性能，在液冷散熱中得到了廣泛應用。雖然水的物理特性都很優秀，但其冰點為0℃使得其不具備在低溫環境下工作。為解決這一問題，在水溶液中添加乙二醇可以降低溶液的冰點。乙二醇（ethylene glycol）又名“甘醇”、“1,2-亞乙基二醇”，簡稱EG。化學式為(CH2OH)2，是最簡單的二元醇。隨著乙二醇濃度增加，水溶液冰點不斷降低，最低可達零下48℃，使得液冷散熱器內的冷卻液不易結冰。
圖1 液冷散熱器流道示意圖
（圖片來自：www.xenbo.com）
表1 不同濃度乙二醇和水的物性參數表
在水中摻入了乙二醇，冷卻液的物性參數產生了變化，尤其動力粘度的改變，對散熱性能的影響較大。
圖2 液冷散熱器實物圖
流體流過固體表面時，流體與固體間的熱量交換稱為對流傳熱，是液冷散熱器主要的換熱形式。對流換熱由牛頓冷卻公式計算。
式中：
q—熱功率，W；
h—對流換熱系數，W/(m2·K)；
S—散熱面積，m2；
?t—溫差，K。
流體的物性參數會影響冷媒在管內運動過程中的運動狀態，繼而影響換熱效果。液冷散熱器中的流動過程通常為無相變的強制對流傳熱，流體的密度ρ，動力粘度μ，導熱系數λ和定壓比熱容cp都會影響流體的傳熱能力。
h=f(ρ,μ,ν，ι,λ,cp) （2）
式中：
ρ——密度，kg/m3；
μ——動力粘度，Pa·s；
ν——速度，m/s；
ι——特征長度，m；
λ——導熱系數，W/（m·K）；
cp——定壓比熱容，J/（kg·K）。
為了計算管內冷媒流動時的對流換熱系數h，下面引入努塞爾（Nusselt）數。努塞爾數用于衡量對流換熱強烈程度。
由努塞爾數可得對流換熱系數求解：
因此，只需要求得努塞爾數即可計算出管內的對流換熱系數。在液冷散熱器工作時，管內通常為強制對流傳熱形式，因此，選用Dittus-Boelter公式。
式中：
Re——雷諾數；
Pr——普朗特數；
n——流體被加熱時，n=0.4；流體被冷卻時，n=0.3。
為了求解式5，需要求解引入的雷諾（Reynolds）數和普朗特（Prandtl）數。雷諾數反映流體流動情況；普朗特數反映流體物理性質對對流傳熱過程的影響。
由式3、4、5、6可得總換熱系數如下式
從式8可得以下結論：流速越大，換熱系數越大；動力粘度越大，換熱系數越小。
冷卻液以4m/s的速度流入直徑為6mm流道的液冷散熱中，分別計算表1中4種不同乙二醇濃度冷卻液的對流換熱系數。計算結果如表2所示。
表2不同濃度乙二醇和水的對流換熱系數
在散熱功率、流速、進口溫度、液冷散熱器都相同的情況下，通過改變冷卻液中乙二醇的濃度，通過試驗測試，可以得到不同的液冷散熱器的最高溫度和溫升情況。
圖3 不同乙二醇濃度冷卻液的散熱性能測試
表3不同濃度乙二醇-水溶液散熱性能測試
隨著乙二醇水溶液濃度的提升，動力粘度不斷增加，冷卻液的對流換熱能力依次降低，散熱器溫升逐漸提高。因此在實際的使用中，比如南方地區等環境溫度較高情況下，對冷卻液的冰點要求較低時，可以采用乙二醇濃度較低的冷卻液，有利于提升散熱性能，降低散熱器溫升，同時減少昂貴乙二醇的使用，可以有效降低冷卻液的成本。
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