大功率电力电子设备用微槽道系统实验研究

胡 晓，林贵平，王宇鹏，叶 青，宗 波，乔尔敏

(1．国网智能电网研究院，北京100192;2．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191; 3．辽宁省电力有限公司阜新供电公司，辽宁阜新123000)

大功率电力电子设备用微槽道系统实验研究

胡 晓1，林贵平2，王宇鹏3，叶 青3，宗 波1，乔尔敏1

(1．国网智能电网研究院，北京100192;2．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191; 3．辽宁省电力有限公司阜新供电公司，辽宁阜新123000)

为同时满足大功率电力电子设备高热流密度散热及被冷却表面低温的要求，设计搭建了闭式真空微槽道制冷系统，对去离子水在负压下进行了实验研究。微槽道散热器包含17条尺寸为0.6mm(W)×2mm(D)×20mm(L)的微槽道，材料为无氧铜。实验工况为进口压力Pin=38.9～166.8kPa，流量V=3.2～20L/h，质量流速G=42～262kg/m2s，热流密度q″=6.6～220W/cm2。实验结果表明IGBT壳温随压力的减小而减小，平均换热系数随压力的减小而增大，验证了负压两相系统的优势，在发热面温度低于80℃的情况下实现了热流密度100W/cm2。

绝缘栅双极晶体管;微槽道;流动沸腾;负压;传热

1 引言

随着电力半导体器件的飞速发展，电力电子技术越来越趋向于大容量化和微小型集成化，这一点在电力系统中尤为突出，由此带来的最显著的问题就是器件及装置的高功率密度散热问题。以高功率绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)为例，如图1所示，其安全工作的温度范围仅在80℃以内，而在开关频率5kHz、直流电压1000V的工作条件下，铜基板平均热流密度已达10W/cm2，芯片部分局部热流密度更是高达50W/ cm2。大量的热若得不到及时排散，将会导致芯片温度超过允许的最高结温，从而影响其稳定性和可靠性，甚至因过热而发生永久性损坏。传统的热控技术一方面很难实现高热流密度散热，另一方面需要占用很大的散热空间，难以满足要求。因此，在实际应用中元器件往往降额运行以保证安全性，但这造成了极大的浪费，增加了总体成本。

在此背景下，微槽道冷却技术应运而生。微槽道散热器具有高表体比的特征，使得其仅需很小的体积就能带走大量的热，非常适合对散热量要求大和空间要求苛刻的场合。随着槽道当量直径的减小，可以获得很高的换热系数，尤其是在有相变的情况下，微槽道冷却系统还能更好地满足温度均匀性要求。

图1 IGBT内部芯片分布图Fig．1 Diagram of chips location inside IGBT

关于微槽道的研究大都是针对工质水展开的，水的汽化潜热大，几乎是其他许多常用工质的10～20倍，但水的标准沸点超过了许多设备所能承受的最高温度，因此可使其在负压下运行以降低沸点。由于真空系统要求具有很好的密封性，在地面进行真空实验难度很大，国内外对其研究还非常少。目前，关于系统压力对大槽道［1-5］和微槽道［6-16］中流动沸腾的影响已有不少研究，包括系统压力对流型和压降［10］、换热系数［2-4，7，8，11，12］、临界热流密度［9，13-15］、临界干度［17］和壁面过热度［3，6，11，16］等的影响。其中部分研究发现一个较低的系统压力会削弱换热效果［4，8，11，12］，而部分研究结果却正好相反［3，17，18］，还有部分研究发现系统压力对换热效果的影响还与其他一些因素有关，包括干度［2］、质量流速［9，13-15］、压力［9］、工质物性［15］、过冷沸腾与饱和沸腾［7］以及槽道的深宽比［13］等。

针对应用于大功率电力电子设备的背景，以保证高功率IGBT壳温低于80℃并实现50W/cm2散热为指标，本文对闭式负压微槽道系统内水的流动沸腾进行了系统的实验研究，分析了热流密度、工质流量、系统压力对系统换热性能的影响。

2 实验系统

微槽道冷却系统示意图如图2所示。

图2 微槽道系统示意图Fig．2 Schematic of micro-channel experimental system

储液器内的过冷工质经微流量泵加压进入微槽道散热器，吸收微槽道表面的热量形成气液两相混合物，再流经蛇形管冷凝器冷却为过冷液体，之后进入储液器，从而形成一个循环。核心部件微槽道散热器由无氧铜加工而成，微槽道的截面尺寸为0.6mm×2mm，当量直径Dh为0.92mm，对于工质水，在标准大气压下其对应的限制数(Confined number)Co约2.7，属于微槽道的范畴(Co＞0.5［19］)。整个微槽道散热器的尺寸为32mm(W)×40mm(L) ×6.4mm(H)，微槽道部分面积为20mm×20mm，对应加热器的发热面积。高热流密度加热器用于模拟IGBT的发热面，其发热面温度对应 IGBT壳温TIGBT，发热面大小为20mm×20mm，如图2中部件3所示，较实际的IGBT尺寸小，用以研究微槽道散热器的工作特性和规律，在实际应用中可根据IGBT的尺寸灵活选择相应大小的微槽道散热器。使用多层隔热材料以减少加热器向环境的漏热。在加热器颈部的小柱上分布着3个测温点，用以计算加热器导向微槽道散热器底部的热流密度值。

