功率元件浸沒式熱管換熱器試驗(yàn)研究

摘要：為提高功率元件浸沒式熱管換熱器的散熱性能，將功率元件不同程度地浸入到熱管換熱器的液態(tài)工質(zhì)中，開展重力熱管試驗(yàn)，研究不同浸沒方式下熱管換熱器的極限熱負(fù)荷，固定工質(zhì)液溫、功率元件和熱管換熱器接觸面的壁溫時(shí)熱管的換熱性能，冷風(fēng)側(cè)出口截面的均溫性。試驗(yàn)結(jié)果表明：直接利用工質(zhì)相變換熱將功率元件產(chǎn)生的熱量傳遞到外界，可以消除接觸式換熱中接觸面位置的高熱阻，最大限度地保障功率元件表面溫度的一致性；與接觸式換熱相比，真空狀態(tài)下浸沒式相變換熱能力顯著提高；工質(zhì)液溫以及功率元件壁溫可作為監(jiān)控浸沒式功率元件溫度的目標(biāo)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：熱管；功率元件；浸沒；試驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：TK124文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2024）06-0007-06

引用格式：褚禮亞，柴中華，奚俊彬，等.功率元件浸沒式熱管換熱器試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2024，41（6）：7-12.

CHU Liya，CHAI Zhonghua，XI Junbin，et al. Experimental study on power component immersed inside heat pipe［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（6）：7-12.

0 引言

熱管是一種高效的傳熱元件，隨著新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，如絕緣柵雙極晶體管（insulate gate bipolar transistor，IGBT）、芯片等功率元件體積越來越小，發(fā)熱量越來越大^[1-3]。目前在利用熱管元件散熱時(shí)，大都將功率元件貼合在熱管的蒸發(fā)段表面，并將導(dǎo)熱硅脂填充在功率元件與熱管換熱器壁面之間以填充孔隙、減小接觸熱阻^[4-7]。目前大部分導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)小于20 W/（m·K），不及純鋁導(dǎo)熱系數(shù)的十分之一，因此接觸熱阻已成為功率元件散熱過程中最大的熱傳遞瓶頸，如何突破這一瓶頸一直是大家關(guān)注的焦點(diǎn)^[8-10]。雖然導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)不斷提高，有些導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)已達(dá)40 W/（m·K），甚至更高，但性價(jià)比太低，不適宜大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用^[11-13]。另一種技術(shù)路線是采用冷噴銅技術(shù)，即在鋁換熱器表面采用冷噴銅工藝涂覆一層致密的銅，然后用錫焊工藝將功率元件的銅基板與熱管換熱器鋁材焊接在一起，這種接觸面導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)67 W/（m·K），導(dǎo)熱能力比導(dǎo)熱硅脂顯著提高，但與鋁的導(dǎo)熱系數(shù)約為237 W/（m·K）和銅的導(dǎo)熱系數(shù)約為400 W/（m·K）相比，仍有很大差距^[14-18]。

受限于接觸面的高熱阻，接觸式傳熱方式未能充分發(fā)揮熱管換熱器的傳熱潛能，目前功率元件的冷卻大都采用液冷方式，液冷方式分為接觸式液冷和直接液冷兩類，但隨著功率元件功率密度持續(xù)增大，單相液冷技術(shù)也無法滿足功率元件換熱需求，而且液冷方式主要利用冷卻液的顯熱，難以保障功率元件的溫度一致性^[19-21]。

也有采用常壓下浸沒式相變的冷卻方式，但很難選擇適合的最佳溫度和冷卻液。真空浸沒方式傳熱性優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于新能源汽車、無人機(jī)、風(fēng)光儲(chǔ)能、機(jī)器人、高鐵、國(guó)家電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、超算等領(lǐng)域的電池、IGBT、芯片等各種功率元件的熱管理。本文中采用真空狀態(tài)下的浸沒式相變換熱技術(shù)路線，將功率元件直接浸沒于熱管換熱器的液態(tài)工質(zhì)中，消除接觸熱阻的影響；并利用熱管的特性，根據(jù)功率元件最適宜的工作溫度選取不同的工質(zhì)，利用不同真空度下工質(zhì)沸點(diǎn)的變化調(diào)整最適宜的工作溫度，并對(duì)熱管換熱器進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究結(jié)果可以為換熱器的小型化、高效化、輕量化設(shè)計(jì)以及高散熱功率元件的高效散熱提供參考。

