脈沖式噴霧冷卻的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

梁 勇，劉 妮

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脈沖式噴霧冷卻的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

梁 勇，劉 妮

（上海理工大學(xué) 制冷技術(shù)研究所，上海 200093）

脈沖式噴霧冷卻是解決現(xiàn)在大功率電子設(shè)備散熱問題的最理想方法之一，具有能夠大幅度提高電子元器件換熱效率的潛能。介紹了脈沖式噴霧冷卻相比傳統(tǒng)連續(xù)噴霧冷卻所具有的優(yōu)點(diǎn)，綜述了國內(nèi)外對(duì)脈沖式噴霧冷卻的研究，總結(jié)了占空比、頻率及噴霧周期對(duì)熱表面換熱效率的影響。最后總結(jié)了現(xiàn)階段關(guān)于脈沖式噴霧冷卻的研究結(jié)論并展望了未來的研究方向。

脈沖；噴霧冷卻；綜述；占空比；噴霧周期；臨界熱流密度；電子冷卻

熱管理（對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的熱量或溫度的管理）是現(xiàn)在大功率電子設(shè)備的重要組成部分，如用于電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成的轉(zhuǎn)換器和逆變器。大功率的電子元件需要較高電流，這就使得溫度升高，所以需要優(yōu)化溫度控制系統(tǒng)，以免電子元件燒毀[1]?，F(xiàn)在電子元件趨于微型化，大型的換熱器有很大的局限性，所以脈沖式噴霧冷卻是最有潛能的冷卻方法之一。

脈沖式噴霧冷卻是一個(gè)特定頻率停止噴射和一個(gè)特定頻率噴射的過程[2]?？梢院唵胃爬椤皣娨幌拢Ｒ幌?，交替循環(huán)”，噴射時(shí)間加停噴時(shí)間為一個(gè)周期，占空比即為噴射時(shí)間占一個(gè)周期的百分比。脈沖式噴霧冷卻可以通過改變質(zhì)量流率、占空比、頻率來調(diào)節(jié)，使加熱面達(dá)到實(shí)際需要的溫度[3]。

針對(duì)脈沖式噴霧冷卻的研究，國內(nèi)外有一些相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表，國外Pan?o等[4]以水為工質(zhì)做了研究，以混合工質(zhì)（純工質(zhì)與納米顆粒、添加劑、可溶性鹽、氣體和有機(jī)溶液中的一種或者幾種組成的制冷工質(zhì)）做了少量研究；國內(nèi)周華琴[5]以水為工質(zhì)做了初步研究。由于混合工質(zhì)和添加劑種類繁多，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響也不盡相同，所以該課題可研究的空間非常大。

1 連續(xù)和脈沖式噴霧冷卻的區(qū)別

噴霧冷卻是指液體工質(zhì)通過霧化噴嘴依靠高壓氣體，或者依賴自身的壓力，使得液體工質(zhì)分散、破裂成小液滴，然后噴射到相對(duì)低速低壓的氣體介質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫物體進(jìn)行冷卻的技術(shù)[3]。噴霧冷卻有著非常廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗哂袚Q熱效率高，散熱均勻，可以達(dá)到很高的臨界熱流密度值（CHF）等優(yōu)點(diǎn)。在醫(yī)療、食品冷凍、激光等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

在噴霧冷卻過程中，產(chǎn)生兩相流（兩相物質(zhì)至少一相為流體所組成的流動(dòng)系統(tǒng)），具有高度復(fù)雜的特性，影響噴射效果的因素不僅有霧滴尺寸、速度和密度，甚至是表面初始溫度，因此很難確定哪個(gè)是影響換熱的主要因素[4]。雖然噴霧冷卻相對(duì)其他冷卻方式有著無可比擬的優(yōu)勢，但是其也存在很多問題。例如周華琴[5]提到：

(1)研究封閉式噴霧冷卻的換熱特性時(shí)，由于腔體是完全封閉的，在完全抽真空的情況下，雖然腔體內(nèi)設(shè)置冷凝器，但是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中冷凝效果并不明顯，產(chǎn)生大量的蒸汽在腔體內(nèi)無法排除。所以霧滴下落時(shí)，必須得穿過蒸汽，產(chǎn)生很大的阻力，減緩了霧滴的速度，液膜內(nèi)的對(duì)流作用也受到了影響。另一方面，霧滴在下降時(shí)，會(huì)和蒸汽發(fā)生熱交換，部分蒸汽附著在液滴上，導(dǎo)致液滴半徑增大，溫度上升，對(duì)冷卻效果有一定的影響；

