叉指型液冷微槽道蒸汽腔的制備與性能研究

龐逸晨，孫志堅(jiān)，王卓然，俞自濤

（浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院 熱工與動(dòng)力系統(tǒng)研究所，浙江 杭州 310027）

0 引 言

近年來，隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，約1mm2的芯片面積可以集成超過1 億個(gè)的晶體管，性能的提升不可避免地帶來了更高的發(fā)熱量。目前新一代的桌面級(jí)個(gè)人電腦處理器基準(zhǔn)功率已達(dá)到125W[1,2]，而服務(wù)器級(jí)別的處理器更是達(dá)到了400W[3]的級(jí)別。溫度的提高會(huì)導(dǎo)致電子器件性能的嚴(yán)重降低，甚至可能引起設(shè)備故障，對(duì)其冷卻系統(tǒng)提出了更大的挑戰(zhàn)。

液冷作為一種主動(dòng)散熱單元，其冷卻速率要明顯高于空氣，被更多應(yīng)用于超級(jí)計(jì)算機(jī)以及數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域[4,5]。但直接液冷需要有外部輸入功以及液體溫度會(huì)隨著流動(dòng)方向升高而導(dǎo)致均溫性較差的問題。

蒸汽腔與熱管利用相變?cè)磉M(jìn)行傳熱，已經(jīng)被證明是一種極為有效的熱管理方案[6-7]。因其具有均溫性好、等效導(dǎo)熱系數(shù)高、體積小的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）[8]、航空航天[9]、電池[10]等領(lǐng)域。

基于上述特點(diǎn)，許多學(xué)者設(shè)計(jì)了基于液冷的蒸汽腔散熱器，并針對(duì)蒸汽腔內(nèi)的吸液芯結(jié)構(gòu)以及冷卻水流道[11–14]進(jìn)行了探究。此外，Ji 等人[15]以及Pan 等人[16]進(jìn)行了蒸汽腔與液冷板集成一體化的設(shè)計(jì)，Wang 等人[17]以及Wu 等人[18]則是將一根冷卻水管通入蒸汽腔內(nèi)進(jìn)行集成以減少蒸汽腔與液冷板之間的接觸熱阻。在目前的研究中，蒸汽腔與液冷板集成度不高，導(dǎo)致蒸汽腔與液冷系統(tǒng)整體的厚度較高，并且缺少與使用直接液冷系統(tǒng)之間的傳熱性能對(duì)比。

為此，本文設(shè)計(jì)并制備一種蒸汽腔與液冷系統(tǒng)集成在同一平面內(nèi)的散熱器，以減少整個(gè)系統(tǒng)的厚度。同時(shí)，搭建傳熱性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行測試，并與相同尺寸的微通道液冷散熱方案進(jìn)行對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 叉指型液冷微槽道蒸汽腔的設(shè)計(jì)

本研究所使用的微槽道蒸汽腔（長80 mm，寬40 mm，厚3 mm）壁面材料為鋁，工質(zhì)選用丙酮，其在大氣壓下的沸點(diǎn)為57℃，適用工作溫度范圍為0～120℃，符合電子器件散熱應(yīng)用的要求。其內(nèi)部共有15 個(gè)平行的微通道，其截面如圖1 所示，微通道內(nèi)部有倒梯形微槽道，通道之間有肋結(jié)構(gòu)作支撐。倒梯形槽道頂部寬0.4 mm，底部寬0.12 mm，深0.5 mm，槽道傾斜角度約為15°。槽道頂部的管殼厚度為1 mm，槽道之間的間隔為0.3 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)用微槽道蒸汽腔示意圖

集成液冷系統(tǒng)后的蒸汽腔流道布置如圖2 所示，冷卻水流道為平行流道，流動(dòng)路徑相對(duì)較短，沿程阻力較小。在平行的冷卻水流道之間交替灌裝丙酮工質(zhì)作為蒸汽腔工質(zhì)流道。冷卻水流道和工質(zhì)流道交叉排布，其共有8 條冷卻水流道和7條工質(zhì)流道。該結(jié)構(gòu)整體上屬于“叉指型”的流道結(jié)構(gòu)。

