《武汉工程大学学报》 2016年06期
597-598
出版日期：2016-12-15
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
碳纳米管纳米流体对液冷式CPU换热性能的改善
1 引 言液冷式CPU的散热器最早出现于20世纪80年代末90年代初，采用的是直径为4 cm的铝制散热片. 从1993年开始，风扇开始普遍使用在液冷式CPU散热器上. 随着电子技术发展，CPU频率和晶体管集成规模上升，CPU的温度也成倍地增长，以往的散热器己远不能满足CPU散热的需要，于是如何提高液冷式CPU散热器的换热性能，成为了研究热点. 在众多的冷却技术中，液冷技术非常实用. 自Choi［1］等提出纳米流体的概念后，已有研究表明，在液体中添加纳米粒子，可以提高液体的导热系数，增强对流换热［2-7］. Masuda［8］等发现体积分数4.3%的Al2O3-H2O纳米流体的导热系数比水提高了30%；李强［9］等分别测量了Al-H2O纳米流体和Cu-H2O （dn=20 nm左右）纳米流体的导热系数，测得体积分数2%的Al-H2O纳米流体导热系数比水的导热系数提高了6.3%；而添加体积分数为2%的Cu纳米粒子后其导热系数比水的导热系数提高了23%. 郑立国［10］测定认为MWCNTs-H2O纳米流体的导热系数比水的导热系数大. 其中，使用阿拉伯胶法制得的体积分数3%的MWCNTs-H2O纳米流体的导热系数比水的导热系数增加12.7%；混酸法制得的体积分数3%的MWCNTs-H2O纳米流体的导热系数比水的导热系数增加了7.1%. 而且，MWCNTs-H2O纳米流体的导热系数随碳纳米管浓度的增加而增加，随流体温度的升高而增加. 为研究MWCNTs纳米流体换热性能，利用不同质量分数的MWCNTs纳米流体进行CPU散热实验，比较了不同质量分数的Al2O3、MWCNTs纳米流体的散热效果，分析了不同种类的纳米粒子对换热效果的影响，其结果为MWCNTs纳米流体在传热与换热系统中的应用提供一定的实验基础. 2 实验部分 2.1 MWCNTs纳米流体换热性能实验系统 MWCNTs纳米流体换热性能测试实验系统如图1所示，主要由水泵、散热器、模拟CPU（包括保温层、模拟芯片、云母片、绝热层、铜板等）、数据采集仪、管路、电脑、调压器、热电偶等组成. 模拟CPU长度为38.6 mm，宽度为27.1 mm. 实验液体选用丙二醇-水（PG-H2O，体积比3∶1）为基液的MWCNTs流体，质量分数分别为0.135%、0.32%，质量分数为0.135%、0.32%的Al2O3纳米流体和PG-H2O（体积比3∶1）作为实验对照液体. 模拟CPU的加热功率通过调压器调节，测试段共设置了11个T型热电偶，分别布置在加热主板和边缘、水冷头的正面、侧面及进出口处. 2.2 实 验 2.2.1 PG-H2O冷却液 图2给出了PG-H2O（体积比3∶1）作为冷却液，在热流密度为1.94×103 J/（m2?s）、31.04×103 J/（m2?s）下，模拟CPU平均温度的变化状况. 从图1中可以看出，模拟CPU的平均温度稳定在37 ℃~40 ℃，温度随着热流密度的升高而升高. 热流密度为31.04×103 J/（m2?s）时的温降幅度远高于前者，在31.04×103 J/（m2?s）热流密度下，温降幅度为43 ℃；而在1.94×103 J/（m2?s）热流密度下，温降幅度为20 ℃. 2.2.2 Al2O3纳米流体冷却液 采用Al2O3纳米流体时，不同热流密度下模拟CPU的平均温度变化如图3所示. 当模拟CPU平均温度处于稳定状态时，随着质量分数的增加，Al2O3纳米流体的换热能力有所下降. 以热流密度为31.04×103 J/（m2.s）时为例，质量分数0.32%Al2O3纳米流体温度稳定于40.4 ℃，比质量分数0.135%的温度高2 ℃左右. 说明Al2O3纳米流体质量分数的增加会改变流体的传热性质，导致了纳米流体传热性能的下降. 本文制备纳米流体时采用的颗粒质量分数，计算时再将其转化为体积分数，其转化公式［11］： [ε=ρfφmρd(1-φm)+ρfφm]. （1）式（1）中，[ε]为纳米流体的体积分数，[ρf]为纳米流体的密度，[ρd]为基液密度，[φm]为纳米流体的质量分数. 纳米流体的粘度计算公式［12］： [μfμd=1(1-ε)2.5]. （2）由此可看出，随着纳米流体质量分数的增加，粘度也随之增加. Pak［13］等也指出，纳米流体的粘度会影响其强化传热效果. MadhusreeKole［14］等研究了Al2O3-汽车冷却液纳米流体的粘度与温度和纳米颗粒体积分数之间的关系，结果表明纳米流体的粘度随温度的升高而减小，随颗粒体积分数的增加而增大. 2.2.3 MWCNTs纳米流体冷却液 如图4所示，MWCNTs纳米流体作为冷却液时具有极佳的散热效果. 