褚 鑫，任 川，祁成武

(西南電子設(shè)備研究所， 四川 成都 610036)

一種微小通道換熱器的設(shè)計和試驗研究*

褚 鑫，任 川，祁成武

(西南電子設(shè)備研究所， 四川 成都 610036)

目前陣列系統(tǒng)的集成度與功率越來越高，給電子元器件的冷卻及可靠工作帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。文中主要介紹了一種針對高熱流密度功率器件散熱的微小通道換熱器的理論計算和仿真分析過程，并進行了多方案的熱性能測試試驗。試驗結(jié)果表明：該微小通道換熱器在一定的邊界條件下能夠滿足熱流密度為200 W/cm2器件的散熱需求和工程應(yīng)用要求。

微小通道換熱器；高熱流密度；散熱

引 言

目前，陣列化電子設(shè)備的集成度與功率越來越高，隨之而來的散熱問題也越來越突出。陣列化設(shè)備的散熱面臨空間狹小、集成度高、熱流密度大、冷卻條件有限等諸多苛刻條件[1-2]。如何利用有限的資源解決大功率芯片的散熱問題已成為陣列化電子設(shè)備工程應(yīng)用的一個難點。

傳統(tǒng)的散熱方法已不能滿足陣列化電子設(shè)備的散熱需求，為此微小通道冷卻、微射流冷卻、微熱管冷卻等新型的散熱技術(shù)逐漸涌現(xiàn)[3]。由于針對微小通道散熱技術(shù)的研究啟動較早，技術(shù)路徑較為成熟，且微小通道具有可集成度高、傳熱路徑短、換熱效率高的優(yōu)勢，因此隨著相關(guān)理論研究的深入和制造技術(shù)的不斷發(fā)展，微小通道散熱技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛[4-6]。本文主要開展了微小通道換熱器的設(shè)計以及相關(guān)性能測試的研究，并探討了它在陣列化電子設(shè)備中的工程應(yīng)用的可行性。

1 微小通道換熱器方案研究

本文所研究的微小通道換熱器針對的應(yīng)用邊界見表1，主要是利用有限的空間資源解決熱流密度為200 W/cm2的功率器件的散熱問題。

表1 應(yīng)用邊界

1.1 方案選擇

陣列式微小通道換熱器通常使用矩形截面通道，有全并聯(lián)和串并聯(lián)2種布局形式。全并聯(lián)布局的流速較低，流動處于層流狀態(tài)，主要通過并聯(lián)足夠多的微小通道來實現(xiàn)較大的有效換熱面積；串并聯(lián)布局是在蛇形流道中分布微槽道，可以提高流速和換熱性能，但流

阻較大。本文所研究的微小通道換熱技術(shù)主要用于陣列化結(jié)構(gòu)，每個微小通道單元可獲取的液冷資源有限，因此基于層流設(shè)計的微小通道換熱技術(shù)才更有利于實現(xiàn)工程化。同時，微小通道換熱技術(shù)的工程應(yīng)用不僅要考慮其換熱性能，還需考慮工藝成熟度、加工效率和成本的經(jīng)濟性。目前，金屬微槽道通常采用機械加工方式獲得，能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)的加工方式包括片銑刀銑削、電火花加工、線切割、微銑削等。各加工方式的特點見表2。

表2 常用的金屬微槽加工方式

從換熱性能、系統(tǒng)可承受資源、槽道堵塞風(fēng)險、加工經(jīng)濟性和工藝成熟度方面進行綜合考慮，確定采用槽寬為0.2 mm(片銑刀加工)基于層流的微小通道換熱器設(shè)計方案，并針對全并聯(lián)和串并聯(lián)2種布局方案分別進行研究。

