一种微小通道换热器的设计和试验研究*

褚 鑫，任 川，祁成武

(西南电子设备研究所， 四川 成都 610036)

一种微小通道换热器的设计和试验研究*

褚 鑫，任 川，祁成武

(西南电子设备研究所， 四川 成都 610036)

目前阵列系统的集成度与功率越来越高，给电子元器件的冷却及可靠工作带来了严峻的挑战。文中主要介绍了一种针对高热流密度功率器件散热的微小通道换热器的理论计算和仿真分析过程，并进行了多方案的热性能测试试验。试验结果表明：该微小通道换热器在一定的边界条件下能够满足热流密度为200 W/cm2器件的散热需求和工程应用要求。

微小通道换热器；高热流密度；散热

引 言

目前，阵列化电子设备的集成度与功率越来越高，随之而来的散热问题也越来越突出。阵列化设备的散热面临空间狭小、集成度高、热流密度大、冷却条件有限等诸多苛刻条件[1-2]。如何利用有限的资源解决大功率芯片的散热问题已成为阵列化电子设备工程应用的一个难点。

传统的散热方法已不能满足阵列化电子设备的散热需求，为此微小通道冷却、微射流冷却、微热管冷却等新型的散热技术逐渐涌现[3]。由于针对微小通道散热技术的研究启动较早，技术路径较为成熟，且微小通道具有可集成度高、传热路径短、换热效率高的优势，因此随着相关理论研究的深入和制造技术的不断发展，微小通道散热技术的应用将越来越广泛[4-6]。本文主要开展了微小通道换热器的设计以及相关性能测试的研究，并探讨了它在阵列化电子设备中的工程应用的可行性。

1 微小通道换热器方案研究

本文所研究的微小通道换热器针对的应用边界见表1，主要是利用有限的空间资源解决热流密度为200 W/cm2的功率器件的散热问题。

表1 应用边界

1.1 方案选择

阵列式微小通道换热器通常使用矩形截面通道，有全并联和串并联2种布局形式。全并联布局的流速较低，流动处于层流状态，主要通过并联足够多的微小通道来实现较大的有效换热面积；串并联布局是在蛇形流道中分布微槽道，可以提高流速和换热性能，但流

阻较大。本文所研究的微小通道换热技术主要用于阵列化结构，每个微小通道单元可获取的液冷资源有限，因此基于层流设计的微小通道换热技术才更有利于实现工程化。同时，微小通道换热技术的工程应用不仅要考虑其换热性能，还需考虑工艺成熟度、加工效率和成本的经济性。目前，金属微槽道通常采用机械加工方式获得，能够实现批量生产的加工方式包括片铣刀铣削、电火花加工、线切割、微铣削等。各加工方式的特点见表2。

表2 常用的金属微槽加工方式

从换热性能、系统可承受资源、槽道堵塞风险、加工经济性和工艺成熟度方面进行综合考虑，确定采用槽宽为0.2 mm(片铣刀加工)基于层流的微小通道换热器设计方案，并针对全并联和串并联2种布局方案分别进行研究。

1.2 理论计算与数值模拟

基于确定的方案路线，确定了2种微小通道换热器方案：

A)0.2 mm宽微槽道全并联布局，此方案流程较短，流速较低，流动通常处于层流状态；

B)0.2 mm宽微槽道串并联布局，此方案中微槽道流程较长，流速快，需控制进液流量，以保证流动状态处于层流。

在进行结构设计后，可以通过理论计算和仿真分析评估2种方案的换热性能。

表3为方案A和B的换热性能理论计算结果。方案模型如图1所示。方案A的特征为：全并联，通道宽度0.2 mm(入口段)；方案B的特征为：串并联，通道宽度0.2 mm(入口段)。方案B的对流换热系数为1 587.13 W/(m2·K)，高于方案A，并且方案B的热沉面/流体温差为51.7 ℃，比方案A的58.4 ℃减小了13.0%，效果明显；方案B的系统资源需求为10.34 ℃·L/min，比方案A(11.68 ℃·L/min)降低了13.0%。由此可知，方案B的换热性能明显高于方案A，但方案B的流阻为22 278.4 Pa，比方案A增加了近一个数量级，增幅较大。

表3 A/B方案换热性能的理论计算

图1 方案模型

为了和理论计算值进行对比验证，采用仿真软件对方案A和方案B进行了仿真分析。图2为微小通道换热器的温度仿真云图，图3为微小通道换热器的流动迹线，理论计算结果和数值模拟结果对比见表4。

