陣列微噴射流冷板傳熱及壓降特性實驗研究

張雨龍，翁維康，韓華*，任航

（1-上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2-上海海事大學物流工程學院，上海 201306）

陣列微噴射流冷板傳熱及壓降特性實驗研究

張雨龍*1，翁維康2，韓華**1，任航1

（1-上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2-上海海事大學物流工程學院，上海 201306）

本文針對一款具有陣列微噴射孔的液冷冷板搭建了液冷實驗系統(tǒng)。液冷冷板結構為13×15的圓孔陣列，單個噴射孔孔徑為0.5 mm。實驗系統(tǒng)由水循環(huán)系統(tǒng)、加熱源系統(tǒng)和信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。實驗完成了從200 W至550 W間共8級的加熱功率變化。隨著噴射速率從0.22 m/s增加至0.58 m/s，壓降從59.22 kPa升至288.38 kPa，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加到了9,001.6 W/(m2·K)。當熱源表面溫度為78.9 ℃，噴射速率達到0.58 m/s時，散熱功率密度可達29.89 W/cm2。實驗結果表明陣列微噴射流液冷冷板具有較好的散熱性能，對于高功率密度電子設備冷卻有應用前景。

陣列射流；微通道；傳熱特性

0 引言

液體噴射沖擊冷卻是指在壓力作用下，冷卻液體通過狹縫或圓形噴嘴噴射到待冷卻表面，取走受到噴射沖擊的壁面熱量的冷卻方式[1-2]。微尺寸換熱器是指水力直徑在(10～1,000) μm通道所構成的換熱器，具有結構輕便、換熱效果良好的特點[3]。陣列微孔射流冷卻技術是兩者技術的結合，因其具有很強的對流換熱效果，近年來受到了國內(nèi)外學者的重視，是解決如LED燈芯片、小型高頻CPU等大功率密度器件散熱問題的先進手段[4-6]。

關于射流沖擊冷卻，以及噴射制冷系統(tǒng)[7]，國內(nèi)外有較多相關的研究。羅小兵等[8]對一種封閉微噴射流冷卻系統(tǒng)進行了實驗研究，選用的微噴射流冷板的噴嘴陣列為4×4，噴嘴口徑為0.5 mm，噴射距離為6 mm。該系統(tǒng)能有效地降低LED芯片組的工作溫度；通過數(shù)值模擬計算出，在噴射速率為3.18 m/s時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為4,140.6 W/(m2·K)。

李德睿等[2]設計了一款射流冷卻實驗系統(tǒng)，使用噴射試件噴嘴陣列2×2，噴射速率為4.74 m/s，噴射孔徑0.8 mm，孔間距10 mm，該射流冷卻系統(tǒng)平均換熱系數(shù)在(7,000～10,000) W/( m2·K)。

夏俊等[9]通過數(shù)值模擬分析了微噴射流冷板的噴孔數(shù)量、噴孔半徑、以及噴射速率對LED芯片散熱溫度的影響。結果表明，相同進口流速下，噴嘴陣列為2×2、噴射口徑為0.2 mm時，散熱溫度相對最低，但換熱不均勻。

晁涼杰等[10]結合噴射速度和阻力計算設計了一種陣列噴射沖擊冷卻的冷板結構，搭建了實驗臺；實驗獲得了不同噴射孔徑、噴射距離、噴射速率和熱源功率對該冷板的流動和換熱特性的影響規(guī)律，確定相對最優(yōu)結構為噴嘴陣列為8×8，噴射距離為1.5 mm，噴射口徑為0.5 mm，在噴射速率為7.36 nm/s時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)達2.6×104W/(m2·K)。

王志斌等[11]提出一種用于大功率LED散熱的雙進雙出射流水冷結構冷板，搭建了實驗臺，冷板噴嘴數(shù)量為113個，噴射口徑為1 mm。實驗得出，噴射速率為1.88 m/s時，進水壓力為115.6 kPa，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為5,745.57 W/(m2·K)。

南洋理工大學的XIE等[12]實驗研究了大功率、大面積散熱電子器件的閉式多噴嘴陣列噴霧冷卻器性能，使用9×6噴嘴陣列（噴射面積23.3 cm×16.0 cm）的射流冷板和銅塊（25 cm× 18 cm×8 cm）構成的熱源，冷卻介質(zhì)為R134a制冷劑。實驗結果顯示，該冷卻裝置可以冷卻16 kW熱量同時保證冷卻裝置表面溫度低于26.5 ℃，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為2.8×104W/( m2·K)。