1.2 理論計算與數(shù)值模擬

基于確定的方案路線，確定了2種微小通道換熱器方案：

A)0.2 mm寬微槽道全并聯(lián)布局，此方案流程較短，流速較低，流動通常處于層流狀態(tài)；

B)0.2 mm寬微槽道串并聯(lián)布局，此方案中微槽道流程較長，流速快，需控制進液流量，以保證流動狀態(tài)處于層流。

在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計后，可以通過理論計算和仿真分析評估2種方案的換熱性能。

表3為方案A和B的換熱性能理論計算結(jié)果。方案模型如圖1所示。方案A的特征為：全并聯(lián)，通道寬度0.2 mm(入口段)；方案B的特征為：串并聯(lián)，通道寬度0.2 mm(入口段)。方案B的對流換熱系數(shù)為1 587.13 W/(m2·K)，高于方案A，并且方案B的熱沉面/流體溫差為51.7 ℃，比方案A的58.4 ℃減小了13.0%，效果明顯；方案B的系統(tǒng)資源需求為10.34 ℃·L/min，比方案A(11.68 ℃·L/min)降低了13.0%。由此可知，方案B的換熱性能明顯高于方案A，但方案B的流阻為22 278.4 Pa，比方案A增加了近一個數(shù)量級，增幅較大。

表3 A/B方案換熱性能的理論計算

圖1 方案模型

為了和理論計算值進行對比驗證，采用仿真軟件對方案A和方案B進行了仿真分析。圖2為微小通道換熱器的溫度仿真云圖，圖3為微小通道換熱器的流動跡線，理論計算結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果對比見表4。

圖2 微小通道換熱器溫度仿真云圖(左為方案A，右為方案B)

圖3 微小通道換熱器的流動跡線(左為方案A，右為方案B)

方案方案A方案B熱沉面最高溫度理論分析值/℃105.598.8數(shù)值模擬值/℃100.797.4相差/%4.81.4流動阻力理論分析值/Pa2570.222278.4數(shù)值模擬值/Pa4230.527498.1相差/%39.219.0

從表4中可以看出，理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果溫度差異不超過5%、流阻差異小于40%。溫度差異的主要原因是在理論計算時，選取的參數(shù)和公式較為保守；而流阻差異的主要原因是：理論分析是根據(jù)一維近似模型假設(shè)的，只計算了微小通道部分的沿程流動阻力，而仿真分析是基于三維場模擬的，包含了上下游進口擴張段和出口收縮段的局部流動阻力，使仿真分析所得的流動阻力比理論分析值大，但理論分析和數(shù)值模擬的趨勢是相互吻合的。

通過理論計算和仿真分析可知，方案A和方案B均可滿足使用要求，方案B流阻較大，但散熱效果優(yōu)于方案A。

2 微小通道換熱器測試件設(shè)計

微小通道換熱器不僅要充分實現(xiàn)其換熱功能，還要具有可測試性。需要在微小通道換熱器結(jié)構(gòu)上設(shè)置合理的傳感器安裝接口，以保證測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，同時為了實現(xiàn)不同方案之間的可對比性，各方案都采用通用的封裝接口?？蓽y試性設(shè)計主要從以下2方面考慮：

1)溫度、壓力測試接口。進出口壓力與溫度是表征微小通道換熱器性能的重要參數(shù)。如圖3所示，在換熱器進出口的上方設(shè)置壓力傳感器接口，而在反面預(yù)留2個測試口,用于安裝熱電偶溫度傳感器，保證熱電偶盡量接近進液口和出液口，獲取準(zhǔn)確的溫度參數(shù)。

2)隔熱。為了消除與環(huán)境之間的自然對流和輻射換熱影響，在微小通道換熱器外增加了聚四氟乙烯隔熱罩(見圖4)，微小通道換熱器測試段安裝到工作臺面后，其下底面和臺面之間留有間隙，將測試段與外圍安裝結(jié)構(gòu)間絕大部分導(dǎo)熱通路切斷。

圖4 微小通道換熱器封裝結(jié)構(gòu)

