在加速度過(guò)載狀態(tài)下微槽換熱表面噴霧冷卻性能實(shí)驗(yàn)研究

季益斌 蔣彥龍 胡文超

摘 ?要：文章主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究在加速度過(guò)載狀態(tài)下，不同過(guò)載量值、不同噴霧流量以及不同噴霧高度情況下，微槽換熱表面的噴霧冷卻效果。結(jié)果表明，當(dāng)加速度量值增加時(shí)，噴霧性能有所提高，繼續(xù)增加時(shí)，噴霧性能增加有限。此外，無(wú)論是在加速度狀態(tài)下還是在靜止?fàn)顟B(tài)下，噴霧流量和噴霧高度對(duì)噴霧性能的影響都是相同的。隨著噴霧流量的增加，噴霧性能提高;隨著噴霧高度的增加，噴霧性能降低。

關(guān)鍵詞：噴霧冷卻;熱流密度;加速度;噴霧流量;噴霧高度

中圖分類號(hào)：TKl24 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-8937（2015）35-0057-04

1 ?背景概述

1.1 ?發(fā)展現(xiàn)狀

隨著航空高集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，作為航空有效載荷的電子設(shè)備，性能越來(lái)越高的同時(shí)，耗能和散熱問(wèn)題也越來(lái)越突出。目前新一代民用電子設(shè)備的熱流密度已經(jīng)高達(dá)106～107 W/m2，當(dāng)前最高端的處理器熱輸出量超過(guò)250 W/cm2，使得超過(guò)55%的電子器件的失效是由于溫度過(guò)高引起的，散熱問(wèn)題已成為制約發(fā)展的瓶頸?？諝鈱?duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流、熱管散熱等傳統(tǒng)電子散熱方法已逐漸不能滿足技術(shù)發(fā)展需求，針對(duì)未來(lái)我國(guó)機(jī)載高功率密度能量散熱問(wèn)題，必須尋求全新技術(shù)，才能解決我國(guó)機(jī)載武器及電子設(shè)備高熱流密度快速散熱瓶徑。

噴霧冷卻具有換熱系數(shù)大、過(guò)熱度小、臨界熱流密度高和低冷卻液流量等特點(diǎn)，噴霧冷卻能在很小過(guò)熱度的條件下產(chǎn)生極高的熱流密度，這就確立了其在高熱流密度散熱環(huán)境中應(yīng)用的重要地位。但是在應(yīng)用于高功率密度器件溫控時(shí)，必須保證整個(gè)發(fā)熱壁面都處于工作溫度范圍內(nèi)，即需要保證散熱面溫度均勻度，如果局部溫度偏高，可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)因局部過(guò)熱而溫控失效，機(jī)載環(huán)境下影響噴霧均勻性的主要因素是飛行器機(jī)動(dòng)過(guò)載。

從20世紀(jì)80年代初期開始，國(guó)外的一些研究機(jī)構(gòu)和美國(guó)高校就開展了將噴霧冷卻技術(shù)應(yīng)用于電子器件的研究，開展了大量的換熱性能分析、熱設(shè)計(jì)和樣機(jī)制作方面的研究工作，積累了眾多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)論。NASA將閉式噴霧冷卻回路系統(tǒng)技術(shù)列為未來(lái)五年熱控系統(tǒng)的研究重點(diǎn)之一，其下屬的Glenn Resear ch Center對(duì)噴霧冷卻技術(shù)進(jìn)行了大量的地面試驗(yàn)研究，并在KC-135微重力試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證和研究了其在微重力條件下的運(yùn)行能力、傳熱性能和特性。Universal Energy Syst公司在美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的資助下研究的高功率半導(dǎo)體激光器陣列（500 W/cm2高熱流密度能量源）的閉式噴霧冷卻技術(shù)，如圖1所示。

1.2 ?相關(guān)研究

然而到目前為止，對(duì)噴霧冷卻的換熱機(jī)理及影響因素并沒(méi)有完全認(rèn)識(shí)，因此大量的工作還是基于實(shí)驗(yàn)分析換熱機(jī)理的基礎(chǔ)上開展的。主要實(shí)驗(yàn)研究集中在以下方面。

