填充式液冷散热器的传热强化及流阻性能研究

随着电子技术的蓬勃发展,电力电子装置不断朝着大功率、高密度、小型化的方向发展,电子器件的散热效果已成为制约其发展的重要瓶颈。 多孔介质具有极强的“弥散效应”和“肋化效应”,可以促使流经其中的流体进行强烈的掺混,使得流动过程更加复杂,能够起到显著的强化换热效果。基于多孔介质传热传质理论,本文实验对普通液体冷却技术进行了改进,通过在CPU水冷散热器中填充各种填料,将原有的蛇形通道散热器改为近似于多孔介质复杂流道的填充式散热器。利用水作为液体冷却工质,不同尺寸、不同材质的球形颗粒作为填充填料,通过测量散热器壁温、液体冷却工质的流量、进出口温度研究了CPU水冷散热器的传热特性及流体流动性能。 通过不确定因素分析方法,对散热器的对流换热系数α、流体阻力系数f、Nusselt准数Nu及综合性能评价系数PEC的计算误差进行了分析。结果表明:本文实验系统液体冷却散热器的对流换热系数α的传递误差为7.83%,流体阻力系数f的传递误差为5.70%,Nusselt准数Nu和综合性能评价系数PEC的传递误差分别为7.84%和8.79%。 在实验范围内,改进后的多孔介质散热器的传热性能明显优于原有散热器,且发热功率越大,其强化作用越显著。在相同的热负荷及孔隙率下,填充碳钢填料的散热器较玻璃填料的散热器表现出了更优越的强化换热性能,其Nusselt系数大约是填充玻璃填料的1.2～1.5倍。实验结果表明,填料的粒径越大,其传热强化效果越好,带来的流动阻力也越小。当填充填料的孔隙率为0.75时,其对流换热效果最好,其次是孔隙率为0.6、0.9时,当孔隙率最小时其对流换热效果最差。而伴随着孔隙率的减小,其流动阻力逐渐增大。通过对实验结果进行分析可以发现,伴随着Re的增大,散热器的综合特性参数逐渐减小。填充Ф3mm填料后散热器的综合性能最佳,其次是Ф4mm填料、Ф2mm填料。并且,存在一孔隙率( ? m=0.75)使得其综合特性最优。因此,为使液体冷却散热器达到最佳的强化传热效果,应采用填充孔隙率为0.75、Ф3mm的碳钢填料。