射流微通道耦合高效散热器传热实验研究.pdf

第 21 卷 第 11 期2023 年 11 月Vol.21，No.11Nov.，2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology射流微通道耦合高效散热器传热实验研究潘瑶，刘欣，巩萌萌(北京宇航系统工程研究所，北京 100076)摘要：针对光导开关高重复频率运行时产生丝电流加热，使光导开关温度迅速超过材料最高允许使用温度，造成开关失效或损伤的难题，本文结合微通道散热技术和射流冷却技术的优点，设计了射流微通道耦合高效散热器。通过实验测试，对不同运行工况下射流微通道耦合高效散热器的传热特性进行了研究，并与美国进口的蜂窝型微通道散热器进行散热性能对比。实验结果表明：体积流量为 3 L/min 的情况下，射流微通道耦合高效散热器的换热系数超过 35 000 W/(K m2)，散热量高达 1 000 W，相比蜂窝型微通道散热器散热量提升了 45%。在测试流量下，随着体积流量的增加，射流微通道耦合高效散热器的平均换热系数接近线性增加，而蜂窝型微通道散热器的平均换热系数在大流量下却增加缓慢。此外，采用射流微通道耦合高效散热器冷却的热源面温度均匀性明显优于采用蜂窝型微通道散热器冷却的热源面温度均匀性，采用射流微通道耦合高效散热器的热源面温度波动能降低 58%，更有利于降低光导开关热应力。关键词：射流阵列；微通道；实验研究；光导开关中图分类号：TN015 文献标志码：Adoi：10.11805/TKYDA2021318Experimental research on heat transfer characteristics of micro-channel/Experimental research on heat transfer characteristics of micro-channel/jet impingement heat sinkjet impingement heat sinkPAN Yao，LIU Xin，GONG Mengmeng(Beijing Institute of Astronautics System Engineering，Beijing 100076，China)AbstractAbstract：During the period that the Photoconductive Semiconductor Switches(PCSS)is operating at a high repetition frequency,it generates filament current heating,then the temperature of the PCSS quickly exceeds the maximum operating temperature,causing the PCSS to fail or damage.Combining the advantages of microchannel heat sink and jet cooling technology,a high-efficiency micro-channel/jet impingement heat sink is designed.Through experimental tests,the heat transfer characteristics of the micro-channel/jet impingement heat sink under different operating conditions are studied,and the heat dissipation performance is compared with that of the honeycomb micro-channel heat sink imported from the United States.The experimental results show that when the volume flow rate is 3 L/min,the heat transfer coefficient of the micro-channel/jet impingement heat sink exceeds 35 000 W/(K m2),and the heat dissipation is as high as 1 000 W,which is higher than that of the honeycomb microchannel heat sink by 45%.Under the test flow rate,with the increase of the volume flow rate,the average heat transfer coefficient of the micro-channel/jet impingement heat sink approaches a linear increase.The average heat transfer coefficient of the honeycomb micro-channel radiator increases slowly at large flow rates.In addition,compared with the method that cooled by the honeycomb microchannel heat sink,the uniformity of the