图2 微小通道换热器温度仿真云图(左为方案A，右为方案B)

图3 微小通道换热器的流动迹线(左为方案A，右为方案B)

方案方案A方案B热沉面最高温度理论分析值/℃105.598.8数值模拟值/℃100.797.4相差/%4.81.4流动阻力理论分析值/Pa2570.222278.4数值模拟值/Pa4230.527498.1相差/%39.219.0

从表4中可以看出，理论计算和数值模拟结果温度差异不超过5%、流阻差异小于40%。温度差异的主要原因是在理论计算时，选取的参数和公式较为保守；而流阻差异的主要原因是：理论分析是根据一维近似模型假设的，只计算了微小通道部分的沿程流动阻力，而仿真分析是基于三维场模拟的，包含了上下游进口扩张段和出口收缩段的局部流动阻力，使仿真分析所得的流动阻力比理论分析值大，但理论分析和数值模拟的趋势是相互吻合的。

通过理论计算和仿真分析可知，方案A和方案B均可满足使用要求，方案B流阻较大，但散热效果优于方案A。

2 微小通道换热器测试件设计

微小通道换热器不仅要充分实现其换热功能，还要具有可测试性。需要在微小通道换热器结构上设置合理的传感器安装接口，以保证测量数据准确有效，同时为了实现不同方案之间的可对比性，各方案都采用通用的封装接口。可测试性设计主要从以下2方面考虑：

1)温度、压力测试接口。进出口压力与温度是表征微小通道换热器性能的重要参数。如图3所示，在换热器进出口的上方设置压力传感器接口，而在反面预留2个测试口,用于安装热电偶温度传感器，保证热电偶尽量接近进液口和出液口，获取准确的温度参数。

2)隔热。为了消除与环境之间的自然对流和辐射换热影响，在微小通道换热器外增加了聚四氟乙烯隔热罩(见图4)，微小通道换热器测试段安装到工作台面后，其下底面和台面之间留有间隙，将测试段与外围安装结构间绝大部分导热通路切断。

图4 微小通道换热器封装结构

图5和图6分别为方案A和方案B的实物和内部流道X光影像。从图中可以看出，不同方案的微小通道换热器只是在测试段具有不同的特征，而外围的封装具有相同的结构，以实现与测试台机械接口、液体管路和传感器的通用连接。

图5 微小通道换热器实物(左为方案A，右为方案B)

图6 内部流道X光影像

3 测试系统方案

针对微小通道换热器的性能测试搭建专用的测试系统。图7为测试方案原理图。测试系统具有4个测试通路，能够同时对4路微通道换热器测试样件进行测量，这样可以保证获取的同一方案多个样本的数据出自完全同一的测试环境，使结论更有对比性。

图7 测试方案原理图

测试系统主要由测试台架、1 kW移动液冷源、FC770冷却液、温度采集仪、热电偶温度计、压力传感器、涡轮流量计、流量积算仪和液体管路组成。测量获取的实验数据有微小通道换热器的进出口压力及温度、模拟热源中心温度、环境温度和进液流量。

4 测试数据分析

4.1 测试结果

热源中心相对温度为热源中心温度与冷却液进口温度之差，在一定程度上可视为热源安装面与冷却液之间的温差。流体温升为冷却液出口温度与进口温度之差，可视为冷却液从热源收集的热功率的度量。图8为方案A的热源中心相对温度和流体温升随体积流量的变化曲线。仿真数据和实验数据中热源中心相对温度和流体温升随体积流量的变化趋势都是相同的，即随着流量增大，热源温度和流体温升都逐渐降低，但实验数据较为分散，实验数据与仿真分析最大相差15.4 ℃。如图9所示，方案A的流阻随着流量增大而接近线性增大，但测试件1号、2号和3号的流阻一致性较好，4号件数据的不一致可能是由加工制造的个体导致的。

图8 方案A热源中心相对温度和流体温升随体积流量的变化曲线

图9 方案A流阻测试结果

图10为方案B的热源中心相对温度和流体温升随体积流量的变化曲线。随着流量的增大，热源温度和流体温升都逐渐降低，且降低速率随着流量的增大而减小。但是对于热源中心相对温度，实验数据明显大于仿真分析结果，最大相差可以达到43.7 ℃，其主要原因可能是加工一致性较差。对于流体温升，实验数据明显小于数值模拟结果，表明实测换热效率要比仿真分析值小。