(2)對(duì)于壓力式噴嘴，要達(dá)到比較好的霧化效果，就要增大噴嘴入口壓力，導(dǎo)致流量增加，這樣就往往導(dǎo)致工質(zhì)流量過大，使得液膜厚度增加，增加了熱阻，也增加了氣泡逃逸的難度而且不易破裂，液滴撞擊所引起的加強(qiáng)湍流的效果下降，因此會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)下降，影響換熱效果。

要解決上述問題的一個(gè)有效方法就是脈沖式噴霧冷卻。脈沖式噴霧冷卻相比于傳統(tǒng)式噴霧冷卻的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)就是工質(zhì)的利用率高。在傳統(tǒng)的噴霧冷卻中，要想達(dá)到一個(gè)好的換熱效果，就是增加工質(zhì)的質(zhì)量流量，然而在高速的噴射過程中，即使加熱表面溫度很高，但工質(zhì)也沒有足夠的時(shí)間發(fā)生相變，因此工質(zhì)不能充分利用，造成浪費(fèi)。

劉媛[6]的研究表明:（1）脈沖式噴霧冷卻相比于連續(xù)性噴霧冷卻，平均時(shí)間內(nèi)在加熱表面上形成的形成的液膜厚度要更薄，熱阻減小。（2）液膜厚度減小，氣泡生長的半徑減小，更易逃逸。（3）在停噴階段，有利于冷凝器對(duì)腔體內(nèi)蒸汽進(jìn)行冷凝，減小了霧滴與蒸汽之間的相互作用。

脈沖式噴霧冷卻也有很多弊端：（1）控制不好占空比，頻率容易導(dǎo)致質(zhì)量流量過大或過小，導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低，與連續(xù)噴射區(qū)別較??；質(zhì)量流量過小會(huì)導(dǎo)致冷卻效果下降，更嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致表面溫度過高燒毀設(shè)備。（2）對(duì)設(shè)備的精度要求很高，特別是在皮膚病治療領(lǐng)域。（3）不確定因素太多，噴射時(shí)間、頻率、角度等這些因素都會(huì)造成液膜厚度過厚或過薄，導(dǎo)致表面換熱的不均勻性增強(qiáng)。（4）脈沖式噴霧冷卻機(jī)理還不完善，現(xiàn)有的理論都是通過實(shí)驗(yàn)得到的，局限性很大。

2 表面換熱效率的影響因素

在冷卻過程中，表面換熱效率受很多因素如占空比、頻率、噴霧周期、工質(zhì)類型和噴霧參數(shù)等的影響，這就增加了研究的復(fù)雜性。

2.1 占空比和噴霧周期

占空比和噴霧周期是脈沖式噴霧冷卻中影響換熱效率的兩個(gè)重要因素，因?yàn)檫@兩個(gè)因素最難控制，所以針對(duì)這兩個(gè)因素的研究是重中之重。

Pan?o等[7]利用多噴嘴探索了在冷卻過程中占空比等因素對(duì)表面溫度和表面熱流密度的影響。在占空比10%，頻率為0.5~15Hz，在兩相區(qū)，頻率過高時(shí)，頻率對(duì)傳熱效果的影響不太明顯；頻率0.5~1 Hz，傳熱效果會(huì)忽然降低，因?yàn)橐耗ぴ趪娚淦陂g蒸發(fā)，導(dǎo)致膜層散熱系數(shù)降低，造成冷卻能力的下降。

傳熱系數(shù)和熱效率公式為

式中：ISC為熱流密度；op為銅板溫度；c為制冷工質(zhì)的溫度。當(dāng)占空比(DC)≥40%，換熱處于單相區(qū)，ISC相對(duì)保持恒定。當(dāng)占空比(DC)<40%，op>c，相變使冷卻效率提高，ISC也提高。

