液冷散热器性能测试系统的研制

Posted 2021-04-28 热设计

摘要：热阻和流阻是评价液冷散热器性能的主要参数。该文研制一套高精度的液冷散热器性能测试系统，由液冷散热器的进口流体温度控制单元，进口流量控制单元，模拟热源控制单元及测量单元组成。在台面温度测量方面，由于现有标准（GB/T8446.2-2004）规定的温度测点位置不适应液冷散热器热阻测量，提出改进方法。开发相应的测试软件，具有系统控制，数据实时采集，测试报告输出等功能。并对某型号液冷散热器进行试验研究，通过试验数据对系统的测量不确定度进行分析，流阻测试的不确定度为0.48%，热阻测试的不确定度为2.4%，验证系统用于散热器流阻热阻测试的可靠性。

0 引言

随着技术的高速发展，电气设备功率越来越高，使用过程中会产生大量的热。此外，电子器件的集成度不断提高并且向微型化发展，电子器件的热流密度随之增大，这些因素使电子器件过热的问题越来越突出，而电子器件的工作温度直接决定其使用寿命和工作稳定性[1-3]。研究表明：工作温度每升10℃，电子器件的可靠性降低50%[4]。因此，对电子设备或电力系统的散热就有了更高的要求，运用良好的散热措施以解决电子产品的过热问题是关键。由于液冷散热器的散热效率高、散热速度快、噪音低、体积小，在电力电子行业拥有广阔的市场和应用前景。因此研发可实现高精准温度和流量控制的液冷散热器性能测试系统是十分必要的。对于目前在用的散热器性能测试系统和相关标准而言，在试验过程中自动化程度较低，且温度、流量等参数的控制精度不高，难以稳定，造成测试时数据波动范围大，因此试验花费的时间成本也较高。

国家标准GB/T 8446.2—2004 对电力半导体器件用散热器的热阻和流阻测试方法进行了规定，但是由于技术的进步，在某些领域已经不适应于液冷散热器的发展，因此本文研制了一套高控制精度的液冷散热器性能测试系统，实现散热器的流量、液温、热阻、流阻等参数的控制和测试。

1 液冷散热器测试原理

对于电子器件散热器，主要以其流阻值和热阻值定义其性能指标。液冷散热器的测试系统如下图所示，主要由流量计、测量进出口温度的温度计、测量流阻的压差计和模拟热源加热量单元等组成。

液冷散热器测试原理

流阻是散热器进出口两端的冷却流体压差值，可由压力测量仪表直接测量，在测量散热器流阻时，要注意的是必须将连接管道的流阻准确测量并扣除。

热阻是对散热器散出电子器件热量能力的量度，即在热平衡时，散热器台面温度对冷却介质温度的差值与产生此温度差的耗散功率之比，即：

式中：  Rhs-液冷散热器热阻，℃/kW；
           P-测试热阻加热电流产生的功率，W；
         ΔT-液冷散热器与冷却介质传热温差，℃。

由于散热器流道内流体温度不断变化，因此采用对数平均温差来计算传热温差：

式中：  Tm——散热器台面平均温度，℃；
            Ti——进口液温，℃；
            To——出口液温，℃。

模拟热源加热量单元作为散热器的负载，通常采用易于控制的电加热，具体有直流法、动态法和模拟法等。将电阻加热管置于铜块中作为模拟热源，并在模拟热源与待测散热器之间放置均温铜块以提高模拟热源的均温性，对模拟热源进行保温处理，以减小对环境的散热，本设计在测量流体温度时，同时测量出口温度，实时分析流体带走的热量，以便与模拟热源加热功率进行比较。由于模拟法测试简单准确且设备投资小，因此设计的液冷散热器测试系统的加热采用模拟法。由于模拟热源的发热量较大，如使用直流加热，其电压和电流比较大，因此模拟热源采用多个纯电阻加热管并联的方式，三相交流电加热，加热功率为：

式中：  I1——模拟热源的线电流有效值，A；
            U1——线电压有效值，V。

2 液冷散热器测试系统设计

液冷散热器性能测试系统流程如下图所示。将液冷散热器性能测试系统分为散热器进口流体流量控制单元、进口流体温度控制单元和模拟热源控制单元分别进行设计。

液冷散热器性能测试系统流程

GB/T 8446.2-2004中规定了测试水冷散热器时的水流量和进口规定点温度，但是对于不同的散热器，由于其应用领域不同，实际测试时多以散热器的额定工况为测试条件，需要精确调节进口流量和进口温度，因此设计了流体流量控制单元和流体进口温度控制单元。流体流量控制单元由立式多级离心泵和变频器组成，通过调节水泵转速的方法来控制被测散热器的进口流量，以测试不同进口流量对散热器性能的影响。由于流体温度易受环境影响，而散热器热阻测试需规定进口流体温度，因此设计流体进口温度控制单元来控制进口温度。进口温度控制单元由风冷冷凝制冷机组和加热器组成，通过冷却和加热同时作用，以实现流体温度的精确控制。