使用质量分数0.135% MWCNTs纳米流体时，在热流密度为31.04×103 J/（m2?s）下，模拟CPU的平衡温度为34.3 ℃，而对照组质量分数0.135%Al2O3的温度为38.6 ℃，PG-H2O（体积比3∶1）的温度为40.2 ℃. 在热流密度为31.04×103 J/（m2?s）下，质量分数0.32% MWCNTs纳米流体工作时，最高温降可达48 ℃. 而且，在所进行的实验中，随质量浓度的增加，MWCNTs纳米流体散热效果越明显. 在相同热流密度（17.46×103 J/（m2?s））下，质量分数为0.135%的MWCNTs纳米流体的平均温度稳定在34.4 ℃，而质量分数为0.32%的MWCNTs纳米流体的温度稳定在32.3 ℃. 3 结果与讨论对比图3和图4可知，与Al2O3纳米流体相比，相同质量分数MWCNTs纳米流体作用下的模拟CPU平均温降幅度更大，达到平衡温度的时间更短. 例如，质量分数为0.135%时，在不同热流密度作用下，Al2O3的温度稳定在35.6 ℃～38.6 ℃，MWCNTs的温度稳定在32.3 ℃～34.3 ℃. 在同一热流密度［31.04×103 J/（m2?s）］下，MWCNTs的温度稳定为34.3 ℃，而Al2O3稳定在38.6 ℃. 由图5可知，MWCNTs纳米流体的换热性能优于Al2O3纳米流体. 热阻能够反映阻止热量传递能力的大小，因此在评价换热性能时常使用热阻作为评判指标［15］. 一般情况下，热阻越小，物质的传热能力越强. 散热器热阻计算公式为 [R=Tc-Tm ]. （3）式（3）中，Tc为散热器底面最高的温度；Tm为进出口温度平均值； 为改为热源产生的热量；R为计算得出散热器的总热阻. 根据公式（3）计算出的结果如图6所示. 当模拟CPU功率为32.47 W时，载入MWCNTs（质量分数0.32%）纳米流体的散热器热阻值为0.269 ℃/W，是测试液体中热阻值最小的；与常用的Al2O3纳米粒子相比，MWCNTs纳米粒子的换热能力更强. 当功率为2.03 W时，MWCNTs纳米流体（质量分数0.32%）的热阻值是2.908 ℃/W，Al2O3纳米流体（质量分数0.32%）热阻值是6.517 ℃/W. 随着质量分数的增加，MWCNTs纳米流体的换热效果增强，在模拟CPU功率为8.17 W时，MWCNTs纳米流体（质量分数0.32%）的热阻值是0.96 ℃/W，MWCNTs纳米流体（质量分数0.135%）热阻值是1.454 ℃/W. 质量分数0.32%的MWCNTs纳米流体的热阻值在相同工况下均小于质量分数0.135%. 在相同功率（2.03 W、4.57 W、8.17 W）作用下，不同冷却液工作时的散热器热阻值排序如下，该结果与实测温度变化一致. [R0.32MWCNTs＞R0.135%MWCNTs＞R0.135%Al2O3＞R0.32%Al2O3＞RPG-H2O .] 而在功率18.26 W 、32.47 W时，不同冷却液工作时的散热器热阻值排序如下： [R0.32MWCNTs＞R0.135%MWCNTs＞R0.135%Al2O3＞RPG-H2O＞R0.32%Al2O3 .] 为了定量评估添加纳米粒子对液体传热性能的影响，将MWCNTs纳米流体（质量分数0.135%、0.32%）与Al2O3纳米流体（质量分数0.135%、0.32%）的热阻值（R1）与相同工况下的基液（PG-H2O）的热阻值（R0）之比，定义为纳米粒子影响因子E： [E=R1/R0]. （4）图7给出了填充不同纳米粒子的纳米流体E随功率值的变化规律. 从图7可以看出，对于MWCNTs纳米流体，E分别为0.602到0.828（质量分数0.135%）和0.39到0.549（质量分数0.32%），说明碳纳米管粒子增强了基液（PG-H2O）的换热性能，且在高质量浓度时强化效果更明显. 对于Al2O3纳米流体（质量分数0.135%），E在全部工况下全小于1，说明在低浓度时，Al2O3粒子强化了换热性能；而质量分数0.32%的Al2O3纳米流体在功率为18.26 W 、32.47 W时，E分别为1.078、1.077，两者均大于1，说明粘度对换热性能的恶化作用大于纳米粒子对换热性能的提高，质量分数的提升增大了纳米流体的粘度. 4 结 语使用MWCNTs纳米流体进行液冷式CPU散热器的换热性能实验. 实验结果表明，MWCNTs纳米流体具有良好的换热性能. 在功率为32.47 W下，MWCNTs纳米流体（质量分数0.32%）温度稳定为32.2 ℃，而Al2O3纳米流体（质量分数0.32%）稳定在40.4 ℃. 在液体中添加碳纳米管粒子能提升液体的换热能力. 在相同功率（18.26 W）下，PG-H2O流体的热阻值是0.859 ℃/W，MWCNTs纳米流体（质量分数0.32%）的热阻值为0.457 ℃/W. 在相同功率下，MWCNTs纳米流体的E值全小于1. 由此表明，随着质量分数的增加，MWCNTs纳米流体的换热效果有所增强. 在相同功率的情况下，相同质量分数的MWCNTs流体的热阻值最小，换热能力最强.