壓電微孔霧化器的冷卻性能研究

蔡玉飛 朱春玲

壓電微孔霧化器的冷卻性能研究

蔡玉飛 朱春玲

（南京航空航天大學大學航空宇航學院 南京 210016）

為了研究微孔霧化器的噴霧冷卻性能，搭建了微孔霧化器的噴霧冷卻試驗臺，研究了霧化量、噴霧高度、霧化器驅(qū)動頻率等參數(shù)對冷卻性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)微孔霧化器的具有較好的冷卻效果，霧化量對對冷卻性能的影響基本呈線性關系；霧化性能隨著噴霧高度的增加而降低；霧化器的驅(qū)動頻率對冷卻性能基本沒有影響。研究結果可以為微孔霧化器的冷卻應用提供參考。

噴霧冷卻；微孔霧化；壓電；臨界熱流

0 引言

溫度是設備運行的一個重要環(huán)境，尤其是電子設備。運行實踐表明隨著溫度的增加元器件的失效率呈指數(shù)增長，不同程度上降低了設備的可靠性。例如超過一定值的高溫帶來的影響有：材料的絕緣性降低；晶體管、集成電路的電流增益變化；磁芯參數(shù)、電容量、電阻值發(fā)生改變，從而引起電信號失真或頻率產(chǎn)生漂移等[1]。設備的冷卻按冷卻方式的不同可以分為：微槽道熱沉冷卻、池浸沒式冷卻、噴射冷卻、電熱冷卻、熱管冷卻、熱聲冷卻等冷卻方式。按冷卻機理不同可以分為單相冷卻和相變冷卻兩種方式[2]。隨著電子組裝技術的不斷發(fā)展，組件的物理尺寸越來越小，而組裝密度也隨之增加，因此電子設備不斷向高熱流密度方向發(fā)展。這使得液體冷卻變得不可避免，而液體冷卻的形式有微通道單相液體冷卻、池浸沒式冷卻、噴霧冷卻和熱管等。以上幾種冷卻方式各有優(yōu)缺點，而在所有的換熱方式中噴霧冷卻是當中換熱能力最強，同時具有最好的等溫性能。噴霧冷卻時在外力作用下形成微小液滴撞擊到發(fā)熱表面，液滴可能會蒸發(fā)或者形成液膜，通過液體的氣化潛熱以及流體的對流換熱可以使發(fā)熱表面保持一個較低的表面溫度。由于噴霧冷卻的熱阻小于浸沒沸騰冷卻，噴霧冷卻的對流換熱效率也遠大于浸沒沸騰冷卻。噴霧還具有以下優(yōu)點：能夠在較大的發(fā)熱表面下獲得較為均勻的冷卻效果、更低的液滴撞擊速率、不會產(chǎn)生溫度超調(diào)等。

噴霧冷卻廣泛的應用于滅火[3]、降溫[4]、激光皮膚手術中的冷卻[5]、帶鋼熱軋的冷卻[6]以及電子設備的冷卻[7]等。Cader等[8]的研究表明噴霧冷卻可以使得芯片節(jié)溫度更低，從而在減少能源消耗同時提升了系統(tǒng)的可靠性。Cader等在雙核皓龍CompactPCI單板計算機上通過測試發(fā)現(xiàn)噴霧冷卻可以使芯片節(jié)的溫度降低33℃，同時相比于空氣冷卻噴霧冷卻可以減少35%的耗能。噴霧冷卻現(xiàn)在已經(jīng)被用于高性能計算機CRAY X-1以及陸基高功率半導體激光器列陣的冷卻，未來也將在天基激光器以及天基雷達中采用。噴霧冷卻同樣廣泛應用于房間濕度的調(diào)節(jié)，以及空調(diào)機組的蒸發(fā)冷卻當中[9]。目前所研究的噴霧冷卻大都采用壓力或氣動霧化設備，其特點是霧化量大、噴霧速度快但是液滴顆粒大、顆粒的均勻性較差，同時壓力和氣動霧化設備需要對氣體或液體加壓，霧化設備結構較為復雜。采用壓電驅(qū)動的微孔霧化器具有設備結構簡單、霧化顆粒小等特點，可以適用于局部發(fā)熱量大，對溫度控制要求嚴格的小型電子設備[10]。因此對微孔式霧化器的噴霧冷卻性能進行單獨研究很有必要。

