不同浓度乙二醇冷却液对散热性能影响的研究

引言

随着电力电子技术的迅速发展，电力半导体器件的高密度、高集成、大功率和小型化的发展已是不可逆转的趋势，这些都使芯片的热流密度迅速上升，传统的风冷散热难以满足要求。液冷散热采用高比热容的冷却液，具有散热功率大、均匀性好、结构紧凑等优势，在大功率电力半导体器件散热中被广泛采用。冷却液主要采用乙二醇-水溶液，本文将主要介绍不同浓度的乙二醇水溶液的散热性能。

乙二醇水溶液简介

     水作为一种常见而优秀的载冷液，因其低廉的成本和出色的换热性能，在液冷散热中得到了广泛应用。虽然水的物理特性都很优秀，但其冰点为0℃使得其不具备在低温环境下工作。为解决这一问题，在水溶液中添加乙二醇可以降低溶液的冰点。乙二醇（ethylene glycol）又名“甘醇”、“1,2-亚乙基二醇”，简称EG。化学式为(CH2OH)2，是最简单的二元醇。随着乙二醇浓度增加，水溶液冰点不断降低，最低可达零下48℃，使得液冷散热器内的冷却液不易结冰。

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图1 液冷散热器流道示意图

（图片来自：www.xenbo.com）

表1 不同浓度乙二醇和水的物性参数表

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在水中掺入了乙二醇，冷却液的物性参数产生了变化，尤其动力粘度的改变，对散热性能的影响较大。

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图2 液冷散热器实物图

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液冷散热器散热性能分析

流体流过固体表面时，流体与固体间的热量交换称为对流传热，是液冷散热器主要的换热形式。对流换热由牛顿冷却公式计算。

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（1）

式中：

q—热功率，W；

h—对流换热系数，W/(m2·K)；

S—散热面积，m2；

∆t—温差，K。

流体的物性参数会影响冷媒在管内运动过程中的运动状态，继而影响换热效果。液冷散热器中的流动过程通常为无相变的强制对流传热，流体的密度ρ，动力粘度μ，导热系数λ和定压比热容cp都会影响流体的传热能力。 

h=f(ρ,μ,ν，ι,λ,cp)       （2）

式中：

ρ——密度，kg/m3；

μ——动力粘度，Pa·s；

ν——速度，m/s；

ι——特征长度，m；

λ——导热系数，W/（m·K）；

cp——定压比热容，J/（kg·K）。

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对流换热系数计算

为了计算管内冷媒流动时的对流换热系数h，下面引入努塞尔（Nusselt）数。努塞尔数用于衡量对流换热强烈程度。

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              （3）      

    由努塞尔数可得对流换热系数求解：

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（4）

因此，只需要求得努塞尔数即可计算出管内的对流换热系数。在液冷散热器工作时，管内通常为强制对流传热形式，因此，选用Dittus-Boelter公式。

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（5）

式中：

Re——雷诺数；

Pr——普朗特数；

n——流体被加热时，n=0.4；流体被冷却时，n=0.3。

为了求解式5，需要求解引入的雷诺（Reynolds）数和普朗特（Prandtl）数。雷诺数反映流体流动情况；普朗特数反映流体物理性质对对流传热过程的影响。

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              （6）

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               （7）

由式3、4、5、6可得总换热系数如下式  

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（8）

从式8可得以下结论：流速越大，换热系数越大；动力粘度越大，换热系数越小。

冷却液以4m/s的速度流入直径为6mm流道的液冷散热中，分别计算表1中4种不同乙二醇浓度冷却液的对流换热系数。计算结果如表2所示。

表2不同浓度乙二醇和水的对流换热系数

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试验测试

在散热功率、流速、进口温度、液冷散热器都相同的情况下，通过改变冷却液中乙二醇的浓度，通过试验测试，可以得到不同的液冷散热器的最高温度和温升情况。

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图3 不同乙二醇浓度冷却液的散热性能测试

表3不同浓度乙二醇水溶液物性

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结论

随着乙二醇水溶液浓度的提升，动力粘度不断增加，冷却液的对流换热能力依次降低，散热器温升逐渐提高。因此在实际的使用中，比如南方地区等环境温度较高情况下，对冷却液的冰点要求较低时，可以采用乙二醇浓度较低的冷却液，有利于提升散热性能，降低散热器温升，同时减少昂贵乙二醇的使用，可以有效降低冷却液的成本。