熱效率公式為

式中：為熱效率；為質(zhì)量流量；pf為比熱；fg為蒸發(fā)潛熱；b為沸騰溫度。當(dāng)op

Somasumdaram等[2]做了脈沖式噴霧冷卻在單相區(qū)和兩相區(qū)的比較研究，主要目的是研究閉式脈沖式噴霧冷卻占空比、頻率和表面溫度、熱流密度之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)分為不同的熱流區(qū)——11，22，33 W/cm2(低熱流密度，單相區(qū))；55，88 W/cm2(過渡區(qū))；108，125，149 W/cm2（高熱流密度，兩相區(qū)），噴嘴入口壓力分別為0.2，0.4，0.5 MPa。研究結(jié)果表明占空比在20%~70%（處于單相區(qū)），溫度梯度隨著表面溫度和熱流密度的升高而增加；占空比在60%~90%（處于過渡區(qū)），表面溫度梯度達(dá)到最大；占空比在40%~85%（處于兩相區(qū)），表面溫度梯度隨著表面過熱度的升高而減小。熱流密度在11~55 W/cm2，占空比隨著熱流密度的升高而增加，熱流密度在88~198 W/cm2時(shí)，占空比則出現(xiàn)相反的趨勢。在噴射入口壓力較低時(shí)（質(zhì)量流量小），工質(zhì)利用率最好。

Pan?o等[8]研究了脈沖噴霧和室溫下的表面之間的流體相互作用的瞬態(tài)行為，結(jié)果表明熱交換效率的高低和噴射條件有很大的關(guān)系，比如壓力、周期、占空比。增加噴射時(shí)間對(duì)噴油器動(dòng)力學(xué)的直接影響是噴霧的穩(wěn)定周期增大、液體質(zhì)量流量增加、熱表面換熱效率提高。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)噴射時(shí)間由5 ms增加到10 ms時(shí)，瞬態(tài)熱傳遞會(huì)發(fā)生顯著變化，這是由于產(chǎn)生了液滴的二次撞擊，致使固液交界處產(chǎn)生氣泡，破壞液膜，從而增強(qiáng)了換熱效率。

Moreira等[9]研究了內(nèi)燃機(jī)的工作特點(diǎn)，研究在不同工況下，初始壁面溫度保持恒定，采用脈沖式噴霧冷卻時(shí)，占空比、噴射頻率和噴射流量對(duì)熱流密度的影響。當(dāng)達(dá)到臨界熱流密度時(shí)，較低的頻率、較短的噴霧時(shí)間(5 ms)，換熱效率增加。

Wang等[10]研究了以R404為工質(zhì)脈沖式噴霧冷卻的表面換熱特性。他們采用的是先噴50 ms，然后關(guān)閉電磁閥，直到噴嘴內(nèi)的R404噴盡，大約在300 ms的時(shí)候開始下一次噴射。表面上仍然附有一層液膜，液膜厚度隨著時(shí)間發(fā)生強(qiáng)烈的變化。因此這種噴射在時(shí)間和空間上有著強(qiáng)烈的不均勻性。他們研究得到最佳的噴射距離為30 mm，熱流密度最高達(dá)483.04×10–3W/cm2，最大徑向溫差為60℃，熱流密度梯度最高可達(dá)400×10–3W/cm2。

李云忠等[11]研究了處于自然環(huán)境下的空調(diào)系統(tǒng)采用脈沖式噴霧冷卻對(duì)換熱器性能，尤其是對(duì)占空比的影響。在汽水壓力不變，換熱器進(jìn)水溫度、汽水總壓相同的條件下，占空比都是先增大后減小。在汽水壓力不變，換熱器進(jìn)水溫度不相同、汽水總壓相同的情況下，最佳占空比隨著溫度的增加而增大。在汽水壓力不變、換熱器進(jìn)水溫度相同，汽水總壓不相同的條件下，最佳占空比先增加后減小。

Somasumdaram等[12]對(duì)集成電路閉式回路脈沖式噴霧冷卻進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究表明造成表面溫度梯度超過限制值的主要原因是電磁閥的精度和傳感器的時(shí)間延時(shí)。熱流密度、傳熱系數(shù)、表面平均溫度也是也是影響表面溫差的三個(gè)因素。一般情況下，高熱流密度和高設(shè)置溫度點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致比較大的表面溫差。然而，在比沸點(diǎn)溫度高15 ℃處設(shè)置溫度點(diǎn)，在壓力為0.6 MPa，熱流密度為33 W/cm2時(shí)由于進(jìn)入兩相區(qū)發(fā)生相變，導(dǎo)致表面溫差最小。在最低的設(shè)置溫度點(diǎn)處，傳熱系數(shù)最高，隨著熱流密度的變化和連續(xù)噴霧冷卻相似。頻率有兩種定義方法：

