填充式液冷散热器的传热强化及流阻性能研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电子冷却技术的分类
• 1.3 各种电子冷却技术
• 1.3.1 风冷
• 1.3.2 液体冷却
• 1.3.3 其他冷却技术
• 1.4 多孔介质对流换热特性的研究
• 1.4.1 多孔介质的定义和研究意义
• 1.4.2 多孔介质中的流型
• 1.4.3 多孔介质中的流动阻力
• 1.4.4 多孔介质中的传热特性
• 1.4.5 多孔介质强化传热在液体冷却散热器中的应用
• 1.5 课题的研究内容及创新
• 1.5.1 课题的研究内容
• 1.5.2 课题的创新之处
• 第二章 实验系统与操作
• 2.1 实验流程
• 2.2 实验仪器及设备
• 2.2.1 水泵
• 2.2.2 发热板
• 2.2.3 散热器
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 实验方案设计
• 2.3.2 实验测量
• 2.3.3 实验操作
• 2.4 本章小结
• 第三章 数据处理方法和误差分析
• 3.1 实验数据处理
• 3.1.1 散热器通道截面当量直径的计算
• 3.1.2 雷诺数的计算
• 3.1.3 对流换热系数的计算
• 3.1.4 流动阻力系数的计算
• 3.1.5 Nusselt 准数的计算
• 3.1.6 散热器的综合性能评价系数
• 3.2 误差分析
• 3.2.1 对流换热系数误差分析
• 3.2.2 流动阻力系数误差分析
• 3.2.3 Nusselt 准数误差分析
• 3.2.4 PEC 误差分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 实验结果与分析
• 4.1 散热器的换热特性
• 4.1.1 不同热负荷下的散热效果
• 4.1.2 不同直径填料的散热效果
• 4.1.3 填充孔隙率对散热效果的影响
• 4.1.4 不同填料的散热效果
• 4.2 散热器的流动特性
• 4.2.1 不同直径填料的流阻性能
• 4.2.2 填充孔隙率对流动特性的影响
• 4.2.3 不同填料的流阻性能
• 4.3 散热器的综合性能评价
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