heat source temperature cooled by the micro-channel/jet impingement heat sink is significantly better,and it can reduce the temperature fluctuation of the heat source surface by 58%,which is more conducive to reduce the thermal stress of the PCSS.KeywordsKeywords：jet array;micro-channel;experimental research;Photoconductive Semiconductor Switches脉冲功率技术在高功率微波、强激光、生物医疗、污水处理等技术领域都有巨大应用潜力。但目前大多数文章编号：2095-4980（2023）11-1397-06收稿日期：2021-08-31；修回日期：2021-10-10太赫兹科学与电子信息学报第 21 卷脉冲功率系统都存在体积庞大且笨重的缺点，因此小型化、轻质化和高重频是脉冲功率系统的必然发展趋势1。在脉冲功率系统中，光导开关具有响应速度快、功率容量大、重复频率高、光电隔离、结构紧凑等优点，成为脉冲功率系统技术的重要研究内容2。光导开关主要以非线性模式导通，在光导开关非线性导通的过程中产生丝电流，丝内存在严重的电流加热。光导开关高重复频率运行时，丝内温度可能迅速超过材料最高允许使用温度，致使开关失效或损伤3。因此需要采用散热能力强、温度均匀性好的高效散热器对光导开关进行热量快速排散，保障光导开关长期稳定运行。微通道散热4技术和射流冷却技术5是目前散热能力较强的 2 种方式，也是处理激光、微波领域中高热流密度散热问题的重要发展方向6。但这 2 种技术也都有各自的缺点。射流冷却技术通过射流孔使工质垂直地冲击散热面，提高速度场与温度场的协同度来强化传热，但是其在射流冲击区外的换热能力急剧下降，导致设备发热表面温度变化剧烈；而微通道散热技术通过增加微肋片形成微通道，增大换热面积和加强工质扰动来强化传热，但工质沿流动方向的温度上升较大，出口附近传热恶化7，设备发热表面温度升高较快；这些均对散热不利。若能结合微通道散热技术和射流冷却技术的优点，弥补二者的缺点，不仅能提高换热性能，同时还能改善散热表面的温度均匀性。国内外研究人员对该散热技术进行了大量的仿真和实验研究8-15，结果表明射流微通道耦合的散热技术能够满足高热流密度的散热需求。但是目前研究的散热器总热排散能力较小，无法满足光导开关实际散热需求。本文针对光导开关实际使用中热耗较大，以及光导开关进一步发展带来的散热量不断增加的问题，研制了具有较大散热能力的射流微通道耦合高效散热器，通过搭建实验测试系统对射流微通道耦合高效散热器的传热和流动特性进行了研究，并与目前光导开关使用的相同散热尺寸的美国进口蜂窝型微通道散热器进行了性能对比。1实验装置介绍1.1 实验测试系统为测试射流微通道耦合高效散热器在不同工况下的传热和流动特性，设计了如图 1 所示的实验测试系统。系统包括冷却回路部分、模拟控制部分和测试部分。冷却回路部分由储液罐、驱动泵、被测散热器、换热器、冷水机组组成，是实验测试系统的主要组成部分，驱动泵驱动储液罐中的工质流过被测散热器，带走模拟热源传递过来的热量，工质温度升高，然后进入换热器中与冷水机组提供的低温流体进行换热，工质温度降低后再回到储液罐中。模拟控制部分由模拟热源、变压器、控制阀组成，用于控制模拟热源的加热热流和冷却回路中工质的体积流量。测试部分由流量计、功率表、差压变送器和热电偶组成，用于测量系统中流量、加热功率、压差和温度的实时变化。实验选用去离子水作为工质，去离子水具有比热容大、粘性小、无毒、相容性好等优点，是常温单相散热系统最常选用、换热效果最好的工质之一。1.2 射流微通道耦合高效散热器试件结合了微通道散热技术和射流冷却技术的射流微通道耦合高效散热器爆炸图如图 2 所示，散热器由进出口模块、射流孔模块和微通道模块 3 个模块组成。进 出 口 模 块 上 布 置 有 工 质 的 进 出 口 管，管 内 径 为4 mm；射流孔模块上分布有 9 列 8 行射流孔，靠近进口的 4 行射流孔直径为 1 mm，靠近出口的 4 行射流孔直径为 0.5 mm；微通道模块上分布有 9 列 8 行的肋片阵列，肋片高 2 mm，宽 1 mm，长 2.5 mm，两行肋片之间间隔 2.5 mm，两列肋片之间间隔 3 mm，肋片阵列构成了工质流动的微通道；3 个模块通过安装孔处的螺钉heatsource Pdifferential pressuretransmitter flowmeterpump TinToutTsTrTest piecetest piece storage tankheatexchangerchillerpowermeterFig.1 Schematic diagram of the experimental test system图1 实验测试系统原理图Micro channel moduleJet plate moduleImport and export moduleFinJet holeMounting holeImport pipeExport pipeexport pipeimport and export modulefinmicro channel modulejet holejet plate modulemounting holeimport pipeFig.2 Exploded view of micro-channel/jet impingement heat sink图2 射流微通道耦合高效散热器爆炸图1398第 11 期潘瑶等：射流微通道耦合高效散热器传热实验研究进行紧固连接形成一个整体，组合形成的射流微通道耦合高效散热器底部具有 16 cm2的正方形散热面积。