(3)

公式（3）是根據(jù)表面溫度計(jì)算；公式（4）根據(jù)電磁閥打開和關(guān)閉的時(shí)間計(jì)算。

表1[12]為不同壓力和熱流密度的噴霧時(shí)間和停噴時(shí)間，可以看出噴霧時(shí)間on隨著熱流密度的增加而增加，而停噴時(shí)間off變化很小。在不同壓力下，高出設(shè)置點(diǎn)溫度10 ℃，隨著熱流密度的增加，冷卻速率減小，所以實(shí)際噴霧時(shí)間增大。在停噴期間，換熱表面會(huì)有一層液膜，所以芯片溫度不會(huì)上升很快，直到液膜溫度等于芯片表面溫度。實(shí)驗(yàn)表明脈沖式噴霧冷卻的換熱效率明顯高于連續(xù)噴霧。制冷工質(zhì)最大可以節(jié)省58%，占空比隨著熱流密度的增加而增大，隨著設(shè)置溫度的降低而降低。

表1 不同壓力、熱流密度的on、off值

Tab.1 ton , toff values with different P, q

Miguel等[13]進(jìn)一步研究了脈沖式噴霧冷卻表面換熱過程的物理原理，采用的工質(zhì)是HFE-7100，研究了噴射頻率、脈沖寬度、初始表面溫度、噴射壓力、噴嘴距被冷卻表面的距離對(duì)脈沖式噴霧冷卻系統(tǒng)性能的影響。實(shí)驗(yàn)證明占空比小，工質(zhì)更容易相變，表面冷卻效果更好。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果估算，在使熱表面達(dá)到同樣的冷卻效率下，脈沖式噴霧冷卻節(jié)約工質(zhì)10%~90%。其他關(guān)于噴霧冷卻的研究，都是根據(jù)熱力學(xué)第一定律評(píng)價(jià)其系統(tǒng)的性能，而作者卻通過熱力學(xué)第二定律（?分析）進(jìn)行分析。?分析的最大優(yōu)點(diǎn)是可以精確地找到哪個(gè)部分?損失最大，明白其原因并評(píng)估其對(duì)結(jié)果的影響，從而為如何優(yōu)化噴霧冷卻系統(tǒng)使可利用能量的利用率最大化提供了一個(gè)明確的物理認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)證明噴射特性不會(huì)受噴射頻率和脈沖寬度的影響。低占空比時(shí)，冷卻效率高，能夠帶走更多的熱量。

Karpov等[14]采用多噴嘴的脈沖式噴霧冷卻系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究噴射到垂直的等溫表面的換熱特性。主要研究了二元乙醇-水混合物組分對(duì)熱傳遞強(qiáng)度和蒸發(fā)冷卻效率的影響，并對(duì)液相供給脈沖持續(xù)時(shí)間的變化進(jìn)行了分析。二元乙醇-水混合物的體積濃度分為1=0~96%，噴射時(shí)間=2，4，10 ms，頻率為10 Hz。隨著噴射時(shí)間的增加，整體的傳熱系數(shù)增大。在1=50%~60%時(shí)，換熱系數(shù)最高，因?yàn)樵谶@個(gè)濃度區(qū)間里，進(jìn)入兩相區(qū)溫度降低，進(jìn)而提高了傳熱效率。換熱效率隨著脈沖寬度的減小而增大，隨著乙醇溶液的濃度增大而增大。

Nazarov等[15]研究結(jié)果表明以水為工質(zhì)脈沖式噴霧冷卻的脈沖寬度對(duì)傳熱系數(shù)沒有實(shí)際的影響。另一組實(shí)驗(yàn)以氣體液滴氣溶膠為工質(zhì)，氣流可以擾亂換熱表面液膜的形成，提高換熱效率。頻率為1~10 Hz，脈沖寬度為1~10 ms，換熱表面恒為70℃，噴射距離為230 mm。結(jié)果表明在一個(gè)較低的流量和脈沖寬度下，換熱系數(shù)達(dá)到最大值。

