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，王卓然，俞自濤

（浙江大學 能源工程學院 熱工與動力系統研究所，浙江 杭州 310027）

0 引 言

近年來，隨著微電子技術的迅猛發展，約1mm2的芯片面積可以集成超過1 億個的晶體管，性能的提升不可避免地帶來了更高的發熱量。目前新一代的桌面級個人電腦處理器基準功率已達到125W[1,2]，而服務器級別的處理器更是達到了400W[3]的級別。溫度的提高會導致電子器件性能的嚴重降低，甚至可能引起設備故障，對其冷卻系統提出了更大的挑戰。

液冷作為一種主動散熱單元，其冷卻速率要明顯高于空氣，被更多應用于超級計算機以及數據中心領域[4,5]。但直接液冷需要有外部輸入功以及液體溫度會隨著流動方向升高而導致均溫性較差的問題。

蒸汽腔與熱管利用相變原理進行傳熱，已經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、等效導熱系數高、體積小的特點廣泛應用于微機電系統（MEMS）[8]、航空航天[9]、電池[10]等領域。

基于上述特點，許多學者設計了基于液冷的蒸汽腔散熱器，并針對蒸汽腔內的吸液芯結構以及冷卻水流道[11–14]進行了探究。此外，Ji 等人[15]以及Pan 等人[16]進行了蒸汽腔與液冷板集成一體化的設計，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進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，導致蒸汽腔與液冷系統整體的厚度較高，并且缺少與使用直接液冷系統之間的傳熱性能對比。

為此，本文設計并制備一種蒸汽腔與液冷系統集成在同一平面內的散熱器，以減少整個系統的厚度。同時，搭建傳熱性能實驗臺對其進行測試，并與相同尺寸的微通道液冷散熱方案進行對比。

1 實驗設計

1.1 叉指型液冷微槽道蒸汽腔的設計

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，工質選用丙酮，其在大氣壓下的沸點為57℃，適用工作溫度范圍為0～120℃，符合電子器件散熱應用的要求。其內部共有15 個平行的微通道，其截面如圖1 所示，微通道內部有倒梯形微槽道，通道之間有肋結構作支撐。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 實驗用微槽道蒸汽腔示意圖

集成液冷系統后的蒸汽腔流道布置如圖2 所示，冷卻水流道為平行流道，流動路徑相對較短，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作為蒸汽腔工質流道。冷卻水流道和工質流道交叉排布，其共有8 條冷卻水流道和7條工質流道。該結構整體上屬于“叉指型”的流道結構。

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搭建了如圖3（a）所示的蒸汽腔灌裝裝置[19]，該灌裝實驗臺主要由控制模塊、加熱模塊和封口模塊組成?？刂颇K可以控制加熱模塊以及封口模塊的運作，通過調節支撐平臺的位置，可以改變封口后試樣的長度；加熱模塊主體為恒溫水浴箱，下方的升降臺在步進電機的控制下可以調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，通過液壓泵提供動力完成試樣的裁剪與封裝，液壓泵動力由D100-10T 油缸提供。試樣封口后的效果如圖3（c）所示。

圖3 加熱灌裝實驗臺實物圖

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)準備至少16 cm 長的蒸汽腔型材，將其浸沒在清洗槽內，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溶液；最后用壓縮空氣吹掃試樣溝槽內的水分，并放入裝有硅膠干燥劑的干燥箱內保存[20]。

2)將清洗后的型材置于封口機上部，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行切削，并將冷卻水進出口部位打磨光滑，多次稱量得到此時的蒸汽腔型材質量為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)調整支撐平臺的高度使其距離封口機12 cm，將灌裝好的型材置于支撐平臺上。將恒溫水浴提前加熱至70 ℃并將升降臺上升直至沒過型材8 cm 的位置，加熱一定時間后對試樣另一端進行封口，裁剪后得到的余料質量為m1。

5)再次調整支撐平臺的高度使其距離封口機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，加熱足夠長的時間再次對其一端封口進行二次除氣，去除型材內的不凝性氣體。通過步驟1 的方法對其清洗干燥后分別稱量此時的蒸汽腔型材和裁剪后得到的余料質量為mf、m2。所灌裝的工質質量為m=mf–(ms–m1–m2)，蒸汽腔的充液率可通過下式求得：

式中：ρ為工質密度，A為工質流道的總截面積，L為封口后的蒸汽腔長度。

選取充液率范圍在(30±5)%的型材進行后續的實驗。

6)將型材另一端用作冷卻水通道的封口處進行切削，并打磨光滑得到制備完成的試樣，對其進行標號記錄。

1.3 傳熱性能測試

傳熱性能測試實驗臺如圖5 所示，采用表面測溫法對液冷蒸汽腔進行傳熱性能測試。蒸發端采用穩壓直流電源作為熱量輸入，將加熱絲封裝在膜內或硅橡膠內構成加熱片，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，這樣能使熱流相對均勻，平面結構也能順利貼合蒸發端表面。液冷蒸汽腔兩端通過扁口水管連接恒溫水浴箱，在冷卻水通道內布置流量計和壓力計，通過流量計控制冷卻水流量，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行絕熱，防止冷卻水在進入液冷蒸汽腔前因環境而導致的升溫。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方向均勻布置10 個熱電偶，上下兩個熱電偶為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出口的位置分別布置一個熱電偶，這兩個熱電偶直接布置在冷卻水管內測量進出口的冷卻水溫度，熱電偶連接到數據采集裝置，實驗過程中以0.1Hz 的頻率記錄數據。

