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CN117434110B - 一种强迫对流下串联型液冷散热器热阻的测试方法 - Google Patents

一种强迫对流下串联型液冷散热器热阻的测试方法 Download PDF

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CN117434110B
CN117434110B CN202311745664.6A CN202311745664A CN117434110B CN 117434110 B CN117434110 B CN 117434110B CN 202311745664 A CN202311745664 A CN 202311745664A CN 117434110 B CN117434110 B CN 117434110B
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Abstract

本发明涉及一种强迫对流下串联型液冷散热器热阻的测试方法，属于散热测试技术领域。本发明在保证较高的测试准确度下解决了现有技术中串联型液冷散热器热阻值测试需要结构复杂的测试设备和测试方法复杂且效率较低、参数选择没有针对确切影响串联型液冷散热器热阻的参数而导致结果准确度不高的问题。本发明的方法能够针对性地基于串联型液冷散热器的特征参数结合市面常用设备获取到的物理参数来快速测试出串联型液冷散热器热阻值，所选参数贴合串联型液冷散热器的实际工况，测试操作简单且高效，并能保证较高的准确度。

Description

一种强迫对流下串联型液冷散热器热阻的测试方法
技术领域
本发明属于散热测试技术领域，尤其涉及一种强迫对流下串联型液冷散热器热阻的测试方法。
背景技术
散热器是常用的电力电子元器件散热装置，散热器传导热量的性能直接影响到对电力电子元器件的散热，热阻是判断散热器性能好坏的重要指标，如何准确而简单的测试散热器的热阻变得尤为重要，现已有大量关于散热器的热阻测试方法，如公开号为CN101191780A的中国专利申请。
液冷翅片散热器常用于电力电子元器件的散热，准确而便捷的测试液冷冷翅片散热器的热阻尤为重要。现有的测试方法基本都需要将串联型液冷散热器安装到发热器件甚至整机设备上进行联合测试，所涉及测试设备包含泵、恒温水箱等，种类繁多及价格高昂；另外，目前串联型液冷散热器的热阻测试方法没有很好地考虑确切影响串联型液冷散热器热阻的参数，导致计算出来的热阻与实际工况下相差甚远；其中一部分还需要大量传感器获取到各种物理参数才能计算出热阻，数据获取方法复杂且效率较低；整体上串联型液冷散热器热阻测试方法复杂而且效率较低，参数针对性较差。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种强迫对流下串联型液冷散热器热阻的测试方法，在保证较高的测试准确度下解决了现有技术中串联型液冷散热器热阻值测试需要结构复杂的测试设备和测试方法复杂且效率较低、参数选择没有针对确切影响串联型液冷散热器热阻的参数而导致结果准确度不高的问题。
本发明提供了一种强迫对流下串联型液冷散热器热阻的测试方法，包括以下步骤：
步骤1、采集实际工况下，发热器的测试参数和串联型液冷散热器测试参数；
其中，发热器的测试参数包括发热器总功耗；使用功率计直接采集实际工况下发热器的总功耗；
串联型液冷散热器的测试参数包括串联型液冷散热器长度、串联型液冷散热器宽度、串联型液冷散热器总高度、串联型液冷散热器流道壁面和串联型液冷散热器壁两侧分别的最短距离总和、串联型液冷散热器流道水力直径和串联型液冷散热器的材料导热率；
步骤2、基于串联型液冷散热器的测试参数确定串联型液冷散热器的流道数量；
步骤3、基于串联型液冷散热器的测试参数和所述步骤2的流道数量确定流道长度和流道总面积；
步骤4、使用运动粘度测量仪、热导率测试仪和比热容测量仪分别采集流道内冷却工质对应不同温度的运动粘度数值、导热率数值和比热容数值；基于采集的运动粘度数值、导热率数值和比热容数值进行拟合分别获得流道内冷却工质运动粘度与温度的拟合函数、流道内冷却工质导热率与温度的拟合函数和流道内冷却工质普朗特数与温度的拟合函数；