Moreira等[16]研究表明在噴霧范圍區(qū)間內(nèi)，表面冷卻曲線隨著頻率和噴射時(shí)間的變化而變化；局部臨界熱流密度與噴霧時(shí)間之間是相互獨(dú)立的，與頻率成線性變換關(guān)系。

Moreira等[17]研究在噴射頻率為10~30 Hz，周期恒為5 ms，占空比為5%，7.5%，10%，15%，噴嘴入口壓力為0.3 MPa的條件下，研究影響表面換熱特性的因素。分別研究噴射時(shí)間和頻率的變化對(duì)表面的中心和邊緣區(qū)域溫度和熱流密度的影響。換熱表面被分為四個(gè)部分，在表面的中心第一個(gè)區(qū)域溫度迅速下降，因?yàn)閲姷奖砻娴囊旱慰焖僬舭l(fā)，熱流密度達(dá)到最大；第二個(gè)區(qū)域內(nèi)溫度降到最小，但是溫度的降低速率減慢，熱流密度幾乎保持不變甚至稍微減小，這是由于表面的液膜作用，蒸發(fā)速率減小；第三個(gè)區(qū)域內(nèi)溫度增加，是由于表面殘余液體的完全蒸發(fā)。在邊緣區(qū)域，瞬時(shí)熱行為是非常復(fù)雜的，研究表明表面中心的平均熱流密度值的絕對(duì)值大約是邊緣區(qū)域的四倍。

Kopchikov等[18]研究表明薄膜蒸發(fā)機(jī)制是控制臨界熱流密度的主要因素，而與噴射頻率等其他噴射條件無關(guān)。然而Pautsch等[19]卻得出相反的結(jié)論，在低頻率時(shí)，薄膜蒸發(fā)既受噴射在表面液體的限制，也受去除表面蒸汽的影響；Rini和Shedd等[ 20-21]研究得出在高頻率時(shí)，液滴穿過薄膜并與薄膜融合，表面溫度逐漸恢復(fù)。

Pan?o等[22]利用多噴嘴脈沖式噴霧冷卻對(duì)大功率電子設(shè)備熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究。為了探索最佳頻率和噴霧時(shí)間(DCDinj×inj×100%)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)裝置的限制，占空比DC設(shè)置為30%或50%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于多噴嘴脈沖式噴霧冷卻，頻率越高，表面溫度越低。因此，高頻率使表面換熱系數(shù)提高。在噴嘴數(shù)=3時(shí)，占空比≥70%≠100%，對(duì)熱表面的散熱效果和連續(xù)噴霧相同。

Pan?o等[22]發(fā)現(xiàn)液膜的厚度隨著占空比(DC)的增加而變厚，和“死亡時(shí)間”（停止噴射到下一個(gè)新的噴射開始）成反比，通過蒸發(fā)液膜提高傳熱效率。如果注射頻率為60 Hz，占空比（DC）在45%~90%，隨著占空比的增加，努塞爾數(shù)Nu減小。雅各布數(shù)（Jakob number）是表示單相換熱和兩相換熱的一種重要的度量。當(dāng)DC=45%，60%和90%時(shí)，雅各布數(shù)隨著DC的增加而減小。

Zhang等[23]在壓力0.3 MPa，距熱表面距15 mm，固定周期200 ms，不同的占空比的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 相同周期、不同占空比的流量

Tab.2 Flow rates for the constant spray cycle of 200 ms and various duty ratios

傳熱系數(shù)和熱流密度隨表面過熱度的關(guān)系如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2明顯看出連續(xù)噴霧的熱流密度和傳熱系數(shù)比脈沖式噴霧大，所以表面換熱量隨著液滴速度質(zhì)量平均值的增加而增大。表明在霧滴參數(shù)相似的情況下，在一定壓力時(shí)，連續(xù)噴霧比脈沖式噴霧冷卻的換熱效率更高。然而，在單相換熱時(shí)，消耗相同質(zhì)量的水時(shí)，情況則截然相反，在周期為300 ms、噴射時(shí)間150 ms時(shí)，脈沖式噴霧冷卻效率比連續(xù)噴霧高35.8%。說明最佳占空比、噴霧周期能提高工質(zhì)的利用率。