本文主要工作為針對一款陣列微噴射流液冷冷板進行傳熱及阻力特性的實驗，對實驗結果進行了分析。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 微噴射流冷板試件與實驗系統(tǒng)

陣列微噴射流液冷冷板試件為了形成微噴射流沖擊換熱面的效果，將進出冷板的流體設計在兩層結構上，設置分布陣列的圓形噴射孔的面板，通過一定的水壓將水流擠出陣列噴射孔，以此形成帶有一定速度的噴射流，沖擊冷板上蓋板。

圖1是微噴射冷板試件的三維爆炸結構圖及實物圖。試件設計為6層板片，由下至上依次為下蓋板、(2～5)號板、上蓋板。冷卻液從下蓋板的入口縱向流入至2號板，（縱向流道封閉）變?yōu)闄M向流動，經(jīng)大圓孔附近的微圓柱群的分流作用后進入2號板的各流道分流，穿過(3～4)號板的陣列噴射孔，在5號板所圍噴射腔體內(nèi)形成陣列的射流，沖擊上蓋板下表面的換熱區(qū)域，進行換熱后的液體在5號板噴射腔體內(nèi)回到4號板的各流道內(nèi)向右橫向流動至右側冷卻液出口，經(jīng)由下列各板的出口縱向流出，完成在冷板內(nèi)的流動及射流換熱過程。

圖1 陣列微噴射流冷板爆炸圖及實物圖

試件的總裝尺寸為長度70 mm、寬度50 mm、厚度5.75 mm，圖中各層板片的冷卻液進出口的口徑為7.5 mm；上蓋板厚度0.5 mm，上蓋板的沖擊換熱面與5號板的射流腔體的長為40 mm，寬為46 mm，腔體的高度即噴射距離為2 mm；4號板上射流出水口為13×15的圓孔陣列，共195個射流出水口，口徑為0.5 mm，回水收集口為14×16的圓孔陣列，共224個回水收集口，口徑為0.7 mm，每一行回水收集口分別與一條回水通道相連，回水通道長42.15 mm、寬0.4 mm、深0.15 mm，共16條，冷卻水沿回水通道流動至右側冷板出水口。

圖2所示是陣列微噴射流冷板實驗系統(tǒng)圖與實驗臺實物圖。系統(tǒng)由水循環(huán)系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)3部分組成。冷水機組提供冷卻水，分別在試件前后設置“抽水泵”與“吸水泵”，為水路循環(huán)提供動力；模擬發(fā)熱系統(tǒng)采用純銅塊與6根電加熱棒加熱，加熱棒由直流穩(wěn)壓電源供電；實驗采用電磁流量計、差壓變送器和鉑電阻分別測管內(nèi)水流量、進出試件壓差與管內(nèi)水進出試件溫度；采用熱電偶測量冷板試件表面溫度與熱源溫度。