图 3 为射流微通道耦合高效散热器原理图，可以看出工质从射流微通道耦合高效散热器入口进入进出口模块与射流孔模块间的集液腔后，经由射流孔喷射进入微通道区域，由于压力的作用，工质在微通道区域向出口方向流动，并与肋片进行换热，最后从出口流出散热器。1.3 模拟热源温度测量实验中使用顶部面积 4 cm4 cm 的紫铜块模拟电子设备的发热面。为了测量模拟热源不同位置的温度变化情况，在模拟热源表面下 2 mm 处加工了 16 个 1的小孔用于插入热电偶，热电偶温度测点如图 4 布置，通过将热电偶插入不同深度的安装孔中，测量模拟热源不同位置的温度。另外在射流微通道耦合高效散热器进出口位置也布置了温度测点。1.4 实验数据处理在射流微通道耦合高效散热器实验的流体回路系统在运行过程中，射流微通道耦合高效散热器排散的热量通过式(1)计算：Q=cpqv(Tout-Tin)(1)式中：Q 为射流微通道耦合高效散热器的总换热量；Tout、Tin分别为散热器进出口工质的温度；qv为工质的体积流量；cp为工质比容；为工质密度。散热器的散热能力用平均换热系数 h 进行评价，其由式(2)求得：h=QA(Twall-Tf)=cpqv(Tout-Tin)A(Twall-Tf)(2)式中：Twall为散热器散热面的平均温度；Tf为散热器进出口工质温度的平均值；A 为散热面面积。2实验结果分析2.1 射流微通道耦合高效散热器性能分析实验测试中采用去离子水为工质，入口温度为 20，实验测试了不同体积流量，加热功率自 200 W 始以200 W 为阶梯逐步增加至 1 000 W，射流微通道耦合高效散热器的流动与传热特性。图 5 为射流微通道耦合高效散热器在体积流量为 2.5 L/min时，工质入口和出口温度、热源面平均温度、散热器底面平均温度随时间的变化情况。从图中可以看出，随着加热功率阶梯式的递增，模拟热源温度、散热面温度和工质出口温度均明显呈阶梯上升，热源面与散热面间的温差也越来越大。这是因为在相同的体积流量下，散热器的换热能力相对比较稳定，随着加热功率的增加会使工质与热源之间的换热温差增大，而模拟热源与散热面之间存在接触热阻，二者之间的温差也随加热功率的增大而增大。在模拟热源加热功率改变后，散热器各处温度迅速上升，在 1 min 左右温度达到稳定，M icro channelJet plateC ollection cham bercollection chamberjet plateFig.3 Schematic diagram of micro-channel/jet impingement heat sink图3 射流微通道耦合高效散热器原理图1234567891011121314151651010221010522Fig.4 Distribution of simulated heat source temperature measurement图4 模拟热源温度测点分布图 10203040506010203040506070temperature/time/min heat source heat sink bottom inlet outlet200 W400 W600 W800 W1 000 WFig.5 Temperature of the measuring point changing with time图5 测点温度随时间变化情况1399太赫兹科学与电子信息学报第 21 卷证明射流微通道耦合高效散热器在使用去离子水做为工质时具有较好的热响应性能。图 6 对比了射流微通道耦合高效散热器的平均换热系数和进出口之间的压差随体积流量的变化情况。从图中可以看出，随着工质体积流量的增大，射流微通道耦合高效散热器的平均换热系数和进出口压差都不断提高，但二者中平均换热系数随体积流量变化的趋势接近线性关系，进出口压差的增加幅度却随体积流量的增大而提高。这是由于体积流量增加，加大了射流孔中工质射流冲击的速度，有效破坏了底部工质分层，减薄了热边界层；加大了微通道内工质的流动速度，增加了工质的扰动；共同改善了散热器内的换热，在体积流量为 3 L/min 的条件下，射流微通道耦合高效散热器的换热系数超过 35 000 W/(Km2)。但流速的增加也增大了工质在散热器内的局部阻力和沿程阻力，使得进出口压力增大。2.2 对比蜂窝型微通道散热器为了对比射流微通道耦合高效散热器的散热性能，对美国进口的具有相同散热面积的蜂窝型微通道散热器进行了同样工况下的散热性能测试。蜂窝型微通道散热器相比肋片结构的微通道散热器散热面积更大，在相同流量下蜂窝微通道散热器换热效果更好。实验测试中同样采用去离子水为工质，测试了相同体积流量范围内，加热功率自 200 W 始以200 W 为阶梯逐步增加至 800 W，蜂窝型微通道散热器的散热能力。如图 7 所示蜂窝型微通道散热器在体积流量为 2.5 L/min 时，其工质出口温度、热源面平均温度、散热器底面平均温度随时间的变化情况与射流微通道耦合高效散热器相似，都随加热功率的增加而增加，热源面与散热面间的温差也越来越大。但在相同的加热功率下，使用蜂窝型微通道散热器的模拟热源面温度高于使用射流微通道耦合高效散热器的模拟热源面温度，因此射流微通道耦合高效散热器的散热能力优于蜂窝型微通道散热器的散热能力。图 8 对比了射流微通道耦合高效散热器和蜂窝型微通道散热器的平均换热系数随工质体积流量的变化情况。