通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)在噴霧高度、壓力等參數(shù)保持不變的情況下，存在最佳占空比使脈沖式噴霧冷卻換熱效率比連續(xù)噴霧冷卻高，而且更加節(jié)省工質(zhì)。所以研究最佳占空比就尤為重要。另外，研究者應(yīng)該致力于在找到最佳占空比的基礎(chǔ)上，尋找汽化潛熱大，沸點(diǎn)低，同時(shí)能夠滿足電子元器件冷卻中對(duì)表面溫度要求的冷卻工質(zhì)，使表面換熱效率進(jìn)一步提升。

圖1 熱流密度q隨表面過熱度的變化

圖2 傳熱系數(shù)隨h表面過熱度的變化

冷卻工質(zhì)的種類很多，由于不同的工質(zhì)其化學(xué)和物理性質(zhì)不同，會(huì)通過導(dǎo)熱系數(shù)、表面張力、固液接觸角等方面對(duì)表面換熱效率產(chǎn)生巨大影響。所以下一步應(yīng)該采用高換熱效率的納米流體、制冷劑、添加劑溶液的方法提高脈沖式噴霧冷卻的換熱效率。

Wang等[10]研究了以R404為工質(zhì)脈沖式噴霧冷卻的表面換熱特性。

Pan?o等[22]進(jìn)一步研究了脈沖式噴霧冷卻表面換熱過程的物理原理，采用的工質(zhì)是HFE-7100，研究了噴射頻率、脈沖寬度、初始表面溫度、噴射壓力、噴嘴距被冷卻表面的距離對(duì)脈沖式噴霧冷卻系統(tǒng)性能的影響。實(shí)驗(yàn)證明占空比小，工質(zhì)更容易相變，表面冷卻效果更好。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果估算，在使熱表面達(dá)到同樣的冷卻效率下，脈沖式噴霧冷卻節(jié)約工質(zhì)10%~90%。其他關(guān)于噴霧冷卻的研究，都是根據(jù)熱力學(xué)第一定律評(píng)價(jià)其系統(tǒng)的性能，而作者卻通過熱力學(xué)第二定律（?分析）進(jìn)行分析。

Zhang等[23]采用多噴嘴的脈沖式噴霧冷卻系統(tǒng)，研究噴射到垂直的等溫表面的換熱特性。主要研究了二元乙醇-水混合物組分對(duì)熱傳遞強(qiáng)度和蒸發(fā)冷卻效率的影響，并對(duì)液相供給脈沖持續(xù)時(shí)間的變化進(jìn)行了分析。二元乙醇-水混合物的濃度為1=0~96%，噴射時(shí)間=2，4，10 ms，頻率為10 Hz。隨著噴射時(shí)間的增加，整體的傳熱系數(shù)增大。在1=50%~60%時(shí)，換熱系數(shù)最高，因?yàn)樵谶@個(gè)濃度區(qū)間里，進(jìn)入兩相區(qū)，進(jìn)而提高了傳熱效率。換熱效率隨著脈沖寬度的減小而增大，隨著乙醇溶液濃度的增大而增大。

2.3 噴霧參數(shù)等因素

噴嘴距熱源表面的高度、液滴直徑、噴霧傾角、熱源表面結(jié)構(gòu)等因素都是影響噴霧冷卻換熱效率的重要因素。所以關(guān)于這些方面的研究也很多，但都是針對(duì)連續(xù)性噴霧冷卻的研究，這里就不一一贅述了，針對(duì)脈沖式噴霧的研究幾乎空白，所以這些方面還有待深入研究。

綜上可知，占空比確實(shí)可以提高表面的換熱效率、節(jié)省工質(zhì)，是脈沖式噴霧冷卻一個(gè)重要的控制因素。盡管如此，筆者認(rèn)為在電子冷卻領(lǐng)域脈沖式噴霧冷卻是一個(gè)很有前景的技術(shù)，但是影響占空比的因素非常復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)精確控制很難。今后對(duì)脈沖式噴霧冷卻的研究最重要的部分就是研究最佳占空比，在其基礎(chǔ)上研究傾斜角、相變等其他因素對(duì)換熱效率的影響。