1 試驗(yàn)裝置及系統(tǒng)

1.1 熱管換熱器的設(shè)計(jì)與制造

功率元件可能應(yīng)用于溫度為-40 ℃的低溫環(huán)境，因此熱管工質(zhì)多選用R134a、R410a、R1234yf、R290等冷媒，鋁材是目前應(yīng)用最廣、性價(jià)比最高、技術(shù)最成熟的換熱器材料。考慮到冷媒在溫度為100 ℃左右工作時(shí)具有較高的飽和蒸氣壓，因此為確保較高的耐壓能力，換熱器多采用微通道或板翅封條結(jié)構(gòu)。

根據(jù)布置空間，熱管換熱器可設(shè)計(jì)為蒸發(fā)段與冷凝段分開的布置方式，也可設(shè)計(jì)為一體式結(jié)構(gòu)。如布置空間相對(duì)集中，熱管換熱器可采用重力熱管結(jié)構(gòu)，即利用蒸汽冷凝后的重力自行回到蒸發(fā)段，如此進(jìn)行重復(fù)循環(huán)。重力熱管結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)簡(jiǎn)單，無需增加泵來循環(huán)工質(zhì)，制造成本和運(yùn)行成本更具有競(jìng)爭(zhēng)力。重力熱管結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

熱管換熱器與功率元件的連接可采用焊接或機(jī)械密封方式。根據(jù)功率元件的具體結(jié)構(gòu)，可采用局部浸沒式（單面浸沒）、部分浸沒式（4個(gè)面浸沒）、主體浸沒式（5個(gè)面浸沒）以及完全浸沒式等不同結(jié)構(gòu)^[22-24]，接觸式及不同浸沒式熱管換熱器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)架及測(cè)試儀表

試驗(yàn)用儀器、儀表及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

使用恒溫油浴對(duì)熱電偶進(jìn)行標(biāo)定，恒溫油浴能夠提供穩(wěn)定的溫度環(huán)境，減少外部環(huán)境對(duì)標(biāo)定過程的影響，保證標(biāo)定結(jié)果準(zhǔn)確，提高標(biāo)定精度。熱電偶標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)如圖3所示。選用分辨率為0.01 ℃的水銀玻璃棒溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)溫度源，標(biāo)定溫度范圍覆蓋測(cè)試溫度。

對(duì)加熱棒進(jìn)行標(biāo)定，加熱棒功率標(biāo)定裝置如圖4所示，使用功率表實(shí)時(shí)監(jiān)控加熱功率。

試驗(yàn)時(shí)用加熱塊模擬功率元件，每個(gè)加熱塊設(shè)置5根加熱棒，每根加熱棒的功率為1 kW，加熱功率共計(jì)15 kW。按照熱管換熱器的結(jié)構(gòu)，在風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)熱管換熱器進(jìn)行最大換熱能力測(cè)試，測(cè)試不同風(fēng)速下熱管換熱器采用接觸式換熱跟不同浸沒方式下的最大換熱能力，風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖5所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 極限熱負(fù)荷試驗(yàn)研究

以熱管換熱器為研究對(duì)象，對(duì)接觸式換熱、部分浸沒（四面）以及主體浸沒（五面）方式進(jìn)行換熱極限試驗(yàn)研究，最大加熱功率為20 kW、風(fēng)速為5～15 m/s邊界條件下的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知：1）冷卻風(fēng)速為5 m/s時(shí)，采用接觸式換熱方式只能傳遞熱負(fù)荷（最大加熱功率）的20%，熱量增大到熱負(fù)荷的40%時(shí)出現(xiàn)熱失控；四面浸沒式換熱最高可承受熱負(fù)荷的60%，五面浸沒式換熱最高可承受熱負(fù)荷的70%。2）冷卻風(fēng)速為7 m/s時(shí)，四面浸沒式換熱最高可承受熱負(fù)荷的70%，五面浸沒式換熱最高可承受熱負(fù)荷的80%。3）冷卻風(fēng)速為15 m/s時(shí)，五面浸沒式換熱最高可承受熱負(fù)荷的100%即20 kW。4）相比接觸式換熱方式，浸沒式換熱的散熱能力大幅提高，且傳熱能力隨浸沒程度的提高相應(yīng)提高。這主要是因?yàn)榻]式換熱完全消除了接觸式換熱的熱阻，功率元件發(fā)熱面直接與工質(zhì)接觸，冷媒氣化后快速將熱量傳遞出去。這一研究結(jié)果可以為深入開展浸沒式熱管換熱提供方向和數(shù)據(jù)支撐，對(duì)功率元件散熱，采用浸沒式相變換熱技術(shù)路線不但可行，而且效果顯著，雖然在熱管換熱器密封環(huán)節(jié)還存在一定的難度和挑戰(zhàn)，但是可通過后續(xù)制造工藝的改進(jìn)得到彌補(bǔ)和完善，這也預(yù)示著這種技術(shù)路線在未來的產(chǎn)業(yè)化中有十分光明的應(yīng)用前景。