步骤5、采集强迫对流下当前环境温度和冷却工质进口流速，基于步骤4的拟合函数获取冷却工质的对流换热系数；
步骤6、根据步骤5冷却工质的对流换热系数获取串联型液冷散热器的对流换热热阻；
步骤7、根据步骤1的串联型液冷散热器的测试参数确定串联型液冷散热器的热传导热阻；
步骤8、基于步骤6的对流换热热阻和步骤7的热传导热阻确定串联型液冷散热器的总热阻。
可选地，步骤3中的流道长度的获取方法为：
如果流道数量，流道长度L 2为：
如果流道数量，流道长度L 2为：
其中，a表示流道数量界值；N 1表示串联型液冷散热器的流道数量；L 1表示串联型液冷散热器长度；D bound表示串联型液冷散热器流道壁面和串联型液冷散热器壁两侧分别的最短距离总和；D h表示串联型液冷散热器流道水力直径。
可选地，步步骤3中的流道总面积的获取方法为：
如果流道数量，流道总面积S 1为：
如果流道数量，流道总面积S 1为：
其中，a表示流道数量界值；N 1表示串联型液冷散热器的流道数量；L 1表示串联型液冷散热器长度；D bound表示串联型液冷散热器流道壁面和串联型液冷散热器壁两侧分别的最短距离总和；D h表示串联型液冷散热器流道水力直径；W 1表示串联型液冷散热器宽度。
可选地，步流道内冷却工质为饱和水。
可选地，步步骤4中饱和水运动粘度与温度的拟合函数的获取方法为：
使用运动粘度测量仪采集饱和水对应不同温度的运动粘度数值，获得运动粘度数据集合γ data，表达式为：
其中，表示对应温度区间下限的饱和水的运动粘度数值，/>表示对应温度区间上限的饱和水的运动粘度数值；
基于运动粘度数据集合γ data确定饱和水运动粘度与温度的拟合函数，表达式为：
其中，Temp表示温度；表示饱和水运动粘度与温度的函数关系；a 1、a 2、a 3、a 4、a 5、a 6和a 7分别表示饱和水运动粘度的拟合系数。
可选地，步步骤4中饱和水导热率与温度的拟合函数的获取方法为：
使用热导率测试仪采集饱和水对应不同温度的导热率数值，获得导热率数据集合λ data，表达式为：
其中，表示对应温度区间下限的饱和水的导热率数值，/>表示对应温度区间上限的饱和水的导热率数值；
基于导热率数据集合λ data确定饱和水导热率与温度的拟合函数，表达式为：
其中，Temp表示温度；表示饱和水导热率λ与温度的函数关系；b 1、b 2、b 3、b 4、b 5、b 6和b 7分别表示饱和水导热率的拟合系数。
可选地，步骤4中饱和水普朗特数与温度的拟合函数的获取方法为：
使用比热容测量仪采集饱和水对应不同温度的比热容数值，获得比热容数据集Cp data，表达式为：
其中，表示对应温度区间下限的饱和水的比热容数值，/>表示对应温度区间下限的饱和水的比热容数值；
基于比热容数据集合Cp data获得饱和水的普朗特数数据集合 data，表达式：
其中，表示对应温度区间下限的饱和水的普朗特数数值；/>表示对应温度区间下限的饱和水的普朗特数数值；/>表示温度区间内对应第i个温度步长的饱和水的普朗特数数值；/>表示饱和水在温度区间内对应第i个温度步长的温度的比热容数值，/>表示饱和水在温度区间内对应第i个温度步长的温度的运动粘度数值，/>表示饱和水在温度区间内对应第i个温度步长的温度的导热率数值，i=1,2,…,n，n表示温度区间的温度步长总数；
基于饱和水的普朗特数数据集合 data确定饱和水普朗特数P r与温度的拟合函数，表达式为：
其中，Temp表示温度；表示饱和水普朗特数P r与温度的函数关系；c 1、c 2、c 3、c 4、c 5、c 6和c 7分别表示饱和水普朗特数的拟合系数。
可选地，步步骤5中采集强迫对流下当前环境温度和冷却工质进口流速，基于步骤4的拟合函数获取冷却工质的对流换热系数的具体步骤为：
步骤51、采集强迫对流下当前环境温度，根据步骤4的拟合函数获得当前环境温度下的饱和水运动粘度、饱和水普朗特数和饱和水导热率；
步骤52、在强迫对流条件下，使用流速计采集冷却工质进口流速，基于采集的进口初始流速确定冷却工质的对流换热系数。
与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：本发明的方法能够针对性地基于串联型液冷散热器的特征参数结合市面常用设备获取到的物理参数来快速测试出串联型液冷散热器热阻值，所选参数贴合串联型液冷散热器的实际工况，测试操作简单且高效，并能保证较高的准确度。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明强迫对流下串联型液冷散热器热阻的测试方法的流程图。
