胡 曉，林貴平，王宇鵬，葉 青，宗 波，喬爾敏

(1．國網智能電網研究院，北京100192;2．北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京100191; 3．遼寧省電力有限公司阜新供電公司，遼寧阜新123000)

大功率電力電子設備用微槽道系統實驗研究

胡 曉1，林貴平2，王宇鵬3，葉 青3，宗 波1，喬爾敏1

(1．國網智能電網研究院，北京100192;2．北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京100191; 3．遼寧省電力有限公司阜新供電公司，遼寧阜新123000)

為同時滿足大功率電力電子設備高熱流密度散熱及被冷卻表面低溫的要求，設計搭建了閉式真空微槽道制冷系統，對去離子水在負壓下進行了實驗研究。微槽道散熱器包含17條尺寸為0.6mm(W)×2mm(D)×20mm(L)的微槽道，材料為無氧銅。實驗工況為進口壓力Pin=38.9～166.8kPa，流量V=3.2～20L/h，質量流速G=42～262kg/m2s，熱流密度q″=6.6～220W/cm2。實驗結果表明IGBT殼溫隨壓力的減小而減小，平均換熱系數隨壓力的減小而增大，驗證了負壓兩相系統的優(yōu)勢，在發(fā)熱面溫度低于80℃的情況下實現了熱流密度100W/cm2。

絕緣柵雙極晶體管;微槽道;流動沸騰;負壓;傳熱

1 引言

隨著電力半導體器件的飛速發(fā)展，電力電子技術越來越趨向于大容量化和微小型集成化，這一點在電力系統中尤為突出，由此帶來的最顯著的問題就是器件及裝置的高功率密度散熱問題。以高功率絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)為例，如圖1所示，其安全工作的溫度范圍僅在80℃以內，而在開關頻率5kHz、直流電壓1000V的工作條件下，銅基板平均熱流密度已達10W/cm2，芯片部分局部熱流密度更是高達50W/ cm2。大量的熱若得不到及時排散，將會導致芯片溫度超過允許的最高結溫，從而影響其穩(wěn)定性和可靠性，甚至因過熱而發(fā)生永久性損壞。傳統的熱控技術一方面很難實現高熱流密度散熱，另一方面需要占用很大的散熱空間，難以滿足要求。因此，在實際應用中元器件往往降額運行以保證安全性，但這造成了極大的浪費，增加了總體成本。

在此背景下，微槽道冷卻技術應運而生。微槽道散熱器具有高表體比的特征，使得其僅需很小的體積就能帶走大量的熱，非常適合對散熱量要求大和空間要求苛刻的場合。隨著槽道當量直徑的減小，可以獲得很高的換熱系數，尤其是在有相變的情況下，微槽道冷卻系統還能更好地滿足溫度均勻性要求。

圖1 IGBT內部芯片分布圖Fig．1 Diagram of chips location inside IGBT

關于微槽道的研究大都是針對工質水展開的，水的汽化潛熱大，幾乎是其他許多常用工質的10～20倍，但水的標準沸點超過了許多設備所能承受的最高溫度，因此可使其在負壓下運行以降低沸點。由于真空系統要求具有很好的密封性，在地面進行真空實驗難度很大，國內外對其研究還非常少。目前，關于系統壓力對大槽道［1-5］和微槽道［6-16］中流動沸騰的影響已有不少研究，包括系統壓力對流型和壓降［10］、換熱系數［2-4，7，8，11，12］、臨界熱流密度［9，13-15］、臨界干度［17］和壁面過熱度［3，6，11，16］等的影響。其中部分研究發(fā)現一個較低的系統壓力會削弱換熱效果［4，8，11，12］，而部分研究結果卻正好相反［3，17，18］，還有部分研究發(fā)現系統壓力對換熱效果的影響還與其他一些因素有關，包括干度［2］、質量流速［9，13-15］、壓力［9］、工質物性［15］、過冷沸騰與飽和沸騰［7］以及槽道的深寬比［13］等。

針對應用于大功率電力電子設備的背景，以保證高功率IGBT殼溫低于80℃并實現50W/cm2散熱為指標，本文對閉式負壓微槽道系統內水的流動沸騰進行了系統的實驗研究，分析了熱流密度、工質流量、系統壓力對系統換熱性能的影響。