圖5 傳熱性能測試實驗臺

圖6 熱電偶布置示意圖

基于上述設計，所搭建的實驗裝置如圖7 所示。將加熱片覆蓋液冷蒸汽腔的下表面，中間涂抹導熱硅脂，再纏上絕熱膠帶對二者進行固定的同時減少熱量損失。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。實驗過程中，冷卻水溫度控制在20 ℃，流量分別設置為100、200、400 mL/min。加熱功率分別設置為50、75、100 W。

圖7 蒸汽腔傳熱性能實驗裝置實物圖

2 數據整理及誤差分析

傳熱性能實驗中用到的主要裝置及其參數如表1 所示，熱電偶經過標定精度為0.1 ℃。針對每個不同的工況至少進行3 次重復性實驗。

表1 傳熱性能測試實驗臺主要裝置參數

溫度數據由T 型熱電偶進行測量，并通過數據采集儀獲得，實驗過程中每次改變工況后都需等待系統重新恢復穩態。選取連續的20 個采樣點(經過時間200s)，當所有溫度測點在這20 個采樣點上的相對標準差都小于0.5 %時，系統達到穩態。取所有溫度測點的平均值作為蒸汽腔的工作溫度：

實驗過程中的散熱損失可以通過比較穩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分別為冷卻水進出口的溫度。Qc也代表了液冷蒸汽腔實際的散熱量。

整個實驗系統的散熱損失為：

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。

上述通過公式推導的間接參量的合成不確定度根據下式算得：

其中，y為受n個不確定度分量影響的間接參量。

當實驗測得的溫度和流量分別為20℃和200 mL/min 時，對應的最大不確定度分別為2.5 %、5 %。根各項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 %，認為裝置的絕熱性良好，忽略散熱損失帶來的影響。

3 實驗結果與討論

3.1 液冷蒸汽腔的熱響應特性

圖8 給出了液冷蒸汽腔在不同工況下工作溫度隨時間的變化。其工作溫度通過取所有溫度測點的平均值得到，反映了加熱面處的整體溫度。當加熱功率調節后，液冷蒸汽腔的工作溫度急劇變化，并迅速達到穩態，根據冷卻水流量以及加熱功率的不同，其啟動時間為40 至80 s，有著良好的熱響應性能。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，穩態后工作溫度的穩定性也能提高，例如，當加熱功率達到100 W 后，對于流量較小的情況，由于恒溫水浴箱流量的波動，當液冷蒸汽腔達到穩態后依然會有±0.5 ℃的溫度波動，流量為400 mL/min 的工況下這一現象不明顯。

圖8 不同工況下液冷蒸汽腔工作溫度隨時間變化

在加熱功率為100 W 的工況下，當冷卻水流量從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 ℃，而當流量進一步提高到400 mL/min 后平均溫度只下降了約3 ℃，說明此時冷卻水的流量已經接近冷卻極限，其對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，其中坐標為0 和8 cm 的測點分別代表了冷卻水的進出口溫度Tin和Tout，中間的測點通過對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，冷卻水兩端會有明顯的溫升，液冷蒸汽腔溫度沿冷卻水流動方向有明顯的升高。而當冷卻水流量較高時，冷卻水軸向的溫升較低，此時冷卻水的入口效應比較明顯，液冷蒸汽腔在靠近冷卻水入口處有一個小的溫升。

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，最高溫度點出現在靠近冷卻水出口處，為避免局部溫度過高而導致電子器件失效，特別需要關注該點的溫度。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到了54.07 ℃，考慮到電子器件核心處的溫度會比基板高，加熱面處的溫度不宜過高。當流量提高到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 個液冷微通道，內部的傳熱原理只涉及液體對流換熱，不存在工質的相變傳熱。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，工質的蒸發量增加，熱阻在實驗工況范圍內有明顯的降低。

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 結論

本文提出了一種新型的結合蒸汽腔與液冷散熱的熱管理方案，設計并制備了相應的液冷蒸汽腔試樣，對其進行了傳熱性能測試并與傳統的液冷散熱進行傳熱性能對比，得出以下結論：

1)制備的液冷蒸汽腔均溫性能好，結構簡單，加工簡便，可靠性高，滿足散熱器薄型設計的要求。

2)液冷蒸汽腔不同工況下的啟動時間在40至80 s，熱響應性能良好。

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 ℃。