从图中可以看出，除了在体积流量为 0.5 L/min 时，蜂窝型微通道散热器的平均换热系数略大于射流微通道耦合高效散热器的平均换热系数外，射流微通道耦合高效散热器的平均换热系数都明显大于蜂窝型微通道散热器的平均换热系数。而且随着体积流量的增大，由于蜂窝型微通道散热器的散热能力趋向极限，而射流微通道耦合高效散热器的平均换热系数仍不断增加，导致二者之间的差距不断扩大。因此射流微通道耦合高效散热器在大流量下相比蜂窝型微通道散热器的散热能力更强，而且射流微通道耦合高效散热器具有更大的散热潜力，能够满足更大功率的热排散需求。图 9 对比了在工质体积流量为 2.5 L/min，加热功率为800 W 时，分别采用射流微通道耦合高效散热器和蜂窝型微通道散热器冷却的加热面，其温度测量值与平均值之差。图中 T=0 的直线代表加热面的平均温度。从图中可以看出，采用射流微通道耦合高效散热器冷却的加热面温度各测点温度分布更均匀，测点温度与平均温度之间的偏差在-1.16,1.25 之间。而采用蜂窝型微通道散热器冷却的加热面温度各测点温度与平均温度之间的偏差范围为-2.47,3.30。00.51.01.52.02.53.03.55 00010 00015 00020 00025 00030 00035 00040 000 h/W/(Km2)heat transfer coefficient051015202530 pressure dropvolume flow rate/(L/min)pressure drop/kPaFig.6 Heat transfer coefficient,inlet and outlet pressure difference changing with flow rate图6 换热系数和进出口压差随流量的变化情况 05101520253035404515202530354045505560 heat source heat sink bottom inlet outlettime/min200 W400 W600 W800 Wtemperature/Fig.7 Temperature of the measuring point changing with time图7 测点温度随时间变化情况 0123415 00020 00025 00030 00035 00040 000qv/(L/min)micro-channel/jet impingement heat sink honeycomb heat sinkh/W/(Km2)Fig.8 Heat transfer coefficient changing with flow rate图8 换热系数随流量的变化情况1400第 11 期潘瑶等：射流微通道耦合高效散热器传热实验研究采用射流微通道耦合高效散热器的热源面温度波动范围相比采用蜂窝型微通道散热器的热源面温度波动范围降低了 58%，因此，射流微通道耦合高效散热器相比蜂窝型微通道散热器能够有效改善散热表面的温度均匀性。3结论通过对射流微通道耦合高效散热器进行实验研究，以及对比进口蜂窝型微通道散热器的散热性能，得到以下主要结论：1)随着流量的增大，射流微通道耦合高效散热器的平均换热系数和流动阻力均会增大，而且在实验测试的流量范围内，换热系数随体积流量的变化呈线性关系。因此，在实验条件下，增大体积流量能够有效提高射流微通道耦合冷却系统的散热能力，在热源面温度不超过 65 的情况下，射流微通道耦合高效散热器的散热量高达 1 000 W，而且进一步提高体积流量，射流微通道耦合高效散热器的换热系数还有大量提升的空间。为光导开关性能的进一步提升提供了广阔的上升空间。2)射流微通道耦合高效散热器除了在小于0.8 L/min的流量下的散热能力略逊于蜂窝型微通道散热外，在其他流量下，射流微通道耦合高效散热器的散热能力均大于进口的蜂窝型微通道散热。在体积流量为3 L/min时，射流微通道耦合高效散热器的平均换热系数相比蜂窝型微通道散热提升了45%。而且随着体积流量的增加，射流微通道耦合高效散热器的散热优势还不断扩大，表明射流微通道耦合高效散热器的散热潜力远大于蜂窝型微通道散热。3)射流冷却技术与微通道散热技术相结合还能有效改善热源面的温度均匀性。相比采用蜂窝型微通道散热的热源面，采用射流微通道耦合高效散热器的热源面温度差距降低了 58%，能够有效降低光导开关的热应力。参考文献：1 谌怡,夏连胜,王卫,等.基于光导开关和平板线的固态脉冲功率技术J.太赫兹科学与电子信息学报,2014,12(1):32-36.(SHEN Yi,XIA Liansheng,WANG Wei,et al.Solid-state pulsed power technology based on PCSS and planar linesJ.Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology,2014,12(1):32-36.)doi:10.11805/TKYDA201401.0032.2 姜苹,谢卫平,李洪涛,等.基于GaAs光导开关的纳秒脉冲源设计J.太赫兹科学与电子信息学报,2012,10(6):744-747,770.(JIANG Ping,XIE Weiping,LI Hongtao,et al.Design of nanosecond pulsed power source based on GaAs PCSSJ.Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology,2012,10(6):744-747,770.)3 赵越,谢卫平,李洪涛,等.