2 實驗系統

微槽道冷卻系統示意圖如圖2所示。

圖2 微槽道系統示意圖Fig．2 Schematic of micro-channel experimental system

儲液器內的過冷工質經微流量泵加壓進入微槽道散熱器，吸收微槽道表面的熱量形成氣液兩相混合物，再流經蛇形管冷凝器冷卻為過冷液體，之后進入儲液器，從而形成一個循環(huán)。核心部件微槽道散熱器由無氧銅加工而成，微槽道的截面尺寸為0.6mm×2mm，當量直徑Dh為0.92mm，對于工質水，在標準大氣壓下其對應的限制數(Confined number)Co約2.7，屬于微槽道的范疇(Co＞0.5［19］)。整個微槽道散熱器的尺寸為32mm(W)×40mm(L) ×6.4mm(H)，微槽道部分面積為20mm×20mm，對應加熱器的發(fā)熱面積。高熱流密度加熱器用于模擬IGBT的發(fā)熱面，其發(fā)熱面溫度對應 IGBT殼溫TIGBT，發(fā)熱面大小為20mm×20mm，如圖2中部件3所示，較實際的IGBT尺寸小，用以研究微槽道散熱器的工作特性和規(guī)律，在實際應用中可根據IGBT的尺寸靈活選擇相應大小的微槽道散熱器。使用多層隔熱材料以減少加熱器向環(huán)境的漏熱。在加熱器頸部的小柱上分布著3個測溫點，用以計算加熱器導向微槽道散熱器底部的熱流密度值。

3 數據處理

基于加熱器頸部一維熱傳導的假設，根據測溫點Ttc1、Ttc2和Ttc3(從下往上)即可通過傅里葉定律計算加熱器導向微槽道散熱器底部的熱流密度，用以模擬IGBT的熱流密度:

式中，λ為無氧銅導熱系數;Zi為加熱器頸部測溫點到發(fā)熱面的距離。微槽道壁面熱流密度為:

式中，N為槽道個數;Wh為加熱面寬度;Wch和Hch分別為微槽道的寬度和高度;微槽道出口處的熱力學干度為:

式中，Ah為發(fā)熱面面積;cp，l為工質比熱;Tin和Tsat分別為工質入口溫度和飽和溫度;質量流量由測得的體積流量V計算。工質溫度Tf由熱平衡進行計算:

式中，z為流動方向上距入口的長度;G為質量流速:

局部過冷沸騰換熱系數hsub計算為:

由單相實驗測得系統的漏熱小于6.9%。各參數的范圍及不確定度見表1。

表1 各參數的范圍及不確定度Tab．1 Experimental operating conditions and uncertainties

4 實驗結果及分析

實驗研究包括熱流密度、流量及系統壓力對穩(wěn)態(tài)換熱系數的影響。穩(wěn)態(tài)換熱系數取流動方向上中點處的局部換熱系數。圖3和圖4分別為IGBT殼溫和出口熱力學干度隨工質流量及熱流密度的變化趨勢。為減少微槽道內局部燒干和回流的現象，實驗數據大部分集中在過冷沸騰區(qū)域。

圖3 IGBT殼溫隨工質流量及熱流密度的變化Fig．3 Steady-state IGBT surface temperature profile

圖4 出口熱力學干度隨工質流量及熱流密度的變化Fig．4 Exit thermodynamic equilibrium quality profile

從圖3中可以看出，在將 IGBT殼溫控制在80℃的前提下，本實驗工況內最高可實現100W/ cm2的散熱，且隨著流量的增大可進一步提高熱流密度，體現了微槽道冷卻系統卓越的散熱能力。

4.1 工質流量對微槽道換熱性能的影響

系統初始壓力為63～67kPa，環(huán)境溫度為(24.8 ±1.5)℃的工況下，工質流量對過冷沸騰換熱系數的影響如圖5所示。本實驗中，在相同的流量水平下，過冷沸騰的換熱系數可以近似達到單相流動換熱的兩倍，極大地增強了換熱。對于低流量，即V= 3.2L/h(G=42kg/m2s)，熱流密度對換熱系數的影響非常大，這與核態(tài)沸騰的特征相一致;對于中等流量，即V=8～12L/h(G=105～157kg/m2s)，熱流密度和流量對換熱系數均有一定程度的影響，這體現了從核態(tài)沸騰到對流沸騰的轉變;對于高流量，即V =20 L/h(G=262 kg/m2s)，熱流密度對換熱系數的影響非常小，而流量對換熱系數的影響較大，這與對流沸騰的特征相一致。

圖5 熱流密度和干度對沸騰換熱系數的影響Fig．5 Subcooled flow boiling heat transfer coefficient as function of heat flux and exit quality