圖2 叉指型液冷微槽道蒸汽腔流道示意圖

1.2 液冷蒸汽腔的制備

在先前的研究中已經(jīng)搭建了如圖3（a）所示的蒸汽腔灌裝裝置[19]，該灌裝實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由控制模塊、加熱模塊和封口模塊組成。控制模塊可以控制加熱模塊以及封口模塊的運(yùn)作，通過調(diào)節(jié)支撐平臺(tái)的位置，可以改變封口后試樣的長度；加熱模塊主體為恒溫水浴箱，下方的升降臺(tái)在步進(jìn)電機(jī)的控制下可以調(diào)整試樣浸入水浴箱中的位置；封口裝置放大圖如圖3（b）所示，通過液壓泵提供動(dòng)力完成試樣的裁剪與封裝，液壓泵動(dòng)力由D100-10T 油缸提供。試樣封口后的效果如圖3（c）所示。

圖3 加熱灌裝實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

叉指型液冷微槽道蒸汽腔的制備工藝流程如圖4 所示，具體制備工藝流程如下所述：

圖4 叉指型液冷微槽道蒸汽腔制備工藝示意圖

1)準(zhǔn)備至少16 cm 長的蒸汽腔型材，將其浸沒在清洗槽內(nèi)，先通過去離子水沖洗；之后用75%的酒精和99 %的丙酮溶液清洗去除有機(jī)溶劑和油污；再用去離子水沖洗去除上一步清洗殘留的化學(xué)溶液；最后用壓縮空氣吹掃試樣溝槽內(nèi)的水分，并放入裝有硅膠干燥劑的干燥箱內(nèi)保存[20]。

2)將清洗后的型材置于封口機(jī)上部，切除其2 cm 的余料，完成一端封口，再將用作冷卻水通道的封口處進(jìn)行切削，并將冷卻水進(jìn)出口部位打磨光滑，多次稱量得到此時(shí)的蒸汽腔型材質(zhì)量為ms。

3)將一端封口后的型材置入裝有丙酮溶液的容器中，完全浸沒在丙酮溶液的液面之下，待其開口端不再冒氣泡后取出，完成灌裝。

4)調(diào)整支撐平臺(tái)的高度使其距離封口機(jī)12 cm，將灌裝好的型材置于支撐平臺(tái)上。將恒溫水浴提前加熱至70 ℃并將升降臺(tái)上升直至沒過型材8 cm 的位置，加熱一定時(shí)間后對(duì)試樣另一端進(jìn)行封口，裁剪后得到的余料質(zhì)量為m1。

5)再次調(diào)整支撐平臺(tái)的高度使其距離封口機(jī)8 cm，并放置型材。將恒溫水浴箱上升至沒過大部分型材的位置，加熱足夠長的時(shí)間再次對(duì)其一端封口進(jìn)行二次除氣，去除型材內(nèi)的不凝性氣體。通過步驟1 的方法對(duì)其清洗干燥后分別稱量此時(shí)的蒸汽腔型材和裁剪后得到的余料質(zhì)量為mf、m2。所灌裝的工質(zhì)質(zhì)量為m=mf–(ms–m1–m2)，蒸汽腔的充液率可通過下式求得：

式中：ρ為工質(zhì)密度，A為工質(zhì)流道的總截面積，L為封口后的蒸汽腔長度。

選取充液率范圍在(30±5)%的型材進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。

6)將型材另一端用作冷卻水通道的封口處進(jìn)行切削，并打磨光滑得到制備完成的試樣，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)號(hào)記錄。

1.3 傳熱性能測試

傳熱性能測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖5 所示，采用表面測溫法對(duì)液冷蒸汽腔進(jìn)行傳熱性能測試。蒸發(fā)端采用穩(wěn)壓直流電源作為熱量輸入，將加熱絲封裝在膜內(nèi)或硅橡膠內(nèi)構(gòu)成加熱片，加熱片的尺寸為80mm×40mm，其上方覆蓋厚度為1 mm、尺寸與加熱片相同的銅片，在銅片上刻蝕0.8 mm 深的槽道用于布置熱電偶，這樣能使熱流相對(duì)均勻，平面結(jié)構(gòu)也能順利貼合蒸發(fā)端表面。液冷蒸汽腔兩端通過扁口水管連接恒溫水浴箱，在冷卻水通道內(nèi)布置流量計(jì)和壓力計(jì)，通過流量計(jì)控制冷卻水流量，從恒溫水浴箱出口至液冷蒸汽腔入口段的冷卻水管需包裹海綿套管進(jìn)行絕熱，防止冷卻水在進(jìn)入液冷蒸汽腔前因環(huán)境而導(dǎo)致的升溫。熱電偶的布置如圖6 所示，在液冷蒸汽腔加熱面處沿著冷卻水流動(dòng)方向均勻布置10 個(gè)熱電偶，上下兩個(gè)熱電偶為1 組，間隔1.6 cm，共5 組，每組之間也相距1.6 cm，用于測量軸向的溫度分布；此外還需要在靠近冷卻水進(jìn)出口的位置分別布置一個(gè)熱電偶，這兩個(gè)熱電偶直接布置在冷卻水管內(nèi)測量進(jìn)出口的冷卻水溫度，熱電偶連接到數(shù)據(jù)采集裝置，實(shí)驗(yàn)過程中以0.1Hz 的頻率記錄數(shù)據(jù)。