图2为发热器和串联型液冷散热器的主视图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明的一个具体实施例，如图1-2，公开了一种强迫对流下串联型液冷散热器热阻的测试方法，包括以下步骤：
步骤1、采集实际工况下，发热器的测试参数和串联型液冷散热器测试参数；
其中，参见图2，发热器的测试参数包括发热器总功耗P total；使用功率计直接采集实际工况下发热器的总功耗P total；
串联型液冷散热器的测试参数包括串联型液冷散热器长度L 1、串联型液冷散热器宽度W 1、串联型液冷散热器总高度H 1、串联型液冷散热器流道壁面和串联型液冷散热器壁两侧分别的最短距离总和D bound、串联型液冷散热器流道水力直径D h和串联型液冷散热器的材料导热率λ mat；
进一步地，串联型液冷散热器的材料导热率为串联型液冷散热器主要材料的导热率。
步骤2、基于串联型液冷散热器的测试参数确定串联型液冷散热器的流道数量N 1；
可选的，流道数量向下取整；
步骤3、基于串联型液冷散热器的测试参数和所述步骤2的流道数量N 1确定流道长度和流道总面积；
对于流道长度：
如果流道数量，流道长度L 2为：
如果流道数量，流道长度L 2为：
其中，a表示流道数量界值。
优选地，a=2。
对于流道总面积：
如果流道数量，流道总面积S 1为：
如果流道数量，流道总面积S 1为：
。
步骤4、使用运动粘度测量仪、热导率测试仪和比热容测量仪分别采集流道内冷却工质对应不同温度的运动粘度数值、导热率数值和比热容数值；基于采集的运动粘度数值、导热率数值和比热容数值进行拟合分别获得流道内冷却工质运动粘度与温度的拟合函数、流道内冷却工质导热率与温度的拟合函数和流道内冷却工质普朗特数P r与温度的拟合函数。即，确定流道内冷却工质热物性参数与温度的拟合函数；
可选的，流道内冷却工质为饱和水；
步骤41、使用运动粘度测量仪采集饱和水对应不同温度的运动粘度数值，获得运动粘度数据集合γ data，表达式为：
其中，表示对应温度区间下限的饱和水的运动粘度数值，/>表示对应温度区间上限的饱和水的运动粘度数值；
进一步地，在温度区间内按照设定温度步长进行取值；温度区间为零下50℃至300℃，预设温度步长为1℃。
步骤42、基于运动粘度数据集合γ data确定饱和水运动粘度与温度的拟合函数，表达式为：
其中，Temp表示温度；表示饱和水运动粘度与温度的函数关系；a 1、a 2、a 3、a 4、a 5、a 6和a 7分别表示饱和水运动粘度的拟合系数。
在温度区间内按照设定温度步长进行取值；温度区间为零下50℃至300℃，预设温度步长为1℃下，饱和水运动粘度与温度的拟合函数如下：
。
步骤43、使用热导率测试仪采集饱和水对应不同温度的导热率数值，获得导热率数据集合λ data，表达式为：
其中，表示对应温度区间下限的饱和水的导热率数值，/>表示对应温度区间上限的饱和水的导热率数值。
步骤44、基于导热率数据集合λ data确定饱和水导热率与温度的拟合函数，表达式为：
其中，Temp表示温度；表示饱和水导热率λ与温度的函数关系；b 1、b 2、b 3、b 4、b 5、b 6和b 7分别表示饱和水导热率的拟合系数。
在温度区间内按照设定温度步长进行取值；温度区间为零下50℃至300℃，预设温度步长为1℃下，饱和水导热率与温度的拟合函数如下：
。
步骤45、使用比热容测量仪采集饱和水对应不同温度的比热容数值，获得比热容数据集；
步骤451、使用比热容测量仪采集饱和水对应不同温度的比热容数值，获得比热容数据集合Cp data，表达式为：
其中，表示对应温度区间下限的饱和水的比热容数值，/>表示对应温度区间下限的饱和水的比热容数值；
步骤452、基于比热容数据集合Cp data获得饱和水的普朗特数数据集合 data，表达式：
其中，表示对应温度区间下限的饱和水的普朗特数数值；/>表示对应温度区间下限的饱和水的普朗特数数值；/>表示温度区间内对应第i个温度步长的饱和水的普朗特数数值；/>表示饱和水在温度区间内对应第i个温度步长的温度的比热容数值，/>表示饱和水在温度区间内对应第i个温度步长的温度的运动粘度数值，/>表示饱和水在温度区间内对应第i个温度步长的温度的导热率数值，i=1,2,…,n，n表示温度区间的温度步长总数。
