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河北省任丘市东利散热器厂

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保养常识

使用熔点低金属散热的数据模拟

管长的影响分别以镓和水为散热工质,热沉内流道管径为4mm,芯片功率60WP=、面积2225mmS=,Re=600和1800时,对直管型流道热沉(流道长度为50mm)与三种蛇形管流道热沉(流道长度分别为101mm,125mm,150mm)的芯片散热进行数值模拟,不同流道长度下的芯片温度模拟结果如所示。

  从可以看出,以水为散热工质时,芯片温度随流道长度的增加而迅速降低;以镓为散热工质时,流道长度增加,芯片温度变化较小。在相同Re下,流道存在一临界长度lc,当流道长度llc时则相反,且Re越大,lc值越大。

  不同流道长度下的芯片温度以0.07xDRePr=计算热入口段长度x,热入口段内Nu高于热充分发展段。由于镓的Pr数非常小,则x很短,整个流道仅有很短一部分处于热入口段,因此,再增加流道长度对芯片散热影响不大,且由于热沉热阻的影响,整个流道在不同长度处热流密度不同,在采用较长的蛇形管流道时,热入口段处于热流密度较小处,散热效果有限,从而导致在芯片功率不变的情况下,流道越长,反而芯片温度略有升高。当采用水为散热工质时,由于水的Pr数较大,x较长,整个流道全部处于热入口段,流道越长,则芯片温度越低,散热效果更好。

  管径1及Re的影响以镓为工质,采用50mm×50mm×6mm的直管型热沉,内流道长度50mm,对不同流道直径(D=2,3,4,5mm)在不同Re时芯片的散热进行数值模拟,其结果如所示。不同流道直径不同Re时的芯片温度从可以看出,在常规尺寸范围内,流道直径越大,Re数越高,芯片温度越低。因此,以镓为工质时,芯片散热系统可选择管径较大的短流道,以减小系统尺寸、质量及流动阻力。

  工质导热系数的影响为研究工质导热系数对芯片散热性能的影响,假设镓的导热系数可在水与镓的导热系数之间,即0.6~29.4范围内变化,而其他物性参数保持不变,对其在流道长度为50mm,直径为4mm的直管型热沉内,Re=2200的情况下,芯片功率分别为60W、120W时的散热性能进行数值模拟,其结果如所示。

  不同功率时工质导热系数对芯片温度的影响从可以看出,不同功率时,芯片温度随导热系数的增加而降低,但导热系数越高,芯片温度降低的幅度大大减小。因此,片面追求过高的导热系数,并不能大幅提高工质的散热性能,反之,可以考虑在镓中掺混一定比例的高潜热相变材料微胶囊,适当牺牲镓的导热系数,而增加散热工质的等效比热,形成一种潜热型的低熔点液态金属功能热流体,以提高工质的散热性能。成功地在液态镓中掺混入碳纳米管粉末,证明了在镓中掺入颗粒类物质的可行性。潜热型低熔点液态金属功能流体的制备与传热性能将是下一步研究的重点内容。

  结论(1)采用数值计算方法对以镓和水作为散热工质的热沉层流传热进行数值模拟,研究表明,以液态镓作为散热工质时,散热效果受流道长度影响较小;以水为散热工质时,流道越长,散热效果越好。热沉仅在流道长度小于临界长度的情况下,以镓作为散热工质才具有比水更好的散热效果。(2)在常规尺寸范围内,以镓为工质,流道直径越大,散热效果越好,且随Re的增加而增加。(3)过高的导热系数并不能大幅提高工质的散热性能。因此,可考虑在工质的其他物性方面,如提高比热来增强工质的散热性能,以期获得一种具有较高的导热系数以及较大的等效比热的潜热型低熔点液态金属功能热流体。