微通道散热铝合金型材耐压实验测试装置设计

微通道散热铝合金型材耐压实验测试装置设计

柏顺，杨德昊，孙桂琦，曹鑫，李帅 *

（临沂大学机械与车辆工程学院，山东 临沂 276005）

摘要：针对目前微通道散热铝合金型材耐压测试的不足，本文提出了一种微通道散热铝合金型材耐压实验测试装置，即利用压缩空气为动力源，以气-液增压泵为压力源，通过高精密电气比例阀，对驱动气源的压力进行自动控制，实现对输出液压力的无级调节；通过控制气源的进气量来控制泵的动作频率，从而控制系统的输出流量。根据实际测试需要，可完成升压-爆破实验、升压-保压-泄压实验及升压-保压-爆破实验。本设计可有效满足各类微通道冷媒散热类铝合金型材的耐压测试要求，根据实际使用工况可分别实现增压-爆破、增压-保压-泄压和增压-保压-爆破三种模式的实验测试，测试结果对微通道散热产品的性能和使用寿命具有较为直观的反馈。

引言

随着空调、信号基站、冶金、化工、电力及新能源汽车等领域的发展，我国市场对大功率电子元器件的性能和寿命提出了更高的要求。目前，发热引起的性能不稳定是限制国产大功率电子元器件发展的最主要的问题^[1]。

大功率电子元器件的散热方式主要有散热片式自然对流散热、强制风冷散热和冷媒散热。自然对流散热和强制风冷散热存在体积大、散热效率低和性能不稳定等问题，无法完全满足大功率机组和稳定性较差的国产大功率电子元器件的散热要求。冷媒散热具有成本低、体积小、散热效率高、环保节能等优点，可有效满足大功率电子元器件的散热要求。研究表明，与传统叶片式散热器相比，微通道散热铝合金型材基板的散热效率更高，而其体积更小，在提高散热效果的同时，极大地节省了安装空间^{[2, 3]}。

冷媒散热用微通道铝型材在使用过程中需不定期承受高压流体冲击，这就要求铝型材需要具有较高和较持久的耐压性能。为实现上述性能要求，需对微通道铝型材进行耐压实验测试。根据不同领域的实际使用要求，需对微通道铝型材进行增压-爆破、增压-保压-泄压和增压-保压-爆破三种模式的实验。微通道散热铝合金型材具有多条并行通道的特性，这为耐压实验测试装置，尤其是微通道散热铝合金型材夹持工装部位的密封性提出了更高的要求。

针对上述问题，本文提出了一种微通道散热铝合金型材耐压实验测试装置，即利用压缩空气为动力源，以气-液增压泵为压力源，通过高精密电气比例阀，对驱动气源的压力进行自动控制，实现对输出液压力的无级调节；通过控制气源的进气量来控制泵的动作频率，从而控制系统的输出流量。根据实际测试需要，可完成升压-爆破实验、升压-保压-泄压实验及升压-保压-爆破实验。

1 耐压实验测试装置整体设计

微通道散热铝合金型材耐压实验测试装置主要包括主体框架、气-液增压系统、密封系统和控制系统。主体框架部分采用空心碳钢方钢焊接而成，保证设备有足够的刚性与承载能力。气-液增压系统主要包括进气口、空气过滤器、直通电磁阀、比例阀、增压泵和消音器，气-液增压泵是增压系统的核心部件，通过高精度电气比例阀来调节增压泵的驱动气压，以控制增压泵的输出压力。控制系统是装置的控制核心，可控制相应阀门动作实现增压-爆破、增压-保压-泄压和增压-保压-爆破三种模式的实验，显示加压时间、当前压力、爆破压力等参数，并能完成实验结果的储存和打印。图1所示为微通道散热铝合金型材耐压实验测试装置结构图。

图1微通道散热铝合金型材耐压实验测试装置结构图

1.进气口，2.空气过滤器，3.直通电磁阀，4.比例阀，5.增压泵，6.消音器，7.压力传感器，8、9.压力表，10.前置手控针阀，11.气控加压球阀，12.电磁溢流阀，13.减压阀，14.微通道散热铝合金型材，15.密封圈，16.水平夹紧器，17.气控泄压球阀，18.缓冲器，19.测试舱，20.后置手控针阀，21、22、23.液体过滤器，24.补液口，25.浮球液位计，26.储液箱，27.密封锥，28.微通道