步骤46、基于饱和水的普朗特数数据集合 data确定饱和水普朗特数P r与温度的拟合函数，表达式为：
。
其中，Temp表示温度；表示饱和水普朗特数P r与温度的函数关系；c 1、c 2、c 3、c 4、c 5、c 6和c 7分别表示饱和水普朗特数的拟合系数。
在温度区间内按照设定温度步长进行取值；温度区间为零下50℃至300℃，预设温度步长为1℃下，饱和水普朗特数P r与温度的拟合函数如下：
。
步骤5、采集强迫对流下当前环境温度和冷却工质的进口流速，基于步骤4的拟合函数获取冷却工质的对流换热系数；
步骤51、采集强迫对流下当前环境温度，根据步骤4的拟合函数获得当前环境温度下的饱和水运动粘度/>、饱和水普朗特数/>和饱和水导热率/>；
在温度区间内按照设定步长进行取值；温度区间为零下50℃至300℃，预设温度步长为1℃下，表达式为：
步骤52、在强迫对流条件下，使用流速计采集冷却工质进口流速，基于采集的进口流速确定冷却工质的对流换热系数HTC；
。
步骤6、根据步骤5冷却工质的对流换热系数HTC获取串联型液冷散热器的对流换热热阻R conv；
。
步骤7、根据步骤1的串联型液冷散热器的测试参数确定串联型液冷散热器的热传导热阻R cond；
。
步骤8、基于步骤6的对流换热热阻和步骤7的热传导热阻确定串联型液冷散热器的总热阻；
。
本发明的另一方面，还公开了一种强迫对流下风冷散热器散热性的测试方法，具体步骤包括：
使用前述使用步骤1中发热器的参数测试值和步骤8中串联型液冷散热器的总热阻获取发热器的实际稳态结温；
发热器的实际稳态结温的表达式为：
。
根据获得的发热器的实际稳态结温测试串联型液冷散热器的散热性。
根据当前实际工况下的电力电子元器件散热要求给定发热器判据结温；基于发热器判据结温判断步骤9的获得的发热器稳态结温是否能满足当前实际工况下的电力电子元器件散热要求；如果发热器稳态结温小于等于发热器判据结温，说明当前串联型液冷散热器的散热性良好，满足散热要求；如果发热器稳态结温大于发热器判据结温，则当前串联型液冷散热器的散热性较差，不能满足散热要求。
进一步地，对于串联型液冷散热器的散热性较差的串联型液冷散热器，根据实际工况调整串联型液冷散热器的实际输入参数，并返回步骤1，直至完成对应当前工况下电力电子元器件的串联型液冷散热器散热性能满足散热要求，获得最终串联型液冷散热器的结构参数。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种强迫对流下串联型液冷散热器热阻的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采集实际工况下，发热器的测试参数和串联型液冷散热器测试参数；
其中，发热器的测试参数包括发热器总功耗；使用功率计直接采集实际工况下发热器的总功耗；
串联型液冷散热器的测试参数包括串联型液冷散热器长度、串联型液冷散热器宽度、串联型液冷散热器总高度、串联型液冷散热器流道壁面和串联型液冷散热器壁两侧分别的最短距离总和、串联型液冷散热器流道水力直径和串联型液冷散热器的材料导热率；
步骤2、基于串联型液冷散热器的测试参数确定串联型液冷散热器的流道数量；
步骤3、基于串联型液冷散热器的测试参数和所述步骤2的流道数量确定流道长度和流道总面积；
步骤4、使用运动粘度测量仪、热导率测试仪和比热容测量仪分别采集流道内冷却工质对应不同温度的运动粘度数值、导热率数值和比热容数值；基于采集的运动粘度数值、导热率数值和比热容数值进行拟合分别获得流道内冷却工质运动粘度与温度的拟合函数、流道内冷却工质导热率与温度的拟合函数和流道内冷却工质普朗特数与温度的拟合函数；
步骤5、采集强迫对流下当前环境温度和冷却工质进口流速，基于步骤4的拟合函数获取冷却工质的对流换热系数，具体步骤为：
步骤51、采集强迫对流下当前环境温度，根据步骤4的拟合函数获得当前环境温度下的流道内冷却工质运动粘度、流道内冷却工质普朗特数和流道内冷却工质导热率；
步骤52、在强迫对流条件下，使用流速计采集冷却工质进口流速，基于采集的进口流速确定冷却工质的对流换热系数；