圖2 實驗系統(tǒng)圖及實驗臺實物圖

圖3為陣列微噴射流冷板表面和熱源表面的貼片熱電偶布置位置示意圖。其中測點4的溫度由焊接好的T型熱電偶測溫點插入熱源凸臺中心測溫孔進行測量。

圖3 熱電偶布置位置圖

1.2 實驗數(shù)據(jù)處理

定義冷板換熱面與冷卻水的對數(shù)平均溫差[14]為ΔTm，通過公式(1)進行計算。

式中：

TS——冷板的表面溫度，取測點4中心孔測溫點溫度，℃；

Tin——冷卻水的進口溫度，℃；

Tout——冷卻水的出口溫度，℃。

若忽略冷板向環(huán)境的散熱量，則通過冷板的總傳熱量應等于冷卻水帶走的熱量，即可得總傳熱系數(shù)K：

式中：

cp——水的定壓比熱，J/(kg·K)；

ρ——水的密度，kg/m3；

qv——通過冷板冷卻水的體積流量，m3/s。

冷板內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：

表面?zhèn)鳠釤嶙铻椋?/p>

式中：

h——冷卻水與上蓋板的對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

λ——上蓋板的導熱系數(shù)，即不銹鋼的導熱系數(shù)16.2 W/(m·K)；

δ——上蓋板的厚度，0.5 mm；

射流沖擊的速率v（m/s）直接影響冷板的對流換熱強度，假設各射流出水孔的噴射速度相同，則微噴射流的沖擊速率v為：

式中：

n——冷板陣列噴射孔的個數(shù)，為13×15=195個；

d——冷板陣列噴射孔的孔徑，m。

熱平衡誤差為：

式中：

Qw——冷卻水帶走的熱量，W；

Q0——加熱功率，W。

2 實驗數(shù)據(jù)分析

本實驗設置加熱功率Q0（加熱功率密度Qs）從200 W（10.87 W/cm2）始，50 W一檔遞增至550 W（29.89 W/cm2）共8級。冷卻水進口溫度穩(wěn)定在20 ℃，噴射速率為：0.22 m/s～0.58 m/s。

2.1 實驗不確定度分析

直接不確定度主要來源于儀器儀表直接測量的不確定度，見表1。

表1 直接測量不確定度

考慮各直接測量值的最不利情況，則間接測量值不確定度各自計算如下。

ΔTm的相對不確定度δΔTm/ΔTm為：

Qw的相對不確定度δΔQw/ΔQw為：

h的相對不確定度δh/h為：

K的相對不確定度δK/K與Rw-s的相對不確定度δRw-s/Rw-s的計算，與δh/h的計算類似，計算結果均為6.84%。

2.2 加熱功率密度對微噴射流冷板的影響

圖4所示為冷卻水進口溫度20 ℃情況下，不同噴射速率的冷卻水分別流經(jīng)冷板時，熱源表面溫度隨加熱功率密度的變化曲線。當熱源表面度為78.9 ℃、噴射速率達到0.58 m3/s時，試件可以在加熱功率密度為29.89 W/cm2的工作條件下穩(wěn)定運行。

圖4 熱源表面溫度隨加熱功率密度變化曲線

圖5是冷卻水溫度20 ℃、噴射速率為0.40 m/s時，冷板接觸表面溫度TS、熱源表面溫度T3測點1和測點2溫度隨加熱功率密度的變化曲線。由圖可以看出，T3上升最快，TS次之，T1、T2上升最慢。其原因在于，測點1、2溫度貼近水側即冷端，熱源表面和中心測溫孔溫度皆為熱源側即熱端，故相對冷端溫升較快。

圖5 噴射速率0.40 m/s時各溫度隨加熱功率變化曲線

2.3 噴射速率對微噴射流冷板性能的影響

圖6為冷卻水溫度20 ℃、加熱功率密度為27.17 W/cm2時，各測點溫度隨噴射速率的變化曲線。從圖中可以看出各測點溫度隨著冷卻水噴射速率的增加而降低，其中，測點3和測點4的溫度變化較為明顯。

圖6 各測點溫度隨噴射速率變化曲線

圖7為冷卻水溫度20 ℃、不同加熱功率密度下，熱源表面溫度T3隨冷卻水噴射速率的變化曲線。加熱功率密度為27.17 W/cm2時，溫度從81.6 ℃到72.0 ℃下降了9.6 ℃，加熱功率密度為10.87 W/cm2時，溫度從44.6 ℃到41.0 ℃下降了3.6 ℃，可以看出熱源加熱功率越大，隨噴射速率增加，溫度的降幅越大。

圖7 熱源表面溫度隨噴射速率變化曲線

圖8所示為冷板進口壓力Pin、進出口壓差ΔP隨噴射速率的變化曲線。由圖可知，冷板進口壓力、進出口壓差隨噴射速率增大而升高，其中噴射速率每增大0.04 m/s，進出口壓差約增大30.2 kPa，在實驗范圍內(nèi)基本成線性關系。

圖9是冷卻水溫度20 ℃、不同加熱功率密度下，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨噴射速率變化的曲線。從圖中可以看出，隨著噴射速率的增加，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h呈現(xiàn)較大幅度的增長，且不同加熱功率密度下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化范圍不大。當噴射速率為0.58 m/s時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)系數(shù)達到9,001.6 W/(m2·K)，具有較佳的對流換熱效果。