影响高功率光导开关临界频率热因素的数值分析J.强激光与粒子束,2010,22(11):2778-2782.(ZHAO Yue,XIE Weiping,LI Hongtao,et al.Numerical simulation on factors affecting critical frequency of high-power photoconductive semiconductor switchJ.High Power Laser and Particle Beams,2010,22(11):2778-2782.)doi:10.3788/HPLPB20102211.2778.4 TUCKERMAN D B,PEASE R F W.High-performance heat sinking for VLSIJ.IEEE Electron Device Letters,1981,2(5):126-129.5 ROBINSON A J,SCHNITZLER E.An experimental investigation of free and submerged miniature liquid jet array impingement heat transferJ.Experimental Thermal and Fluid Science,2007,32(1):1-13.doi:10.1016/j.expthermflusci.2006.12.006.6 张乐,刘小刚,闭治跃,等.高功率激光装置高热流密度散热技术探讨J.环境技术,2018,36(2):82-88.(ZHANG Le,LIU Xiaogang,BI Zhiyue,et al.Reviews of heat dissipation technology with high heat flux for high-power laser systemJ.Environmental Technology,2018,36(2):82-88.)doi:10.3969/j.issn.1004-7204.2018.02.018.7 潘瑶,李林,陈彬彬,等.前疏后密叉排微细通道热沉特性研究J.工程热物理学报,2013,34(4):733-737.(PAN Yao,LI Lin,CHEN Binbin,et al.Research on fluid flow and heat transfer of staggered fin mini-channel heat sinks with frontal sparser and rear denser arrangementJ.Journal of Engineering Thermophysics,2013,34(4):733-737.)8 SUNG M K,MUDAWAR I.Single-phase and two-phase cooling using hybrid micro-channel/slot-jet moduleJ.International Journal of Heat and Mass Transfer,2008,51(15/16):3825-3839.doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.12.015.9 SUNG M K,MUDAWAR I.Single-phase and two-phase heat transfer characteristics of low temperature hybrid micro-channel/micro-jet impingement cooling moduleJ.International Journal of Heat and Mass Transfer,2008,51(15/16):3882-3895.doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.12.016.10 SUNG M K,MUDAWAR I.Single-phase and two-phase hybrid cooling schemes for high-heat-flux thermal management of 0123456789 10 11 12 13 14 15 16 17-3-2-1012345 micro-channel/jet impingement heat sink honeycomb heat sinkT/point numberFig.9 Difference between the measured point temperature and the average value图9 测点温度与平均值之差1401太赫兹科学与电子信息学报第 21 卷defense electronicsJ.Journal of Electronic Packaging,2009,131(2):021013.doi:10.1115/1.3111253.11 THIAGARAJAN S J,NARUMANCHI S,KING C,et al.Enhancement of heat transfer with pool and spray impingement boiling on microporous and nanowire surface coatingsC/2010 the 14th International Heat Transfer Conference.Washington,DC,USA:ASME,2010:819-828.doi:10.1115/IHTC14-23284.12 GUO D,WEI J J,ZHANG Y H.Enhanced flow boiling heat transfer with jet impingement on micro-pin-finned surfacesJ.Applied Thermal Engineering,2011,31(11/12):2042-2051.doi:10.1016/j.applthermaleng.2011.03.017.13 朱丽瑶,曹建光,董丽宁,等.