步骤6、根据步骤5冷却工质的对流换热系数获取串联型液冷散热器的对流换热热阻；
步骤7、根据步骤1的串联型液冷散热器的测试参数确定串联型液冷散热器的热传导热阻；
步骤8、基于步骤6的对流换热热阻和步骤7的热传导热阻确定串联型液冷散热器的总热阻。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤3中的流道长度的获取方法为：
如果流道数量，流道长度L 2为：
如果流道数量，流道长度L 2为：
其中，a表示流道数量界值；N 1表示串联型液冷散热器的流道数量；L 1表示串联型液冷散热器长度；D bound表示串联型液冷散热器流道壁面和串联型液冷散热器壁两侧分别的最短距离总和；D h表示串联型液冷散热器流道水力直径。
3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤3中的流道总面积的获取方法为：
如果流道数量，流道总面积S 1为：
如果流道数量，流道总面积S 1为：
其中，a表示流道数量界值；N 1表示串联型液冷散热器的流道数量；L 1表示串联型液冷散热器长度；D bound表示串联型液冷散热器流道壁面和串联型液冷散热器壁两侧分别的最短距离总和；D h表示串联型液冷散热器流道水力直径；W 1表示串联型液冷散热器宽度。
4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，流道内冷却工质为饱和水。
5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，步骤4中饱和水运动粘度与温度的拟合函数的获取方法为：
使用运动粘度测量仪采集饱和水对应不同温度的运动粘度数值，获得运动粘度数据集合γ data，表达式为：
其中，表示对应温度区间下限的饱和水的运动粘度数值，/>表示对应温度区间上限的饱和水的运动粘度数值；
基于运动粘度数据集合γ data确定饱和水运动粘度与温度的拟合函数，表达式为：
其中，Temp表示温度；表示饱和水运动粘度与温度的函数关系；a 1、a 2、a 3、a 4、a 5、a 6和a 7分别表示饱和水运动粘度的拟合系数。
6.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，步骤4中饱和水导热率与温度的拟合函数的获取方法为：
使用热导率测试仪采集饱和水对应不同温度的导热率数值，获得导热率数据集合λ data，表达式为：
其中，表示对应温度区间下限的饱和水的导热率数值，/>表示对应温度区间上限的饱和水的导热率数值；
基于导热率数据集合λ data确定饱和水导热率与温度的拟合函数，表达式为：
其中，Temp表示温度；表示饱和水导热率λ与温度的函数关系；b 1、b 2、b 3、b 4、b 5、b 6和b 7分别表示饱和水导热率的拟合系数。
7.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，步骤4中饱和水普朗特数与温度的拟合函数的获取方法为：
使用比热容测量仪采集饱和水对应不同温度的比热容数值，获得比热容数据集Cp data，表达式为：
其中，表示对应温度区间下限的饱和水的比热容数值，/>表示对应温度区间下限的饱和水的比热容数值；
基于比热容数据集合Cp data获得饱和水的普朗特数数据集合 data，表达式：
其中，表示对应温度区间下限的饱和水的普朗特数数值；/>表示对应温度区间下限的饱和水的普朗特数数值；/>表示温度区间内对应第i个温度步长的饱和水的普朗特数数值；/>表示饱和水在温度区间内对应第i个温度步长的温度的比热容数值，/>表示饱和水在温度区间内对应第i个温度步长的温度的运动粘度数值，/>表示饱和水在温度区间内对应第i个温度步长的温度的导热率数值，i=1,2,…,n，n表示温度区间的温度步长总数；
基于饱和水的普朗特数数据集合 data确定饱和水普朗特数P r与温度的拟合函数，表达式为：
其中，Temp表示温度；表示饱和水普朗特数P r与温度的函数关系；c 1、c 2、c 3、c 4、c 5、c 6和c 7分别表示饱和水普朗特数的拟合系数。
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