2.2 定液溫下不同換熱方式性能分析

熱管具有很高的真空度，因此冷媒在接觸到較小溫差的熱源后即開始相變傳熱過程。在環(huán)境溫度為32～36 ℃下進(jìn)行試驗(yàn)，分別以溫度為60、75 ℃兩個(gè)液溫作為設(shè)定控制目標(biāo)，比較單面浸沒式、五面浸沒式以及接觸式換熱方式的換熱情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：1）液溫為75 ℃時(shí)，相比五面浸沒式結(jié)構(gòu)，單面浸沒模式熱管需要輸入更多熱量，在風(fēng)速為3 ～12 m/s時(shí)，單面浸沒式熱管比五面浸沒式熱管的功率需多輸入6.7%～13.1%；熱管的輸入熱負(fù)荷功率數(shù)學(xué)模型呈一元二次多項(xiàng)式，以kW為單位的單面浸沒式熱管的功率模塊輸入功率的數(shù)值

P1=7v² + 1.557 5v + 2.081，（1）

式中： v為以 m/s為單位的冷卻風(fēng)速的數(shù)值。

以kW為單位的五面浸沒式熱管功率模塊輸入功率的數(shù)值

P2= 7v² + 1.374 8v + 2.227。（2）

2）液溫為60 ℃時(shí)與液溫為75 ℃時(shí)的結(jié)果類似，在為風(fēng)速3 ～12 m/s下，單面浸沒式比五面浸沒式熱管的功率需多輸入6.3%～7.7%。輸入熱負(fù)荷功率數(shù)學(xué)模型也呈一元二次多項(xiàng)式，以kW為單位的單面浸沒式熱管的功率模塊輸入功率的數(shù)值

P3= -0.026 3v² + 1.072 7v + 1.295 1。（3）

以kW為單位的五面浸沒式熱管功率模塊輸入功率的數(shù)值

P4= -0.019 1v² + 0.865 3v + 1.563 8。（4）

由于接觸式傳熱功率元件只有一個(gè)面通過導(dǎo)熱硅脂與熱管蒸發(fā)段壁面接觸，熱阻較高，因此要達(dá)到與熱管蒸發(fā)段工質(zhì)同樣的液溫，需要功率元件發(fā)出更多的熱量。但并不表明接觸式傳熱具有更高的傳熱能力，反而會(huì)使功率元件的核心部件芯片處于更高的溫度而導(dǎo)致其燒毀或壽命縮短。

僅以液溫衡量功率元件是否過熱無法對(duì)功率元件進(jìn)行有效熱管理，對(duì)于接觸式換熱模式，本文中增加了一項(xiàng)監(jiān)控指標(biāo)，即功率元件與熱管蒸發(fā)段接觸面之間的溫度。由于不同代級(jí)的IGBT功率元件可以承受的最高工作溫度有很大差異，本文中僅以某型IGBT為研究對(duì)象，以其封裝接觸面溫度不高于101.5 ℃為控制目標(biāo)。液溫為60 ℃時(shí)接觸式換熱接觸面溫度的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：除了風(fēng)速為3 m/s時(shí)接觸面溫度為96.4 ℃外，風(fēng)速為5、7、10、12 m/s下，接觸面最高溫度均超過101.5 ℃，最高達(dá)到了241.2 ℃，已明顯超過IGBT的承受溫度。