1.2.1 ?噴射傾角方面

L.Ortiz和J.E.Gonzalez[1]研究了穩(wěn)態(tài)情況下不同噴霧角度對(duì)換熱性能的影響。Y.X.Guo和Z.F.Zhou等人[2]經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為隨著噴霧角度的增加，換熱表面的溫度梯度先增加后降低，而J.Schwarakof等人[3]則認(rèn)為當(dāng)傾斜角度為40 °時(shí)系統(tǒng)換熱性能最好。

1.2.2 ?表面粗糙度與表面強(qiáng)化方面

Silk等人[4-5]研究了表面強(qiáng)化的作用。表面強(qiáng)化的作用比采用更薄液膜的作用更重要，前者使固液接觸面積增大，蒸發(fā)效率更高，使系統(tǒng)在更低熱源表面溫度時(shí)的換熱系數(shù)增加。

1.2.3 ?重力影響方面

Yoshida等人[6-7]研究了微重力和高重力情況下的噴霧冷卻，指出盡管在重力作用下向上的熱源比向下的好一些（以水為介質(zhì)），但是在核態(tài)沸騰狀態(tài)，重力作用并不明顯。Silk等人[8]通過(guò)對(duì)多個(gè)文獻(xiàn)的總結(jié)表明，重力對(duì)噴霧冷卻幾乎無(wú)影響，氣泡生長(zhǎng)率和形狀幾乎不受重力影響，但如何移走微重力下形成的大霧滴非常必要。

國(guó)內(nèi)有關(guān)電子器件噴霧冷卻的起步較晚，研究也多采用實(shí)驗(yàn)手段分析。主要研究機(jī)構(gòu)有中國(guó)空間技術(shù)研究院、中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所、航空計(jì)算研究所、清華大學(xué)、上海大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等，上海理工大學(xué)、東北大學(xué)和西安交通大學(xué)也有關(guān)于噴霧冷卻的研究，但并不是主要針對(duì)電子器件領(lǐng)域，而是針對(duì)冶金行業(yè)或醫(yī)療行業(yè)等。

2 ?噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置

2.1 ?換熱面導(dǎo)流面組件

熱源組件的作用是為噴霧冷卻提供加熱功率可控的散熱面。其主體是由三根電加熱棒插入到導(dǎo)熱銅塊中組成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電源控制加熱棒輸出熱量，經(jīng)銅塊導(dǎo)熱，最終從散熱面散熱。導(dǎo)熱銅塊頂部表面為平面、槽面和針孔換熱面，投影面積為14 mm×14 mm;頸部?jī)蓛蓪?duì)稱布置有六個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，到散熱面的垂直距離從上到下依次為7 mm、17 mm、25 mm;底部為三個(gè)加熱棒的預(yù)留孔洞，長(zhǎng)×直徑=60 mm×6 mm。加熱棒與銅塊間用導(dǎo)熱硅脂粘合，采用并聯(lián)聯(lián)接，并聯(lián)電阻為166.7 Ω，每根加熱棒的最大功率為100 W，則散熱面理論上所能達(dá)到的最大熱流密度為153.06 W/cm2。實(shí)驗(yàn)采用DH1716A-13型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，最大輸出電壓/電流為250 V/5A?？紤]到實(shí)驗(yàn)的安全性，電源電壓將不大于226 V，對(duì)應(yīng)最大輸出功率為293.8 W。為使熱量盡可能多地流向散熱面，減少無(wú)效熱損失，導(dǎo)熱銅塊周圍將包覆玻璃棉氈，導(dǎo)熱系數(shù)約為0.04 W/（m·K），如圖2所示。另一方面，銅塊及保溫材料周圍覆蓋有不銹鋼外殼，銅塊與外罩間接觸縫隙填充絕緣硅膠，以防水電接觸。外罩上表面有一定的傾斜角度，方便冷卻工質(zhì)及時(shí)排出。

2.2 ?實(shí)驗(yàn)裝置

噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)采用開式系統(tǒng)，主要由三部分組成：

①供液和噴霧系統(tǒng)：儲(chǔ)水槽、過(guò)濾器、泵、安全閥、壓力緩沖器、流量計(jì)、噴嘴、收集水槽等;

②熱源組件：電加熱棒、變壓電源、銅塊、保溫材料、不銹鋼外罩、密封件等;

③數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：壓力傳感器、熱電偶、數(shù)據(jù)采集儀、壓力表、流量計(jì)等。