由于散热器加热电流方法采用模拟法，并使用三相交流电，而电网电压存在波动大、季节变化大的现象，然而电压的稳定性直接决定控制模拟热源加热量的精度，从而影响热阻测试的准确度。因此设计了模拟热源加热量控制单元，由交流稳压器、交流调压器和模拟热源加热器组成。

3 测量与控制系统

液冷散热器测试系统主要测量散热器的进口流量、进口温度、出口温度、散热器台面温度、散热器进出口压差以及模拟热源加热功率。

3.1 测试与控制器件选型

本设计流量范围为1~20L/min，要求在最小流量也能达到1% 的流量测量精度，因此采用两个型号为DWE-FTB的流量计并联分段测量的方式，量程分别为0.6~4.2L/min和3.3~20L/min， 精度为1%RD。根据GB/T 8446.2-2004的要求选用不确定度为±0.1 ℃ 的PT100插入式温度计测量管路中流体温度。液冷散热器的台面温度测量采用外径为0.5mm的T型铠装热电偶，并通过标定将热电偶温度测量不确定度提高到±0.1℃。压差测量选用3051DP差压变送器，量程为0~248kPa，精度为±0.065%FS。模拟热源加热量的测量选用AWS2103D三通道功率分析仪，最大输入电流40A，准确度为（±0.2%RD）+（±0.1%FS）。

测试系统控制部分主要由工控机、I/O模块、继电器模块及测控电路等组成。通过ADAM-4118模拟量输入模块采集测量数据，通过ADAM-4069继电器输出模块实现电路的自动控制。水泵变频控制选用VFD-M 系列变频器。在电路设计方面，采用强电弱电分开的方式，并采用双绞屏蔽线，以减小测量信号的电磁干扰。

3.2 液冷散热器台面温度测点布置

国家标准GB/T8446.2-2004中对于散热器台面温度测点规定为发热元件管壳直径外2mm处散热器台面上，如图a所。此位置在接触面外，便于进行开孔操作、易于测量，主要针对风冷散热器，但对于液冷散热器，由于不同的流道设计会产生不同的接触面温度分布，且接触面温度分布不均匀。测温点到接触面有2mm的距离，从而使测得的温度偏低，进而使热阻值偏小。从实际测量结果来看，该点与散热器受热面温度有2~4℃的温差。因此有必要直接测量接触面的温度，并设置多个测温点，尽量真实地反映接触面温度分布情况。并且液冷散热器接触面较大，在接触面内部进行测量也较为方便。本设计中，共均匀设置6个测点，并在待测液冷散热器表面开0.5mm×0.5mm的槽，将铠装热电偶放入槽中，使之与散热器表面紧密接触，并为减小接触热阻，采用导热硅脂作为界面材料，而导热硅脂导热系数较小，因此在导热硅脂中添加铜粉进行混合以提高导热系数，如图b所示。

以图b所示位置布置热电偶测点，在进口温度为25℃，流量为9L/min，加热量为3kW条件下，测得T1~T6的温度及6点平均温度Tm，如表1所示。从表中可看出，不同测点之间的温度最高相差达到2.2℃，但是每个测点的温度以及平均温度则相对较稳定，只相差0.1~0.2℃，因此，与GB/T 8446.2-2004 相比，本文认为测量多点温度并求平均值的方式更为合理。

图3 热电偶测点位置

表1  散热器台面温度测试数据

3.3 系统软件

测试系统软件基于ForceControl V7.0 组态软件开发，具有系统控制、测试数据及曲线实时显示、保存输出、历史数据查询、测试报告输出等功能。设备与工控机的通信均使用Modbus串行口RTU通信协议。系统软件由数据采集、系统控制、数据记录查询3部分组成。数据采集部分可实时显示测试系统流程中测点的温度、流量、压差、加热功率等数据。系统控制部分可控制变频器输出频率、加热器的加热量。数据记录查询部分可记录测试数据、输出测试报告，并可查询测试过程中的历史数据。如图4所示：