密封系统由微通道散热铝合金型材、密封圈和水平夹紧器组成，实验前手动操作利用水平夹紧器将所测铝型材夹紧，铝型材和水平夹紧器之间放置密封圈进行密封。密封结构设计如图2所示。

图2密封结构设计

2 耐压实验测试装置控制方式

为实现耐压实验测试装置各步骤的协调动作，设计此装置控制方式如下：

1）开始前，打开前置手控针阀，关闭后置手控针阀；在铝合金型材和水平夹紧器之间放置密封圈，并利用水平夹紧器手动将所测微通道散热铝合金型材加紧。

2）选定增压-爆破、增压-保压-泄压和增压-保压-爆破三种模式中的一种实验模式，并设定压力和时间参数，启动装置。

3）控制系统控制驱动气体依次通过进气口、空气过滤器、直通电磁阀和比例阀进入气-液增压泵中，驱动增压泵对液体进行动态加压。

4）输出的高压液体分别经过前置手控针阀和气控加压球阀进入密封系统，对所需测试的微通道散热铝型材进行加压。

5）若选择增压-爆破模式，气-液增压泵将持续对液体进行加压，直至测试对象爆破；若选择增压-保压-泄压模式，气-液增压泵将液体加压至设定压力时停止加压并开始计时，当计时时间达到设定时间时，对系统进行泄压；若选择增压-保压-爆破模式，气-液增压泵将液体加压至设定压力时停止加压了，并进入保压状态直至测试对象爆破。

6）设备增压系统阀体部分采用高压无泄漏单向阀，理论上不会产生压降，但考虑到快速接头等泄压问题，设备设有自动保压、补压功能，当产生压降时，增压系统会自动开启进行补压。

7）为了提高设备安全性和使用寿命，在设备实验管路上并联保护管路，保护管路上分别安装电磁溢流阀、压力表和减压阀，当实验管路压力过高时，控制系统控制电磁溢流阀动作，对实验装置进行过压保护。

8）为确保密封系统的密封性，采用密封圈和密封锥双重密封，在水平夹紧器上的液体通道设计有密封锥结构，将密封锥插入铝合金型材的微通道中，利用水平夹紧器的夹紧力使铝合金型材的微通道产生一定的塑性变形；通过密封圈和锥面的双重密封，确保测试实验过程中微通道散热铝合金型材整体结构的密封性。

9）为提高测试装置的安全性，在测试管路上安装前置手控针阀和后置手控针阀，测试时将前置手控针阀打开，并将后置手控针阀关闭；当测试过程中出现过问题导致测压系统压力过高或无法自动停止时，手动关闭前置手控针阀，同时打开后置手控针阀。

10）由于测试装置进行耐压实验测试时测试管路处于高压状态，为减小测试装置泄压时管道内的高压液体对装置的冲击，在气控泄压球阀和后置手控针阀后面均安装缓冲器。

3 结论

本文设计了一种微通道散热铝合金型材耐压实验测试装置，主要包括气-液增压系统、密封系统和过压保护系统，密封系统用于微通道散热铝合金型材的耐压实验测试，过压保护系统和密封系统并联，实现实验装置的过压保护；实验装置可完成升压-爆破、升压-保压-泄压和升压-保压-爆破三种模式，测试结果对微通道散热产品的性能和使用寿命具有较为直观的数据反馈。

参考文献

[1] 白琳, 刘娟. 大功率电子元器件及设备结构的热设计[J]. 科技创新与应用, 2015(25):2.

[2] 程婷, 罗小兵, 黄素逸,等. 基于一种微通道散热器的散热实验研究[J]. 半导体光电, 2007, 28(6):4.

[3] 蔡奇彧. 微通道散热器流道优化与传热性能研究[D]. 电子科技大学, 2015.

基金项目：山东省大学生创新创业项目（S202110452106）

通讯作者：李帅（1986—），男，博士，研究方向：注塑成型，铝合金挤压成形

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