叉指型液冷微槽道蒸汽腔的制备与性能研究

庞逸晨，孙志坚，王卓然，俞自涛

（浙江大学 能源工程学院 热工与动力系统研究所，浙江 杭州 310027）

0 引 言

近年来，随着微电子技术的迅猛发展，约1mm2的芯片面积可以集成超过1 亿个的晶体管，性能的提升不可避免地带来了更高的发热量。目前新一代的桌面级个人电脑处理器基准功率已达到125W[1,2]，而服务器级别的处理器更是达到了400W[3]的级别。温度的提高会导致电子器件性能的严重降低，甚至可能引起设备故障，对其冷却系统提出了更大的挑战。

液冷作为一种主动散热单元，其冷却速率要明显高于空气，被更多应用于超级计算机以及数据中心领域[4,5]。但直接液冷需要有外部输入功以及液体温度会随着流动方向升高而导致均温性较差的问题。

蒸汽腔与热管利用相变原理进行传热，已经被证明是一种极为有效的热管理方案[6-7]。因其具有均温性好、等效导热系数高、体积小的特点广泛应用于微机电系统（MEMS）[8]、航空航天[9]、电池[10]等领域。

基于上述特点，许多学者设计了基于液冷的蒸汽腔散热器，并针对蒸汽腔内的吸液芯结构以及冷却水流道[11–14]进行了探究。此外，Ji 等人[15]以及Pan 等人[16]进行了蒸汽腔与液冷板集成一体化的设计，Wang 等人[17]以及Wu 等人[18]则是将一根冷却水管通入蒸汽腔内进行集成以减少蒸汽腔与液冷板之间的接触热阻。在目前的研究中，蒸汽腔与液冷板集成度不高，导致蒸汽腔与液冷系统整体的厚度较高，并且缺少与使用直接液冷系统之间的传热性能对比。

为此，本文设计并制备一种蒸汽腔与液冷系统集成在同一平面内的散热器，以减少整个系统的厚度。同时，搭建传热性能实验台对其进行测试，并与相同尺寸的微通道液冷散热方案进行对比。

1 实验设计

1.1 叉指型液冷微槽道蒸汽腔的设计

本研究所使用的微槽道蒸汽腔（长80 mm，宽40 mm，厚3 mm）壁面材料为铝，工质选用丙酮，其在大气压下的沸点为57℃，适用工作温度范围为0～120℃，符合电子器件散热应用的要求。其内部共有15 个平行的微通道，其截面如图1 所示，微通道内部有倒梯形微槽道，通道之间有肋结构作支撑。倒梯形槽道顶部宽0.4 mm，底部宽0.12 mm，深0.5 mm，槽道倾斜角度约为15°。槽道顶部的管壳厚度为1 mm，槽道之间的间隔为0.3 mm。

图1 实验用微槽道蒸汽腔示意图

集成液冷系统后的蒸汽腔流道布置如图2 所示，冷却水流道为平行流道，流动路径相对较短，沿程阻力较小。在平行的冷却水流道之间交替灌装丙酮工质作为蒸汽腔工质流道。冷却水流道和工质流道交叉排布，其共有8 条冷却水流道和7条工质流道。该结构整体上属于“叉指型”的流道结构。

图2 叉指型液冷微槽道蒸汽腔流道示意图

1.2 液冷蒸汽腔的制备

在先前的研究中已经搭建了如图3（a）所示的蒸汽腔灌装装置[19]，该灌装实验台主要由控制模块、加热模块和封口模块组成。控制模块可以控制加热模块以及封口模块的运作，通过调节支撑平台的位置，可以改变封口后试样的长度；加热模块主体为恒温水浴箱，下方的升降台在步进电机的控制下可以调整试样浸入水浴箱中的位置；封口装置放大图如图3（b）所示，通过液压泵提供动力完成试样的裁剪与封装，液压泵动力由D100-10T 油缸提供。试样封口后的效果如图3（c）所示。

图3 加热灌装实验台实物图

叉指型液冷微槽道蒸汽腔的制备工艺流程如图4 所示，具体制备工艺流程如下所述：

图4 叉指型液冷微槽道蒸汽腔制备工艺示意图

1)准备至少16 cm 长的蒸汽腔型材，将其浸没在清洗槽内，先通过去离子水冲洗；之后用75%的酒精和99 %的丙酮溶液清洗去除有机溶剂和油污；再用去离子水冲洗去除上一步清洗残留的化学溶液；最后用压缩空气吹扫试样沟槽内的水分，并放入装有硅胶干燥剂的干燥箱内保存[20]。

2)将清洗后的型材置于封口机上部，切除其2 cm 的余料，完成一端封口，再将用作冷却水通道的封口处进行切削，并将冷却水进出口部位打磨光滑，多次称量得到此时的蒸汽腔型材质量为ms。