4.2 系統壓力對微槽道換熱性能的影響

圖6所示為系統壓力對過冷沸騰換熱系數及熱力學干度的影響。從圖6中可以看出，在負壓下過冷沸騰換熱系數隨著系統壓力的增大而呈現出遞減的趨勢，這與文獻［2，7，20］趨勢相似，但也與文獻［8，9］不同。其原因之一可能是負壓下系統壓力的變化對工質各物性的影響造成的。隨著系統壓力的增大，一方面液相和氣相的密度比減小、比熱增大，這有利于換熱;另一方面，潛熱降低、表面張力增大，將會削弱換熱。因此，過冷沸騰換熱系數既可能增大也可能減小，這取決于工質各物性的變化情況及其對過冷沸騰換熱系數的影響。此外，隨著系統壓力的增大，工質的飽和溫度升高，從而抑制了沸騰，這一點可以從圖6中熱力學干度變化趨勢看出來，因此，對于槽道中某一個固定的點，工質的狀態(tài)隨著系統壓力的增大很有可能從飽和沸騰的狀態(tài)轉變?yōu)檫^冷沸騰狀態(tài)，而由此進一步引起的局部流型變化也可能對換熱系數產生一定的影響。

圖6 系統壓力對局部過冷沸騰換熱系數的影響Fig．6 Subcooled flow boiling heat transfer coefficient and local quality variation as function of system pressure

在實驗中還發(fā)現，發(fā)熱面溫度隨系統壓力的升高而升高，表明采用負壓微槽道系統有利于將IGBT殼溫維持在更低的水平，能更好地保證元器件工作的安全性和可靠性。

5 結論

本文通過全面深入地實驗研究驗證了微槽道冷卻系統應用于大功率電力電子裝置的優(yōu)勢:

(1)在保證IGBT發(fā)熱面溫度低于80℃的情況下實現了熱流密度100W/cm2，且隨著流量的增大還可進一步提高熱流密度;

(2)微槽道散熱器體積小，成本低，占用元器件的空間小，且在低流量即能實現很大的散熱量，具有低能耗、低工質消耗量的優(yōu)點;

(3)微槽道散熱器的高熱流密度散熱能力將使元器件滿額運行成為可能，極大地降低總體成本。

致謝:本文中實驗方案的制定和實驗數據的測量記錄工作是在北京航空航天大學林貴平教授及中國空間技術研究院苗建印、張紅星等工作人員的大力支持下完成的，在此向他們表示衷心的感謝。

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Experimental study of flow boiling in microchannel system for high-heat-flux power electronic devices

HU Xiao1，LIN Gui-ping2，WANG Yu-peng3，YE Qing3，ZONG Bo1，QIAO Er-min1

(1．Smart Grid Research Institute，State Grid Corporation of China，Beijing 100192，China; 2．School of Aeronautical Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China;3．Fuxin Electric Power Distribution Company of Liaoning Electric Power Limited Company，Fuxin 123000，China)

Microchannel cooling system is a promising high heat flux cooling technique for applications，such as VLSI(very large scale integrated)circuits，high power semiconductors，next generation spacecrafts and laser thermal weapons，due to its compactness，large surface-to-volume ratio，high aspect ratio and minimal coolant usage especially under phase-change conditions．A closed-loop microchannels cooling system was developed to both increase the heat dissipating flux and help maintain a low device temperature．The microchannels heat sink was made of oxygen-free copper，and 17 parallel microchannels with the dimension of 0.6mm(W)×2mm(D)×20mm(L) were formed．Experiments were performed with de-ionized water that spanned the following conditions:entrance pressure of Pin=38.9～166.8kPa，flow rate of V=3.2～20L/h，mass velocity of G=42～262kg/m2s and heat flux of q″=6.6～220W/cm2．The experimental data showed that the IGBT surface temperature increased with system pressure，while heat transfer coefficients decreased with system pressure．When the IGBT surface was kept below 80℃，the maximum heat flux achieved 100W/cm2．

insulated gate bipolar transistor;microchannels;flow boiling;reduced pressure;heat transfer

TK124

A

1003-3076(2014)07-0023-05

2012-11-21

胡 曉(1983-)，女，重慶籍，工程師，博士，研究方向為電力電子裝置熱設計、高功率密度散熱技術研究;

林貴平(1966-)，男，湖北籍，教授，研究方向為強化傳熱技術、環(huán)境控制與生命保障技術、飛機防冰等。