液溫為75 ℃，風(fēng)速為3 m/s時(shí)的接觸面溫度為166 ℃，風(fēng)速為5 m/s時(shí)的接觸面溫度高達(dá)211.3 ℃，遠(yuǎn)超過了101.5 ℃的監(jiān)控上限；風(fēng)速為7 m/s及更高風(fēng)速下的試驗(yàn)均因熱失控未能完成。

2.3 定壁溫?fù)Q熱研究

接觸式換熱模式下，控制接觸面溫度為101.5 ℃，分別在風(fēng)速為3、5、7、10、12 m/s時(shí)測(cè)試功率元件的最高發(fā)熱量，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：采用接觸式換熱結(jié)構(gòu)，由于接觸熱阻較高，傳熱功率大為受限，采用接觸冷卻模式時(shí)功率元件無法正常工作。

2.4 冷風(fēng)側(cè)出口截面均溫性

風(fēng)速分別為3、5、7、10、12 m/s，熱負(fù)荷為最大加熱功率的24%～100%時(shí)，單面浸沒以及主體五面浸沒換熱器在30種工況下冷風(fēng)出口截面的最大溫差如圖9所示。由圖9可知：?jiǎn)蚊娼]與主體五面浸沒換熱器冷風(fēng)出口截面的最大溫差為1.85 ℃，溫差多集中在0.6～1.4 ℃，表現(xiàn)出較好的出風(fēng)溫度均勻性，這也間接反映出五面浸沒式結(jié)構(gòu)的熱管換熱器內(nèi)腔同樣有著較好的均溫性。均溫性也可作為衡量換熱器設(shè)計(jì)是否合理的判據(jù)之一。

2.5 保護(hù)功率元件不過熱的監(jiān)控因素探討

根據(jù)前面的研究結(jié)果可以看出，可以采用兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制：一是功率元件與熱管換熱器接觸面的壁溫，另一個(gè)是熱管工質(zhì)的液溫。因浸沒式結(jié)構(gòu)暫未測(cè)試浸沒在液態(tài)工質(zhì)中的功率元件壁溫，還需通過更多試驗(yàn)進(jìn)行研究。

3 結(jié)論

1）相比熱管換熱器接觸式換熱，浸沒式換熱的散熱能力顯著提高，而且散熱能力隨著浸沒程度的提高而增大。

2）熱管換熱器腔體內(nèi)均溫性較好。

3）通過試驗(yàn)可以建立工質(zhì)液溫與功率元件壁溫之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)通過控制熱管工質(zhì)液溫保障功率元件不過熱的目標(biāo)。

該研究結(jié)果為熱管換熱器更小型化、更輕量化、更高效化提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，并對(duì)高功率密度的功率元件日益小型化、大散熱量的熱管理需求提供了更為有效的技術(shù)路線和解決方案。

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Experimental study on power component immersed inside heat pipe

CHU Liya1， CHAI Zhonghua^1，2， XI Junbin1， SHI Tingting1， LU Guodong^1，2，3*

1.Zhejiang Yinlun Thermal Management Systems of New Energy Co.， Ltd.， Tiantai 317200， China;

2.Zhejiang Yinlun Machinery Co.， Ltd.， Tiantai 317200， China;

3.Key Laboratory of Smart Thermal Management Science amp; Technology for Vehicles of Zhejiang Province， Tiantai 317200， China

Abstract：In order to improve the heat dissipation of the power element， the power element is immersed in the liquid working medium of the heat pipe heat exchanger to different degrees， and the gravity heat pipe test is carried out to study the limit heat dissipation capacity of the heat pipe radiator under different immersion degree and contact type， the heat transfer performance of the heat pipe under fixed liquid temperature of the working

medium， the wall temperature of the power element and the contact surface of the heat pipe heat exchanger， and the temperature uniformity of the outlet section of the cold air side. The test results show that the heat generated by the power element can be transferred to the outside world directly by using the phase transformation heat of the working medium， which can eliminate the high thermal resistance of the contact surface and ensure the consistency of the surface temperature of the power element to the maximum extent. Compared with the contact heat transfer， the heat transfer capacity by immersed phase change under vacuum is significantly improved. The liquid temperature and the wall temperature of the power element can be used as a target parameter to monitor the temperature of the submerged power element.

Keywords：heat pipe; power component; immerse; experimental study

（責(zé)任編輯：劉麗君）