3)将一端封口后的型材置入装有丙酮溶液的容器中，完全浸没在丙酮溶液的液面之下，待其开口端不再冒气泡后取出，完成灌装。

4)调整支撑平台的高度使其距离封口机12 cm，将灌装好的型材置于支撑平台上。将恒温水浴提前加热至70 ℃并将升降台上升直至没过型材8 cm 的位置，加热一定时间后对试样另一端进行封口，裁剪后得到的余料质量为m1。

5)再次调整支撑平台的高度使其距离封口机8 cm，并放置型材。将恒温水浴箱上升至没过大部分型材的位置，加热足够长的时间再次对其一端封口进行二次除气，去除型材内的不凝性气体。通过步骤1 的方法对其清洗干燥后分别称量此时的蒸汽腔型材和裁剪后得到的余料质量为mf、m2。所灌装的工质质量为m=mf–(ms–m1–m2)，蒸汽腔的充液率可通过下式求得：

式中：ρ为工质密度，A为工质流道的总截面积，L为封口后的蒸汽腔长度。

选取充液率范围在(30±5)%的型材进行后续的实验。

6)将型材另一端用作冷却水通道的封口处进行切削，并打磨光滑得到制备完成的试样，对其进行标号记录。

1.3 传热性能测试

传热性能测试实验台如图5 所示，采用表面测温法对液冷蒸汽腔进行传热性能测试。蒸发端采用稳压直流电源作为热量输入，将加热丝封装在膜内或硅橡胶内构成加热片，加热片的尺寸为80mm×40mm，其上方覆盖厚度为1 mm、尺寸与加热片相同的铜片，在铜片上刻蚀0.8 mm 深的槽道用于布置热电偶，这样能使热流相对均匀，平面结构也能顺利贴合蒸发端表面。液冷蒸汽腔两端通过扁口水管连接恒温水浴箱，在冷却水通道内布置流量计和压力计，通过流量计控制冷却水流量，从恒温水浴箱出口至液冷蒸汽腔入口段的冷却水管需包裹海绵套管进行绝热，防止冷却水在进入液冷蒸汽腔前因环境而导致的升温。热电偶的布置如图6 所示，在液冷蒸汽腔加热面处沿着冷却水流动方向均匀布置10 个热电偶，上下两个热电偶为1 组，间隔1.6 cm，共5 组，每组之间也相距1.6 cm，用于测量轴向的温度分布；此外还需要在靠近冷却水进出口的位置分别布置一个热电偶，这两个热电偶直接布置在冷却水管内测量进出口的冷却水温度，热电偶连接到数据采集装置，实验过程中以0.1Hz 的频率记录数据。

图5 传热性能测试实验台

图6 热电偶布置示意图

基于上述设计，所搭建的实验装置如图7 所示。将加热片覆盖液冷蒸汽腔的下表面，中间涂抹导热硅脂，再缠上绝热胶带对二者进行固定的同时减少热量损失。二者水平放置，外部再包裹玻璃纤维棉和玻璃纤维外壳，减少热量损失。实验过程中，冷却水温度控制在20 ℃，流量分别设置为100、200、400 mL/min。加热功率分别设置为50、75、100 W。

图7 蒸汽腔传热性能实验装置实物图

2 数据整理及误差分析

传热性能实验中用到的主要装置及其参数如表1 所示，热电偶经过标定精度为0.1 ℃。针对每个不同的工况至少进行3 次重复性实验。

表1 传热性能测试实验台主要装置参数

温度数据由T 型热电偶进行测量，并通过数据采集仪获得，实验过程中每次改变工况后都需等待系统重新恢复稳态。选取连续的20 个采样点(经过时间200s)，当所有温度测点在这20 个采样点上的相对标准差都小于0.5 %时，系统达到稳态。取所有温度测点的平均值作为蒸汽腔的工作温度：

实验过程中的散热损失可以通过比较稳压直流电源的输入功率以及冷却水带走的热量得到。电源的输入功率为：

式中：U和I分别为电源的输出电压和电流。冷却水带走的热量可以表示为：

式中：qV为冷却水的体积流量，ρ为冷却水入口处的密度，cp为冷却水Tin到Tout的平均比热容，Tin和Tout分别为冷却水进出口的温度。Qc也代表了液冷蒸汽腔实际的散热量。