圖8 進口壓力、進出口壓差隨噴射速率變化曲線

圖9 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨噴射速率的變化曲線

圖10是冷卻水溫度20 ℃、加熱功率密度為16.30 W/cm2時，表面?zhèn)鳠釤嶙鑂w-s隨噴射速率變化的曲線。當冷卻水噴射速率為0.22 m/s時，表面?zhèn)鳠釤嶙铻?.097 K·m2/W；噴射速率為0.58 m/s時，表面?zhèn)鳠釤嶙铻?.062 K·m2/W，表面?zhèn)鳠釤嶙鑂w-s降低了36.08%。由圖可以看出，表面?zhèn)鳠釤嶙杞档头入S噴射速率增大而趨于減緩。

圖10 表面?zhèn)鳠釤嶙桦S噴射速率變化曲線

冷板試件適用于LED芯片、高頻處理器等多種高熱流密度器件，改進冷卻系統(tǒng)用能，在保證換熱效率的前提下降低能量消耗十分重要。采用傳熱系數(shù)與壓降的比值K/ΔP來評價本試件能效性能[15]。

圖11是加熱功率密度為19.02 W/cm2的條件下，K/ΔP隨噴射速率變化的曲線。從圖中可以看出，隨著噴射速率的增加，K/ΔP值逐漸減小，即噴射速率越大，消耗單位折合泵功增加的傳熱系數(shù)越?。粸槭估鋮s系統(tǒng)能耗保持在一個合理的范圍內(nèi)，設定噴射速率不能過大。

圖11 K/ΔP值隨噴射速率變化曲線

3 結論

本文針對一款陣列微噴射流冷板試件，進行了模擬電子設備散熱的傳熱與阻力性能實驗，得到結論如下。

1）該冷板具有良好的散熱能力，當熱源表面溫度為78.9 ℃時，噴射速率達到0.58 m/s時，散熱功率密度可達29.89 W/cm2。

2）隨著噴射速率從0.22 m/s至0.58 m/s的增加，壓降從59.22 kPa升至288.38 kPa，表面?zhèn)鳠釤嶙鑿?.097 K·m2/W降至0.062 K·m2/W，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加至9,001.6 W/(m2·K)。

3）在實驗中，由于銅塊周圍有加熱線、熱電偶等繁雜線路，對熱源包覆保溫貼片會把線路一并包進，將導致線路過熱，故沒有在熱源銅塊周圍包覆保溫材料，即實際考慮空氣自然對流散熱和熱源銅塊向環(huán)境的輻射散熱；由于實驗需要，試件進出口連接為軟管，進出口鉑電阻測溫點安裝在距離進口稍遠的硬管上，造成熱源加熱量始終大于水側吸熱量，最大熱平衡誤差為25.4 %。在以后的實驗中，會考慮實際情況，對加熱源附近線路進行隔熱處理，以便在熱源銅塊上包覆保溫材料，改進實驗效果。

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Experimental Investigation on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Liquid Cooling Plate with Array of Micro Jets

ZHANG Yulong*1, WENG Weikang2, HAN Hua**1, REN Hang1
(1- School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2-Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

An experimental system aiming at a liquid cooling plate with an array of micro jets has been built in this paper. The liquid cooling plate had an array of 13 × 15 circular holes, and the diameter of each hole was 0.5 mm. The experimental system consisted of water cycling system, heating system and data acquisition system. During the experiments, the heating power varied in eight levels, ranging from 200 W to 550 W. As the jet velocity increased from 0.22 m/s to 0.58 m/s and the pressure drop increased from 59.22 kPa to 288.38 kPa, the surface heat transfer coefficient increased to 9,001.6 W/(m2·K). When the surface temperature of heat source was 78.9 ℃, and the jet velocity reached 0.58 m/s, the heat dissipation rate reached up to 29.89 W/cm2. The experiment results showed that a liquid cooling plate with an array of micro jets had good heat dissipation capabilities, and it had application prospect in the high power-density electronic device cooling.

Jet array; Micro-channel; Heat transfer characteristics

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.106

*張雨龍（1992-），男，碩士生。研究方向：強化傳熱。聯(lián)系地址：上海市楊浦區(qū)軍工路516號上海理工大學動力館129室，郵編：200093。聯(lián)系電話：18801733150。E-mail：usstzyl@163.com。

**韓華（1975-），女，博士，副教授。研究方向：制冷與空調(diào)技術，電子設備熱分析與管理等。E-mail：happier_han@126.com。基金項目：上海市自然科學基金資助項目（No.14ZR1429100）。