圖5 傳熱性能測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖6 熱電偶布置示意圖

基于上述設(shè)計(jì)，所搭建的實(shí)驗(yàn)裝置如圖7 所示。將加熱片覆蓋液冷蒸汽腔的下表面，中間涂抹導(dǎo)熱硅脂，再纏上絕熱膠帶對(duì)二者進(jìn)行固定的同時(shí)減少熱量損失。二者水平放置，外部再包裹玻璃纖維棉和玻璃纖維外殼，減少熱量損失。實(shí)驗(yàn)過程中，冷卻水溫度控制在20 ℃，流量分別設(shè)置為100、200、400 mL/min。加熱功率分別設(shè)置為50、75、100 W。

圖7 蒸汽腔傳熱性能實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

2 數(shù)據(jù)整理及誤差分析

傳熱性能實(shí)驗(yàn)中用到的主要裝置及其參數(shù)如表1 所示，熱電偶經(jīng)過標(biāo)定精度為0.1 ℃。針對(duì)每個(gè)不同的工況至少進(jìn)行3 次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。

表1 傳熱性能測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要裝置參數(shù)

溫度數(shù)據(jù)由T 型熱電偶進(jìn)行測量，并通過數(shù)據(jù)采集儀獲得，實(shí)驗(yàn)過程中每次改變工況后都需等待系統(tǒng)重新恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。選取連續(xù)的20 個(gè)采樣點(diǎn)(經(jīng)過時(shí)間200s)，當(dāng)所有溫度測點(diǎn)在這20 個(gè)采樣點(diǎn)上的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差都小于0.5 %時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。取所有溫度測點(diǎn)的平均值作為蒸汽腔的工作溫度：

實(shí)驗(yàn)過程中的散熱損失可以通過比較穩(wěn)壓直流電源的輸入功率以及冷卻水帶走的熱量得到。電源的輸入功率為：

式中：U和I分別為電源的輸出電壓和電流。冷卻水帶走的熱量可以表示為：

式中：qV為冷卻水的體積流量，ρ為冷卻水入口處的密度，cp為冷卻水Tin到Tout的平均比熱容，Tin和Tout分別為冷卻水進(jìn)出口的溫度。Qc也代表了液冷蒸汽腔實(shí)際的散熱量。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的散熱損失為：

液冷蒸汽腔的熱阻R表征了其傳熱能力，可以通過下式確定：

式中：Te為液冷蒸汽腔加熱面的平均溫度，Tc為冷卻水的平均溫度。

上述通過公式推導(dǎo)的間接參量的合成不確定度根據(jù)下式算得：

其中，y為受n個(gè)不確定度分量影響的間接參量。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)測得的溫度和流量分別為20℃和200 mL/min 時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大不確定度分別為2.5 %、5 %。根各項(xiàng)間接測量合成不確定度如表2 所示。

表2 間接測量不確定度表

根據(jù)式(5)算得的液冷蒸汽腔在不同加熱功率下的平均散熱損失為2.65 %到3.95 %，認(rèn)為裝置的絕熱性良好，忽略散熱損失帶來的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 液冷蒸汽腔的熱響應(yīng)特性

圖8 給出了液冷蒸汽腔在不同工況下工作溫度隨時(shí)間的變化。其工作溫度通過取所有溫度測點(diǎn)的平均值得到，反映了加熱面處的整體溫度。當(dāng)加熱功率調(diào)節(jié)后，液冷蒸汽腔的工作溫度急劇變化，并迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，根據(jù)冷卻水流量以及加熱功率的不同，其啟動(dòng)時(shí)間為40 至80 s，有著良好的熱響應(yīng)性能。從圖8 中也能看出，隨著冷卻水流量的增加，液冷蒸汽腔的工作溫度降低，穩(wěn)態(tài)后工作溫度的穩(wěn)定性也能提高，例如，當(dāng)加熱功率達(dá)到100 W 后，對(duì)于流量較小的情況，由于恒溫水浴箱流量的波動(dòng)，當(dāng)液冷蒸汽腔達(dá)到穩(wěn)態(tài)后依然會(huì)有±0.5 ℃的溫度波動(dòng)，流量為400 mL/min 的工況下這一現(xiàn)象不明顯。