航天器高热流射流冷却技术研究综述J.上海航天,2016,33(2):106-112.(ZHU Liyao,CAO Jianguang,DONG Lining,et al.Review on jet impingement technology for spacecraft high-heat-flux removalJ.Aerospace Shanghai,2016,33(2):106-112.)doi:10.19328/ki.1006-1630.2016.02.020.14 潘瑶,刘欣.高功率微波装置散热热沉传热流动特性J.太赫兹科学与电子信息学报,2019,17(4):661-665.(PAN Yao,LIU Xin.Heat transfer and flow characteristics of heat sink in high power microwave devicesJ.Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology,2019,17(4):661-665.)doi:10.11805/TKYDA201904.0661.15 崔海川,刘志春,刘伟.射流-斜肋复合微通道热沉的数值模拟与实验研究J.工程热物理学报,2020,41(11):2774-2781.(CUI Haichuan,LIU Zhichun,LIU Wei.Numerical simulation and experimental study of a hybrid inclined finned jet impingement/microchannel heat sinkJ.Journal of Engineering Thermophysics,2020,41(11):2774-2781.)作者简介：潘 瑶(1989-)，女，硕士，高级工程师，主要研究方向为小空间大功率高效散热技术.email:.巩萌萌(1985-)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为电子设备热控系统设计.刘 欣(1978-)，男，博士，研究员，主要研究方向为航天热控设计、电子器件散热等.17 ZHAO B,WU T,FANG F,et al.Prediction method of 5G high-load cellular based on BP neural networkC/2022 the 8th International Conference on Mechatronics and Robotics Engineering(ICMRE).Munich,Germany:IEEE,2022:148-151.doi:10.1109/ICMRE54455.2022.9734086.18 CORTES C,VAPNIK V.Support-vector networksJ.Machine Learning,1995,20(3):273-297.doi:https:/doi.org/10.1007/BF00994018.19 杨翠虹.基于不同智能优化算法的 SVR 非线性集成模型在臭氧预测中的应用研究D.兰州:兰州大学,2022.(YANG Cuihong.Application of SVR nonlinear integrated models based on different intelligent optimization algorithms for ozone predictionD.Lanzhou,Gansu,China:Lanzhou University,2022.)20 SPECHT D F.A general regression neural networkJ.IEEE Transactions on Neural Networks,1991,2(6):568-576.doi:10.1109/72.97934.作者简介：周晓雅(1996-)，女，在读博士研究生，主要研究方 向 为 电 磁 兼 容、机 器 学 习 和 集 成 电 路.email:.石丹(1981-)，女，博士，教授，主要研究方向为电磁兼容、超宽带无线通信、移动互联网.张朋(1996-)，男，在读硕士研究生，主要研究方向为电磁兼容、机器学习和集成电路.马红兵(1967-)，男，硕士，教授级高级工程师，主要研究方向为宽带移动通信技术、综合网络接入技术、移动终端与物联网.钟志刚(1967-)，男，硕士，教授级高级工程师，主要研究方向为微波技术、卫星通信系统和无线通信.马 俊(1983-)，男，硕士，工程师，主要研究方向为集成电路、机器学习和信号处理.张方建(1979-)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为机器学习和通信基础设施运用管理.（上接第1363页）1402