3 数据处理

基于加热器颈部一维热传导的假设，根据测温点Ttc1、Ttc2和Ttc3(从下往上)即可通过傅里叶定律计算加热器导向微槽道散热器底部的热流密度，用以模拟IGBT的热流密度:

式中，λ为无氧铜导热系数;Zi为加热器颈部测温点到发热面的距离。微槽道壁面热流密度为:

式中，N为槽道个数;Wh为加热面宽度;Wch和Hch分别为微槽道的宽度和高度;微槽道出口处的热力学干度为:

式中，Ah为发热面面积;cp，l为工质比热;Tin和Tsat分别为工质入口温度和饱和温度;质量流量由测得的体积流量V计算。工质温度Tf由热平衡进行计算:

式中，z为流动方向上距入口的长度;G为质量流速:

局部过冷沸腾换热系数hsub计算为:

由单相实验测得系统的漏热小于6.9%。各参数的范围及不确定度见表1。

表1 各参数的范围及不确定度Tab．1 Experimental operating conditions and uncertainties

4 实验结果及分析

实验研究包括热流密度、流量及系统压力对稳态换热系数的影响。稳态换热系数取流动方向上中点处的局部换热系数。图3和图4分别为IGBT壳温和出口热力学干度随工质流量及热流密度的变化趋势。为减少微槽道内局部烧干和回流的现象，实验数据大部分集中在过冷沸腾区域。

图3 IGBT壳温随工质流量及热流密度的变化Fig．3 Steady-state IGBT surface temperature profile

图4 出口热力学干度随工质流量及热流密度的变化Fig．4 Exit thermodynamic equilibrium quality profile

从图3中可以看出，在将 IGBT壳温控制在80℃的前提下，本实验工况内最高可实现100W/ cm2的散热，且随着流量的增大可进一步提高热流密度，体现了微槽道冷却系统卓越的散热能力。

4.1 工质流量对微槽道换热性能的影响

系统初始压力为63～67kPa，环境温度为(24.8 ±1.5)℃的工况下，工质流量对过冷沸腾换热系数的影响如图5所示。本实验中，在相同的流量水平下，过冷沸腾的换热系数可以近似达到单相流动换热的两倍，极大地增强了换热。对于低流量，即V= 3.2L/h(G=42kg/m2s)，热流密度对换热系数的影响非常大，这与核态沸腾的特征相一致;对于中等流量，即V=8～12L/h(G=105～157kg/m2s)，热流密度和流量对换热系数均有一定程度的影响，这体现了从核态沸腾到对流沸腾的转变;对于高流量，即V =20 L/h(G=262 kg/m2s)，热流密度对换热系数的影响非常小，而流量对换热系数的影响较大，这与对流沸腾的特征相一致。

图5 热流密度和干度对沸腾换热系数的影响Fig．5 Subcooled flow boiling heat transfer coefficient as function of heat flux and exit quality

4.2 系统压力对微槽道换热性能的影响

图6所示为系统压力对过冷沸腾换热系数及热力学干度的影响。从图6中可以看出，在负压下过冷沸腾换热系数随着系统压力的增大而呈现出递减的趋势，这与文献［2，7，20］趋势相似，但也与文献［8，9］不同。其原因之一可能是负压下系统压力的变化对工质各物性的影响造成的。随着系统压力的增大，一方面液相和气相的密度比减小、比热增大，这有利于换热;另一方面，潜热降低、表面张力增大，将会削弱换热。因此，过冷沸腾换热系数既可能增大也可能减小，这取决于工质各物性的变化情况及其对过冷沸腾换热系数的影响。此外，随着系统压力的增大，工质的饱和温度升高，从而抑制了沸腾，这一点可以从图6中热力学干度变化趋势看出来，因此，对于槽道中某一个固定的点，工质的状态随着系统压力的增大很有可能从饱和沸腾的状态转变为过冷沸腾状态，而由此进一步引起的局部流型变化也可能对换热系数产生一定的影响。

图6 系统压力对局部过冷沸腾换热系数的影响Fig．6 Subcooled flow boiling heat transfer coefficient and local quality variation as function of system pressure

在实验中还发现，发热面温度随系统压力的升高而升高，表明采用负压微槽道系统有利于将IGBT壳温维持在更低的水平，能更好地保证元器件工作的安全性和可靠性。

5 结论

本文通过全面深入地实验研究验证了微槽道冷却系统应用于大功率电力电子装置的优势:

(1)在保证IGBT发热面温度低于80℃的情况下实现了热流密度100W/cm2，且随着流量的增大还可进一步提高热流密度;

(2)微槽道散热器体积小，成本低，占用元器件的空间小，且在低流量即能实现很大的散热量，具有低能耗、低工质消耗量的优点;

(3)微槽道散热器的高热流密度散热能力将使元器件满额运行成为可能，极大地降低总体成本。

致谢:本文中实验方案的制定和实验数据的测量记录工作是在北京航空航天大学林贵平教授及中国空间技术研究院苗建印、张红星等工作人员的大力支持下完成的，在此向他们表示衷心的感谢。

［1］Liu Z，Winterton R H S．A general correlation for saturated and subcooled flow boiling in tubes and annuli，based on a nucleate pool boiling equation［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，1991，34(11): 2759-2766．

［2］Lima R J，Quiben J M，Thome J R．Flow boiling in horizontal smooth tubes:new heat transfer results for R-134a at three saturation temperatures［J］．Applied Thermal Engineering，2009，29:1289-1298．

［3］Yina C P，Yana Y Y，Lina T F，et al．Subcooled flow boiling heat transfer of R-134a and bubble characteristics in a horizontal annular duct［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2000，43:1885-1896．

［4］Huo X，Chen L，Tian Y S，et al．Flow boiling and flow regimes in small diameter tubes［J］．Applied Thermal Engineering，2004，24:1225-1239．

［5］Agostini B，Bontemps A．Vertical flow boiling of refrigerant R134a in small channels［J］．International Journal of Heat and Fluid Flow，2005，26:296-306．

［6］Tran T N，Wambsganss M W，France D M．Small circular-and rectangular-channel boiling with two refrigerants［J］．International Journal of Multiphase Flow，1996，22 (3):485-498．

［7］Bao Z Y，Flectcher D F，Haynes B S．Flow boiling heat transfer of freon R11 and HCFC123 in narrow passages［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2000，43:3347-3358．

［8］Kosar A，Kuo C．Reduced pressure boiling heat transfer in rectangular microchannels with interconnected reentrant cavities［J］．Transactions of the ASME，2005，127: 1106-1114．

［9］Mudawar I，Bowers M B．Ultra-high critical heat flux (CHF)for subcooled water flow boiling–I:CHF data and parametric effects for small diameter tubes［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，1999，42: 1405-1428．

［10］Pamitran A S，Choi K I，J Oh T，et al．Characteristics of two-phase flow attern transitions and pressure drop of five refrigerants in horizontal circular small tubes［J］．International Journal of Refrigeration，2010，33:578-588．

［11］Lie Y M，Lin T F．Saturated flow boiling heat transfer and associated bubble characteristics of R-134a in a narrow annular duct［J］．International Journal of Heat and MassTransfer，2005，48:5602-5615．

［12］Bertsch S S，Groll E A，Garimella S V．Effects of heat flux，mass flux，vapor quality，and saturation temperature on flow boiling heat transfer in microchannels［J］．International Journal of Multiphase Flow，2009，35:142-154．

［13］Park J E，Thome J R．Critical heat flux in multi-microchannel copper elements with low pressure refrigerants［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2010，53:110-122．

［14］Wojtan L，Revellin R，Thome J R．Investigation of saturated critical heat flux in a single，uniformly heated microchannel［J］．Experimental Thermal and Fluid Science，2006，30:765-774．

［15］Mauro A W，Thome J R，Toto D，et al．Saturated critical heat flux in a multi-microchannel heat sink fed by a split flow system［J］．Experimental Thermal and Fluid Science，2010，34:81-92．

［16］Owhaib W，Martin-Callizo C，Palm B．Evaporative heat transfer in vertical circular microchannels［J］．Applied Thermal Engineering，2004，24:1241-1253．

［17］Lazarek G M，Black S H．Evaporative heat transfer，pressure drop and critical heat flux in a small vertical tube with R-113［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，1982，25(7):945-959．

［18］Hasan A，Roy R P，Kalra S P．Experiments on subcooled flow boiling heat transfer in a vertical annular channel［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，1990，33:2285-2293．

［19］Cornwell K，Kew P A．Boiling in small parallel channels［M］．London:Elsevier Applied Science，1993.624-638．

［20］Yuan M，Wei J，Xue Y，et al．Subcooled flow boiling heat transfer of FC-72 from Silicon chips fabricated with micro-pin-fins［J］．International Journal of Thermal Sciences，2009，48:1416-1422．

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 晓(1983-)，女，重庆籍，工程师，博士，研究方向为电力电子装置热设计、高功率密度散热技术研究;

林贵平(1966-)，男，湖北籍，教授，研究方向为强化传热技术、环境控制与生命保障技术、飞机防冰等。