图10 方案B热源中心相对温度和流体温升随体积流量的变化曲线

如图11所示，方案B中随着流量增大，流阻接近线性增大。各测试件之间虽然存在较小差异，但变化趋势几乎相同。说明测试件的流阻一致性较好，测试结果和仿真分析相吻合。

图11 方案B流阻测试结果

从2种方案的测试结果对比可知：受测试系统误差和加工工艺误差的影响，各测试样本的数据存在离散，且导致方案B换热能力总体上和方案A差异不大，和仿真分析数据的预期不吻合；由于方案B的流阻远高于方案A，因此工程应用应优先选用方案A，即全并联方案。

以方案A的测试数据为证，在边界条件为0.2 L/min进液流量、30 ℃供液温度时，功率器件安装面温度相对于冷却液进口温度最大相差76.7 ℃(图8(a)，测试件1，最恶劣情况)，而固态功率器件结壳温差按30 ℃考虑，则固态功率器件结温为136.7 ℃，低于功率元器件II级降额要求的140 ℃。如果改进微小通道换热器结构和加工工艺，消除不利因素的影响，并使用带制冷级的液冷系统提供冷却液，则还可能实现固态功率器件的一级降额应用。由此可以说明微小通道换热技术已基本满足具体的工程应用条件。

4.2 测试误差分析

从方案A和方案B的实验结果分析可知，实验数据与仿真分析数据之间存在一定误差，并且同种方案的不同个体之间也存在较大差异，这些误差是在多种误差因素综合影响下产生的。通过对测试件、测试系统和加工工艺进行综合分析，得出以下主要误差因素：

1)由模拟热源与测试件的组装工艺导致的误差。模拟热源与测试件通过钎焊连接，二者之间极易混入气泡，并且气泡的大小和位置是随机的。这样就造成模拟热源至测试件换热区域间的热阻不均匀，使模拟热源表面的局部温度偏高，继而导致模拟热源上表面中心测试温度和仿真分析值偏离较大，且样本之间的离散也较大。

2)测试件的个体差异。同一方案中的不同测试件样本在机加工和焊接时也会产生个体差异，如机加工误差、焊片安装误差和焊料浸润程度都会对测量结果产生一定的影响。

3)测试系统流量脉动对实验环境的随机影响。液冷源的流量脉动会通过管路影响测试件进液流量的稳定性，同时也会导致测试件进出口压力的脉动，影响实验结果的准确性。

5 结束语

通过对微小通道换热技术的理论及实验研究，得出以下结论：

1)理论计算和仿真分析数据充分支撑了微小通道换热器的多方案设计；

2)经综合考量，全并联的微通道换热器方案可加工性较好，在满足换热性能的情况下，对系统资源的需求较少，更适合工程应用；

3)从对测试数据和仿真数据的误差分析可知，后续对测试系统以及微小通道换热器结构和加工工艺的改进可以进一步提高测试的准确性和微小通道换热器的性能；

4)全并联微小通道换热器性能在0.2 L/min进液流量、30 ℃供液温度时，能够满足热流密度为200 W/cm2的功率器件的二级降额应用要求。

综上所述，微小通道换热技术已经基本满足工程应用需求，为大规模、高集成度、高功率阵列结构的实现提供了技术基础。

[1] 李春林. 矩形槽道微通道冷板制造工艺技术[J]. 电子机械工程, 2009, 25(4): 38-40.

[2] 余建祖, 高红霞, 谢永奇. 电子设备热设计及分析技术[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2008.

[3] 刘敏珊, 王国营, 董其伍. 微通道内液体流动和传热研究进展[J]. 热科学技术, 2007, 6(4): 283-288.

[4] 辛明道, 师晋升. 微矩形槽道内的受迫对流换热性能实验[J]. 重庆大学学报, 1994, 17(3): 117-122.

[5] 蒋洁, 郝英立, 施明恒. 矩形微通道中流体流动阻力和换热特性实验研究[J]. 热科学与技术, 2006, 5(3): 189-194.

[6] 刘一兵, 黄新民, 刘安宁, 等. 基于电子散热新技术的研究[J]. 制冷技术, 2008, 36(3): 54-57.

褚 鑫(1987-)，男，工程师，主要从事机械设计及其自动化研究工作。

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