圖8 不同工況下液冷蒸汽腔工作溫度隨時(shí)間變化

在加熱功率為100 W 的工況下，當(dāng)冷卻水流量從100 mL/min 提高到200 mL/min 后，液冷蒸汽腔的平均溫度下降了約7 ℃，而當(dāng)流量進(jìn)一步提高到400 mL/min 后平均溫度只下降了約3 ℃，說明此時(shí)冷卻水的流量已經(jīng)接近冷卻極限，其對(duì)流熱阻在總熱阻中占比較低。

3.2 液冷蒸汽腔的溫度分布

圖9 給出了液冷蒸汽腔加熱面以及冷卻水在軸向的溫度分布，熱電偶如圖6 所示布置，其中坐標(biāo)為0 和8 cm 的測點(diǎn)分別代表了冷卻水的進(jìn)出口溫度Tin和Tout，中間的測點(diǎn)通過對(duì)5 組熱電偶每組取平均值獲得。在冷卻水流量較低的工況下，冷卻水兩端會(huì)有明顯的溫升，液冷蒸汽腔溫度沿冷卻水流動(dòng)方向有明顯的升高。而當(dāng)冷卻水流量較高時(shí)，冷卻水軸向的溫升較低，此時(shí)冷卻水的入口效應(yīng)比較明顯，液冷蒸汽腔在靠近冷卻水入口處有一個(gè)小的溫升。

圖9 液冷蒸汽腔加熱面以及冷卻水的溫度分布

此外，隨著冷卻水軸向溫度的提高，蒸汽腔壁面的溫差也逐漸增加，最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在靠近冷卻水出口處，為避免局部溫度過高而導(dǎo)致電子器件失效，特別需要關(guān)注該點(diǎn)的溫度。在加熱功率為100 W，冷卻水流量為100 mL/min 的情況下，該位置處的最高溫度達(dá)到了54.07 ℃，考慮到電子器件核心處的溫度會(huì)比基板高，加熱面處的溫度不宜過高。當(dāng)流量提高到200 mL/min 和400 mL/min 后，該處平均溫度分別下降6.88 ℃和4.95℃；而當(dāng)加熱功率減少至75 W 和50 W 后，該處平均溫度分別下降7.32 ℃和8.10 ℃。

3.3 液冷蒸汽腔與微通道液冷的傳熱性能對(duì)比

為比較液冷蒸汽腔與微通道液冷的傳熱性能，采用相同的鋁型材作為微通道液冷散熱器，共有15 個(gè)液冷微通道，內(nèi)部的傳熱原理只涉及液體對(duì)流換熱，不存在工質(zhì)的相變傳熱。為比較兩者傳熱性能，控制冷卻水的體積流量相同，在相同的加熱功率下，兩者冷卻水的出口溫度相近。

圖10 給出了液冷蒸汽腔與微通道液冷在不同工況下熱阻的對(duì)比?？梢钥吹?，提高冷卻水的流量，兩者的熱阻均有明顯降低。提高加熱功率，微通道液冷的熱阻變化不明顯，而液冷蒸汽腔由于加熱功率的提高，工質(zhì)的蒸發(fā)量增加，熱阻在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)有明顯的降低。

圖10 熱阻隨冷卻水流量變化

圖11 給出了在冷卻水流量為100 mL/min 下兩者的溫度分布曲線，可以看到液冷蒸汽腔軸向的溫升要明顯低于微通道液冷，表明其具有良好的均溫性。其最高溫度也明顯低于微通道液冷，并且隨著加熱功率的升高兩者的差距逐漸增大。在50W、75W 以及100 W 的加熱功率下液冷蒸汽腔的最高溫度相比微通道液冷分別降低了0.20℃、1.44℃以及3.40 ℃。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型的結(jié)合蒸汽腔與液冷散熱的熱管理方案，設(shè)計(jì)并制備了相應(yīng)的液冷蒸汽腔試樣，對(duì)其進(jìn)行了傳熱性能測試并與傳統(tǒng)的液冷散熱進(jìn)行傳熱性能對(duì)比，得出以下結(jié)論：

1)制備的液冷蒸汽腔均溫性能好，結(jié)構(gòu)簡單，加工簡便，可靠性高，滿足散熱器薄型設(shè)計(jì)的要求。

2)液冷蒸汽腔不同工況下的啟動(dòng)時(shí)間在40至80 s，熱響應(yīng)性能良好。

3)在加熱功率為100 W，冷卻水流量為100 mL/min 的工況下，蒸汽腔的最高溫度相比微通道液冷可以降低了3.40 ℃。