整个实验系统的散热损失为：

液冷蒸汽腔的热阻R表征了其传热能力，可以通过下式确定：

式中：Te为液冷蒸汽腔加热面的平均温度，Tc为冷却水的平均温度。

上述通过公式推导的间接参量的合成不确定度根据下式算得：

其中，y为受n个不确定度分量影响的间接参量。

当实验测得的温度和流量分别为20℃和200 mL/min 时，对应的最大不确定度分别为2.5 %、5 %。根各项间接测量合成不确定度如表2 所示。

表2 间接测量不确定度表

根据式(5)算得的液冷蒸汽腔在不同加热功率下的平均散热损失为2.65 %到3.95 %，认为装置的绝热性良好，忽略散热损失带来的影响。

3 实验结果与讨论

3.1 液冷蒸汽腔的热响应特性

图8 给出了液冷蒸汽腔在不同工况下工作温度随时间的变化。其工作温度通过取所有温度测点的平均值得到，反映了加热面处的整体温度。当加热功率调节后，液冷蒸汽腔的工作温度急剧变化，并迅速达到稳态，根据冷却水流量以及加热功率的不同，其启动时间为40 至80 s，有着良好的热响应性能。从图8 中也能看出，随着冷却水流量的增加，液冷蒸汽腔的工作温度降低，稳态后工作温度的稳定性也能提高，例如，当加热功率达到100 W 后，对于流量较小的情况，由于恒温水浴箱流量的波动，当液冷蒸汽腔达到稳态后依然会有±0.5 ℃的温度波动，流量为400 mL/min 的工况下这一现象不明显。

图8 不同工况下液冷蒸汽腔工作温度随时间变化

在加热功率为100 W 的工况下，当冷却水流量从100 mL/min 提高到200 mL/min 后，液冷蒸汽腔的平均温度下降了约7 ℃，而当流量进一步提高到400 mL/min 后平均温度只下降了约3 ℃，说明此时冷却水的流量已经接近冷却极限，其对流热阻在总热阻中占比较低。

3.2 液冷蒸汽腔的温度分布

图9 给出了液冷蒸汽腔加热面以及冷却水在轴向的温度分布，热电偶如图6 所示布置，其中坐标为0 和8 cm 的测点分别代表了冷却水的进出口温度Tin和Tout，中间的测点通过对5 组热电偶每组取平均值获得。在冷却水流量较低的工况下，冷却水两端会有明显的温升，液冷蒸汽腔温度沿冷却水流动方向有明显的升高。而当冷却水流量较高时，冷却水轴向的温升较低，此时冷却水的入口效应比较明显，液冷蒸汽腔在靠近冷却水入口处有一个小的温升。

图9 液冷蒸汽腔加热面以及冷却水的温度分布

此外，随着冷却水轴向温度的提高，蒸汽腔壁面的温差也逐渐增加，最高温度点出现在靠近冷却水出口处，为避免局部温度过高而导致电子器件失效，特别需要关注该点的温度。在加热功率为100 W，冷却水流量为100 mL/min 的情况下，该位置处的最高温度达到了54.07 ℃，考虑到电子器件核心处的温度会比基板高，加热面处的温度不宜过高。当流量提高到200 mL/min 和400 mL/min 后，该处平均温度分别下降6.88 ℃和4.95℃；而当加热功率减少至75 W 和50 W 后，该处平均温度分别下降7.32 ℃和8.10 ℃。

3.3 液冷蒸汽腔与微通道液冷的传热性能对比

为比较液冷蒸汽腔与微通道液冷的传热性能，采用相同的铝型材作为微通道液冷散热器，共有15 个液冷微通道，内部的传热原理只涉及液体对流换热，不存在工质的相变传热。为比较两者传热性能，控制冷却水的体积流量相同，在相同的加热功率下，两者冷却水的出口温度相近。

图10 给出了液冷蒸汽腔与微通道液冷在不同工况下热阻的对比。可以看到，提高冷却水的流量，两者的热阻均有明显降低。提高加热功率，微通道液冷的热阻变化不明显，而液冷蒸汽腔由于加热功率的提高，工质的蒸发量增加，热阻在实验工况范围内有明显的降低。

图10 热阻随冷却水流量变化

图11 给出了在冷却水流量为100 mL/min 下两者的温度分布曲线，可以看到液冷蒸汽腔轴向的温升要明显低于微通道液冷，表明其具有良好的均温性。其最高温度也明显低于微通道液冷，并且随着加热功率的升高两者的差距逐渐增大。在50W、75W 以及100 W 的加热功率下液冷蒸汽腔的最高温度相比微通道液冷分别降低了0.20℃、1.44℃以及3.40 ℃。

4 结论

本文提出了一种新型的结合蒸汽腔与液冷散热的热管理方案，设计并制备了相应的液冷蒸汽腔试样，对其进行了传热性能测试并与传统的液冷散热进行传热性能对比，得出以下结论：

1)制备的液冷蒸汽腔均温性能好，结构简单，加工简便，可靠性高，满足散热器薄型设计的要求。

2)液冷蒸汽腔不同工况下的启动时间在40至80 s，热响应性能良好。

3)在加热功率为100 W，冷却水流量为100 mL/min 的工况下，蒸汽腔的最高温度相比微通道液冷可以降低了3.40 ℃。