圖5和圖6分別為方案A和方案B的實物和內(nèi)部流道X光影像。從圖中可以看出，不同方案的微小通道換熱器只是在測試段具有不同的特征，而外圍的封裝具有相同的結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)與測試臺機械接口、液體管路和傳感器的通用連接。

圖5 微小通道換熱器實物(左為方案A，右為方案B)

圖6 內(nèi)部流道X光影像

3 測試系統(tǒng)方案

針對微小通道換熱器的性能測試搭建專用的測試系統(tǒng)。圖7為測試方案原理圖。測試系統(tǒng)具有4個測試通路，能夠同時對4路微通道換熱器測試樣件進行測量，這樣可以保證獲取的同一方案多個樣本的數(shù)據(jù)出自完全同一的測試環(huán)境，使結(jié)論更有對比性。

圖7 測試方案原理圖

測試系統(tǒng)主要由測試臺架、1 kW移動液冷源、FC770冷卻液、溫度采集儀、熱電偶溫度計、壓力傳感器、渦輪流量計、流量積算儀和液體管路組成。測量獲取的實驗數(shù)據(jù)有微小通道換熱器的進出口壓力及溫度、模擬熱源中心溫度、環(huán)境溫度和進液流量。

4 測試數(shù)據(jù)分析

4.1 測試結(jié)果

熱源中心相對溫度為熱源中心溫度與冷卻液進口溫度之差，在一定程度上可視為熱源安裝面與冷卻液之間的溫差。流體溫升為冷卻液出口溫度與進口溫度之差，可視為冷卻液從熱源收集的熱功率的度量。圖8為方案A的熱源中心相對溫度和流體溫升隨體積流量的變化曲線。仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)中熱源中心相對溫度和流體溫升隨體積流量的變化趨勢都是相同的，即隨著流量增大，熱源溫度和流體溫升都逐漸降低，但實驗數(shù)據(jù)較為分散，實驗數(shù)據(jù)與仿真分析最大相差15.4 ℃。如圖9所示，方案A的流阻隨著流量增大而接近線性增大，但測試件1號、2號和3號的流阻一致性較好，4號件數(shù)據(jù)的不一致可能是由加工制造的個體導(dǎo)致的。

圖8 方案A熱源中心相對溫度和流體溫升隨體積流量的變化曲線

圖9 方案A流阻測試結(jié)果

圖10為方案B的熱源中心相對溫度和流體溫升隨體積流量的變化曲線。隨著流量的增大，熱源溫度和流體溫升都逐漸降低，且降低速率隨著流量的增大而減小。但是對于熱源中心相對溫度，實驗數(shù)據(jù)明顯大于仿真分析結(jié)果，最大相差可以達到43.7 ℃，其主要原因可能是加工一致性較差。對于流體溫升，實驗數(shù)據(jù)明顯小于數(shù)值模擬結(jié)果，表明實測換熱效率要比仿真分析值小。

圖10 方案B熱源中心相對溫度和流體溫升隨體積流量的變化曲線

如圖11所示，方案B中隨著流量增大，流阻接近線性增大。各測試件之間雖然存在較小差異，但變化趨勢幾乎相同。說明測試件的流阻一致性較好，測試結(jié)果和仿真分析相吻合。

圖11 方案B流阻測試結(jié)果

從2種方案的測試結(jié)果對比可知：受測試系統(tǒng)誤差和加工工藝誤差的影響，各測試樣本的數(shù)據(jù)存在離散，且導(dǎo)致方案B換熱能力總體上和方案A差異不大，和仿真分析數(shù)據(jù)的預(yù)期不吻合；由于方案B的流阻遠(yuǎn)高于方案A，因此工程應(yīng)用應(yīng)優(yōu)先選用方案A，即全并聯(lián)方案。