图4 测试系统软件结构

4 测试结果及分析

以某公司的水冷散热器为例，使用液冷散热器性能测试系统对散热器流阻、热阻特性进行测试，并分析实验结果。

4.1 散热器流阻特性分析
在进口温度25 ℃，加热量为1，2 ，3 ，4 kW 条件下，分析散热器进口流量和加热量与流阻的关系，得到散热器进口流量与流阻之间的关系特性，如图5所示：

图5  散热器流量-流阻关系特性

从图5可以看出，随着进口流量的增加，散热器的流阻值亦随之增大。流量从3L/min 不断增大到10L/min的过程中，流量-流阻的关系特性曲线的斜率也不断增大，即其流阻增大的速率也随之变大。并且可以看出加热量对流阻的影响较小，可以认为散热器流阻与加热量大小无关。

4.2 散热器热阻特性分析

在进口温度25℃，加热量3kW 条件下，分析进口流量与散热器热阻之间的关系特性。根据散热器台面布置6个测温点，由公式得到热阻值Rhs，改变流量，得到散热器进口流量-热阻关系特性曲线，如图6所示：

图6 散热器进口流量-热阻关系特性

图6可以看出，在进口温度和加热量不变的情况下，随着进口流量的增加，散热器的出口温度不断降低，热阻值也随之减小。说明热阻值与进口流量成反比关系。流量降低的同时，散热器出口温度也降低，即进出口温差减小，有式（1）和式（2）可知，其传热温差将随之减小。因此随着流量的不断增加，其热阻减小趋势将减缓。

5 系统不确定度分析

液冷散热器性能测试系统的主要测试参数包括液冷散热器进口温度、出口温度、进口流量、台面温度、模拟热源加热量以及前后压差。因此测试系统的热阻和流阻的不确定度影响主要有以下来源：温度测量引起的不确定度，压差测量引起的不确定度，模拟热源加热量的控制和测量引起的不确定度。本文采用B类不确定度评定方法，以额定工况为例对液冷散热器性能测试系统进行不确定度分析：加热量3kW，进口流量9L/min，进口温度25℃，平均传热温差7.2℃，流阻75.3kPa。

5.1 流阻测量不确定度分析

流阻测量的不确定度包括差压变送器测量引起的不确定度和数据采集卡的电流信号采集引起的不确定度，不确定度值分别为uΔp=0.093kPa 和ui=0.155kPa，由于两部分不确定度是不相关的，因此合成不确定度为u=0.18kPa，取扩展不确定度的包含因子为2，可得到流阻测量的不确定度为0.36kPa，流阻测量的相对不确定度为0.48%。

5.2 热阻测量不确定度分析

热阻测量的不确定度包括温度测量引起的不确定度和功率测量引起的不确定度。其中温度测量不确定度又包括热电阻温度测量引起不确定度和热电偶测量引起的不确定度，不确定度值分别为ut1=0.1℃、ut2=0.14℃，由于两部分不确定度不相关，且函数关系为Y=X1-X2，因此温度测量的合成不确定度为ut=0.17℃。功率分析仪测量精度为（±0.2%RD）+（±0.1%FS），额定加热量为3kW，功率分析仪最大量程为10kW，因此功率分析仪不确定度为16W。

将温度测量不确定度和功率测量不确定度进行合成，函数关系为Y=AX1X2，因此热阻测量相对不确定度为2.4%。

6 结束语

1）本文首先分析了现有液冷散热器测试系统在自动化程度、控制及测量精度方面的不足之处，根据液冷散热器测试标准，对热阻传热温差计算、模拟热源及散热器台面温度测量等进行了改进，设计研制了液冷散热器测试系统，提出了测量多点温度并求平均值的方法取代GB/T 8446.2—2004 中的测量台面温度的方法。
2）对某型号水冷散热器进行实验测试，通过测试数据分析，验证了系统用于液冷散热器流阻热阻测试的可靠性。
3）对液冷散热器测试系统进行不确定度分析，测试系统的流阻测试的相对不确定度为0.48%，热阻测试的相对不确定度为2.4%。

参考文献：

[1]王博.高功率电子器件产热传热特性的理论研究[D].南京：南京理工大学.2015.

[2]李庆友，王文，周根明.电子元器件散热方法研究[J].电子器件，2005,28（4）；937-941

[3]马永锡，张红，电子器件发热与冷却技术[J].化工进展，2006,25（6）:670-674，等等。

本文来源：中国计量大学计量测试工程学院 王玉刚等。

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