3 結(jié)論與展望

脈沖式噴霧冷卻是一種新型的冷卻技術(shù)，為解決電子元器件、激光器件等高熱流密度的散熱問題提供了一種新的思路。本文基于國內(nèi)外相關(guān)研究成果，綜述了占空比、頻率、周期等因素對(duì)脈沖式噴霧冷卻的換熱效率等問題的影響和存在的問題，它們存在一個(gè)最優(yōu)值使得換熱效率達(dá)到最大，并且提出了解決辦法和以后的研究方向。比如：

(2)建筑物的抗震加固以提高其整體性為原則，一般可以在外墻外側(cè)增設(shè)混凝土圈梁和構(gòu)造柱，但由于原結(jié)構(gòu)砂漿強(qiáng)度等級(jí)太低，不能與新增加的構(gòu)件進(jìn)行可靠的連接，節(jié)點(diǎn)不易處理，因此在1層至3層所有墻體均增設(shè)鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層，內(nèi)設(shè)Φ 6 mm的鋼筋網(wǎng)片。同時(shí)在需設(shè)構(gòu)造柱及圈梁的地方配置鋼筋加強(qiáng)帶來代替構(gòu)造柱和圈梁。

（1）選擇一種合適電子元件的制冷劑，噴霧冷卻的主要工作原理就是通過制冷劑蒸發(fā)帶走熱表面熱量來降低溫度，所以制冷工質(zhì)的物理化學(xué)特性對(duì)表面換熱效率有著很大的影響；通過研究制冷工質(zhì)的化學(xué)物理特性，選擇飽和溫度較低、無腐蝕性的工質(zhì)、適合電子元器件的制冷工質(zhì)；

（2）研究脈沖式噴霧冷卻對(duì)表面微結(jié)構(gòu)換熱特性的影響，通過實(shí)驗(yàn)說明其影響，分析其換熱理論；

（3）研究傾角對(duì)脈沖式換熱特性的影響，本課題組李麗榮研究了噴射傾角對(duì)連續(xù)噴霧冷卻換熱特性的影響，實(shí)驗(yàn)表明存在最佳傾角18°，相比垂直噴射，其換熱效率提高了11.1%；

（4）降低制冷劑的飽和溫度；這就要求建立一個(gè)密閉的噴霧冷卻系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)抽真空，使空間壓力降低，進(jìn)而降低蒸發(fā)溫度，從而使表面換熱效率提高；

（5）研究添加劑溶液對(duì)脈沖式噴霧冷卻換熱效果的影響；

（6）利用模擬研究的方法來驗(yàn)證脈沖式噴霧冷卻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析表面的換熱原理和連續(xù)噴射表面換熱原理的區(qū)別；

（7）分別研究開式系統(tǒng)和抽真空系統(tǒng)脈沖式噴霧冷卻的換熱效率，比較在單相區(qū)和兩相區(qū)，連續(xù)噴霧冷卻和脈沖噴霧冷卻的換熱效率，分析其原因。

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（編輯：陳渝生）

Experimental research progress of pulse spray cooling

LIANG Yong, LIU Ni

(Institute of Refrigeration and Cryogenic Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Pulsed spray cooling plays a crucial role in the development of high-power electronics devices, and it has the potential to significantly improve the heat transfer efficiency of electronic components. This paper introduces the advantage of pulsed spray cooling compared to conventional continuous spray cooling. The research of pulse spray cooling at home and abroad is reviewed, and the effects of duty cycle, frequency and spray cycle on the heat transfer efficiency of the surface are summarized. In the end, the conclusion about pulsed spray cooling and the future research direction is discussed.

pulse; spray cooling; review; duty cycle; spray cycle; critical heat flux; electronic cooling

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.04.004

TM201.4+2

A

1001-2028（2017）04-0021-06

2017-01-21

劉妮

劉妮（1974－），女，山東青島人，副教授，研究方向?yàn)槲娎鋮s技術(shù)等，E-mail: 13162328265@163.com；梁勇（1991－），男，陜西咸陽人，研究生，研究方向?yàn)槲娎鋮s技術(shù)，E-mail: 13162328265@163.com 。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-04-11 10:49

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170411.1049.004.html