以方案A的測試數(shù)據(jù)為證，在邊界條件為0.2 L/min進液流量、30 ℃供液溫度時，功率器件安裝面溫度相對于冷卻液進口溫度最大相差76.7 ℃(圖8(a)，測試件1，最惡劣情況)，而固態(tài)功率器件結(jié)殼溫差按30 ℃考慮，則固態(tài)功率器件結(jié)溫為136.7 ℃，低于功率元器件II級降額要求的140 ℃。如果改進微小通道換熱器結(jié)構(gòu)和加工工藝，消除不利因素的影響，并使用帶制冷級的液冷系統(tǒng)提供冷卻液，則還可能實現(xiàn)固態(tài)功率器件的一級降額應(yīng)用。由此可以說明微小通道換熱技術(shù)已基本滿足具體的工程應(yīng)用條件。

4.2 測試誤差分析

從方案A和方案B的實驗結(jié)果分析可知，實驗數(shù)據(jù)與仿真分析數(shù)據(jù)之間存在一定誤差，并且同種方案的不同個體之間也存在較大差異，這些誤差是在多種誤差因素綜合影響下產(chǎn)生的。通過對測試件、測試系統(tǒng)和加工工藝進行綜合分析，得出以下主要誤差因素：

1)由模擬熱源與測試件的組裝工藝導(dǎo)致的誤差。模擬熱源與測試件通過釬焊連接，二者之間極易混入氣泡，并且氣泡的大小和位置是隨機的。這樣就造成模擬熱源至測試件換熱區(qū)域間的熱阻不均勻，使模擬熱源表面的局部溫度偏高，繼而導(dǎo)致模擬熱源上表面中心測試溫度和仿真分析值偏離較大，且樣本之間的離散也較大。

2)測試件的個體差異。同一方案中的不同測試件樣本在機加工和焊接時也會產(chǎn)生個體差異，如機加工誤差、焊片安裝誤差和焊料浸潤程度都會對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

3)測試系統(tǒng)流量脈動對實驗環(huán)境的隨機影響。液冷源的流量脈動會通過管路影響測試件進液流量的穩(wěn)定性，同時也會導(dǎo)致測試件進出口壓力的脈動，影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

通過對微小通道換熱技術(shù)的理論及實驗研究，得出以下結(jié)論：

1)理論計算和仿真分析數(shù)據(jù)充分支撐了微小通道換熱器的多方案設(shè)計；

2)經(jīng)綜合考量，全并聯(lián)的微通道換熱器方案可加工性較好，在滿足換熱性能的情況下，對系統(tǒng)資源的需求較少，更適合工程應(yīng)用；

3)從對測試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的誤差分析可知，后續(xù)對測試系統(tǒng)以及微小通道換熱器結(jié)構(gòu)和加工工藝的改進可以進一步提高測試的準(zhǔn)確性和微小通道換熱器的性能；

4)全并聯(lián)微小通道換熱器性能在0.2 L/min進液流量、30 ℃供液溫度時，能夠滿足熱流密度為200 W/cm2的功率器件的二級降額應(yīng)用要求。

綜上所述，微小通道換熱技術(shù)已經(jīng)基本滿足工程應(yīng)用需求，為大規(guī)模、高集成度、高功率陣列結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

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褚 鑫(1987-)，男，工程師，主要從事機械設(shè)計及其自動化研究工作。

Design and Test of a Micro/Mini-channel Heat Exchanger

CHU Xin，REN Chuan，QI Cheng-wu

(SouthwestResearchInstituteofElectronicEquipment,Chengdu610036,China)

The higher and higher integration degree and power of the array system constitute serious challenges to heat dissipation and reliability of the electronic devices. The theoretical calculation, simulation and performance test of a micro/mini-channel heat exchanger for the power devices with high heat flux are mainly introduced in this paper. The Results indicate that the micro/mini-channel heat exchanger can meet the heat dissipation requirement of the power devices with 200 W/cm2heat flux and the need of actual application in a certain boundary condition.

micro/mini-channel heat exchanger; high heat flux; heat dissipation

2016-06-30

TK124

A

1008-5300(2016)05-0025-05