系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，止回閥處于關(guān)閉狀態(tài)，接通水泵電源，噴霧冷卻工質(zhì)在泵的作用下，自儲(chǔ)水槽經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾多余雜質(zhì)后進(jìn)入系統(tǒng)管路。由于止回閥關(guān)閉，止回閥前的壓力將不斷上升。當(dāng)壓力超過(guò)規(guī)定值（0.9 MPa）時(shí)，安全閥打開，工質(zhì)流回儲(chǔ)水槽。打開止回閥，過(guò)量的冷卻工質(zhì)繼續(xù)通過(guò)安全閥流回儲(chǔ)水槽，另一部分工質(zhì)則經(jīng)過(guò)壓力表、流量計(jì)、過(guò)濾器、壓力傳感器、熱電偶后，最終由噴嘴噴射到換熱面。換熱后的冷卻工質(zhì)流入收集水槽。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)中冷卻工質(zhì)采用常溫水，系統(tǒng)沒(méi)有安裝水溫控制裝置，為保證工況的準(zhǔn)確性，收集水槽中的水并沒(méi)有直接送回儲(chǔ)水槽，而需要經(jīng)過(guò)一定的冷卻沉淀才可以循環(huán)使用。

本實(shí)驗(yàn)借助加速度試驗(yàn)臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，實(shí)驗(yàn)裝置安裝圖如圖5所示。整套裝置安裝在深度約為2.5 m的圓柱形坑內(nèi)，系統(tǒng)工作時(shí)只有旋轉(zhuǎn)臺(tái)及其附屬件轉(zhuǎn)動(dòng)，其余為不動(dòng)件。上方矩形通道與地面相接，用于系統(tǒng)管道和連接線的走線。進(jìn)水管道延中軸腔向下到達(dá)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，延臺(tái)面到達(dá)管道接口，回水管道走向相反。本實(shí)驗(yàn)不采用回水，所以在回水管道接口處安裝截止閥，閥門關(guān)死。收集水槽與旋轉(zhuǎn)臺(tái)間用8個(gè)M25的螺栓連接。旋轉(zhuǎn)臺(tái)兩端重量不等有可能造成旋轉(zhuǎn)過(guò)程中臺(tái)面的上下晃動(dòng)，因此在旋轉(zhuǎn)臺(tái)的另一端將安裝配重件，重量與水槽構(gòu)件相符。試驗(yàn)臺(tái)上的傳感器引線與集線箱上的接線柱相連，總線將延中軸腔和矩形通道到達(dá)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)離心機(jī)控制柜控制旋轉(zhuǎn)加速度和電機(jī)的啟停。

3 ?實(shí)驗(yàn)分析

3.1 ?加速度對(duì)不同換熱面噴霧冷卻換熱特性的影響

本文在給定噴嘴及噴嘴高度條件下，對(duì)三個(gè)不同換熱表面系統(tǒng)處于4 g的加速度時(shí)的噴霧冷卻換熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。流量0.3 gal/h，噴嘴距散熱面10 mm，槽道延離心轉(zhuǎn)臺(tái)徑向放置時(shí)，換熱面表面溫度與熱流密度間的關(guān)系圖，如圖6所示，由圖6可知，維持相同表面溫度時(shí)，槽面熱流密度最高，噴霧冷卻效果最好。

3.2 ?加速度對(duì)槽狀加熱面噴霧冷卻換熱特性的影響

由于槽面相較于其他換熱表面，噴霧冷卻效果更好。后續(xù)主要針對(duì)微槽表面結(jié)構(gòu)在不同流量和不同高度下的噴霧冷卻特性進(jìn)行研究。在給定噴嘴及噴嘴高度條件下，對(duì)系統(tǒng)處于0 g、2 g和4 g的加速度時(shí)的噴霧冷卻換熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。0.65 gal/h噴嘴距散熱面10 mm，槽道延離心轉(zhuǎn)臺(tái)徑向放置時(shí)，換熱面表面溫度與熱流密度間的關(guān)系圖，如圖7所示。

由圖7可知：

①在靜止?fàn)顟B(tài)下，噴霧冷卻換熱效果最差，但隨著加速度的增大，熱流密度-表面溫度變化曲線基本保持不變。這是由于在噴霧冷卻過(guò)程中，部分液滴在撞擊散熱面后全部或部分附著于壁面形成液膜，阻礙了液滴與壁面間的冷卻換熱。

②在加速度情況下，由于離心力的作用，液膜的擾動(dòng)和流動(dòng)性增強(qiáng)，且過(guò)量工質(zhì)的排除速度加快，造成了換熱能力的增強(qiáng)。當(dāng)加速度達(dá)到一定值，這種強(qiáng)化作用也將達(dá)到最大值。由此，考慮到系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和安全性，以下實(shí)驗(yàn)中的離心狀態(tài)均采用2 g的加速度值。

3.3 ?高度對(duì)槽狀加熱面噴霧冷卻換熱特性的影響

在維持入口壓力為0.9 MPa不變的條件下，流量0.5 gal/h，改變噴嘴與散熱面的距離，可得到在不同噴霧高度下的熱流密度-表面溫度曲線，如圖8所示。

分析圖8可知：

①隨著高度的增加，噴霧冷卻換熱能力隨之下降;

②不同高度下，離心狀態(tài)均比靜止?fàn)顟B(tài)的換熱效果好;

③隨著加熱功率從小到大變化時(shí)，增強(qiáng)的效果更加明顯。

分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：隨著高度的增加，液滴到達(dá)壁面后的濺射現(xiàn)象減少，液膜的擾動(dòng)也隨之減弱，更容易造成壁面工質(zhì)的滯留。由幾何關(guān)系可以得到，隨著高度的增加，散熱面接收到的有效工質(zhì)流量減小，這些都導(dǎo)致了噴霧冷卻換熱能力隨高度的增加而下降。這里需要注意，本組實(shí)驗(yàn)選用的是0.5 gal/h的噴嘴。當(dāng)噴嘴流量過(guò)大的時(shí)候，可能會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果。

3.4 ?不同流量的噴嘴對(duì)槽狀加熱面噴霧冷卻換熱特性的 ? ? ?影響

噴嘴高度為10 mm，選用流量為0.65 gal/h、0.50 gal/h、0.30 gal/h的噴嘴，可得不同流量下噴霧冷卻換熱曲線，如圖9所示。

分析圖9可知，同一流量下，離心作用均能夠增強(qiáng)換熱;在一定的加熱功率范圍內(nèi)，隨著流量的增加，噴霧冷卻換熱效果越好，但當(dāng)加熱功率到達(dá)一定值后，流量的增加并不能有效地增圖7加速度對(duì)換熱的影響強(qiáng)換熱，甚至可能帶來(lái)相反的效果，離心條件下狀況相似。如0.65 gal/h和0.50 gal/h噴嘴的換熱曲線，當(dāng)加熱功率高于105 W/cm2時(shí)，0.50 gal/h噴嘴的換熱效果更好，所能達(dá)到的臨界熱流密度更大。這是因?yàn)椋绻髁窟^(guò)大，散熱表面上液膜厚度增大，隨著表面溫度的升高，換熱進(jìn)入相變換熱區(qū)，而過(guò)厚的液膜將阻礙汽泡的生成，核態(tài)沸騰隨之減弱，換熱變差，甚至在離心狀態(tài)下，這種阻礙效果也不能得到緩解。

4 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)論

過(guò)載對(duì)噴霧冷卻的影響主要體現(xiàn)在噴射出的單相或兩相液體在換熱表面由于過(guò)載因素影響而分布不均，從而產(chǎn)生局部過(guò)熱。本文將噴霧冷卻裝置與加速度試驗(yàn)臺(tái)相結(jié)合，分析了槽狀表面離心條件下加速度值、高度、流量對(duì)噴霧冷卻換熱的影響。研究結(jié)果如下：

①加速度對(duì)噴霧冷卻換熱的影響：離心狀態(tài)較靜止?fàn)顟B(tài)下的換熱效果好，但加速度達(dá)到一定值后，換熱效果并不會(huì)隨著加速度值的增加而一直增加，也將達(dá)到最大值。

②高度對(duì)噴霧冷卻換熱的影響：就非過(guò)流量噴嘴而言，隨著高度的增加，換熱效果變差;離心狀態(tài)下也存在相同的規(guī)律。

③流量對(duì)噴霧冷卻換熱的影響：在一定加熱功率范圍內(nèi)，隨著流量的增加換熱效果變好;當(dāng)加熱功率超過(guò)一定值，流量的增加并不能增強(qiáng)換熱，甚至帶來(lái)相反的效果;離心作用在相應(yīng)流量下均能增強(qiáng)換熱，但同樣有過(guò)量工質(zhì)阻礙換熱的現(xiàn)象發(fā)生。所以噴霧冷卻應(yīng)選擇合適流量的噴嘴。

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