1 噴霧冷卻的換熱理論

由于噴霧冷卻過程中涉及復雜的物理過程，因此其傳熱機理也非常復雜，現(xiàn)在對噴霧冷卻過程的研究普遍認為其傳熱過程主要由以下四部分組成：（1）發(fā)熱面液膜的蒸發(fā)；（2）液滴撞擊發(fā)熱面時產(chǎn)生的強迫對流；（3）發(fā)熱面上形成氣核帶來的增強換熱作用；（4）霧化液滴表面存在的二次成核點。圖1顯示了噴霧冷卻中的增強換熱的基本原理。除此之外也有其他研究人員提出了不同的傳熱機理，Selvam等人通過二維數(shù)值計算認為當氣泡離開液膜后其他液體補充進入過熱面時形成的瞬態(tài)傳熱是噴霧冷卻有如此高傳熱系數(shù)的主要原因[11,12]。

當發(fā)熱量較低時，噴霧冷卻主要以單相換熱為主，此時發(fā)熱表面溫度和熱流密度基本呈線性變化。此時發(fā)熱面上的液膜的溫度由于沒有足夠的時間升高到可以產(chǎn)生氣泡的溫度就會被新產(chǎn)生的液體替代流走。隨著溫度的增加相變在噴霧冷卻中變得更加重要，此時熱流密度值隨溫度上升的斜率也隨之增加。隨著溫度的進一步升高，沒有霧化液體撞擊的區(qū)域開始出現(xiàn)燒干現(xiàn)象，隨著溫度的進一步升高，發(fā)熱面大部分面積都開始出現(xiàn)燒干現(xiàn)象，直至出現(xiàn)臨界熱流密度（CHF）。噴霧冷卻的臨界熱流密度要比沸騰換熱大很多，因為噴霧冷卻產(chǎn)生的蒸氣相對沸騰換熱更容易被移除。

圖1 噴霧冷卻的傳熱機理圖

2 噴霧冷卻實驗方案

2.1 實驗裝置

為了測試微孔式霧化器的噴霧冷卻性能本文建立了圖2所示的測試平臺。測試平臺采用圓柱加熱管作為噴霧冷卻的冷卻面。為了保證加熱管表面溫度的均勻性，采用步進電機帶動加熱管旋轉(zhuǎn)。步進電機可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度。由于步進電機所能承受的最高環(huán)境溫度為50℃，為了保證電機的安全運行，需要在電機和加熱管之間安裝絕熱裝置，本文所采用的絕熱材料為云母板。由于加熱管在發(fā)熱時一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，而發(fā)熱面上的溫度傳感器以及加熱管的供電線需要有穩(wěn)定的接入點，因此在加熱管的下方安裝一導電滑環(huán)。為了防止導電滑環(huán)的溫度過高，在加熱管和導電滑環(huán)之間安裝一絕熱管，絕熱管同時起到加熱管電源線和溫度傳感器線走線通道的作用。

實驗采用單頭干燒加熱管作為熱源，其直徑為10mm，長度為70mm。加熱管在常溫下的電阻為65.5Ω，最高設計溫度300℃，設計電壓為110V。為了調(diào)節(jié)加熱管的發(fā)熱功率本文采用自耦變壓器來調(diào)節(jié)和控制加熱管的輸入電壓，自耦變壓器的輸入電壓為220V，輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍為0～250V，因此加熱管的加熱功率可以實現(xiàn)0～185W的調(diào)節(jié)范圍。

圖2 噴霧冷卻實驗裝置

為了實現(xiàn)發(fā)熱面更加均勻的冷卻，本文在試驗裝置中引入了加熱管的自轉(zhuǎn)裝置，自轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由電機、聯(lián)軸器、旋轉(zhuǎn)連接器、導電滑環(huán)等部分組成。為了防止加熱管的電源線以及粘貼在加熱管表面的溫度傳感器的線在跟隨加熱管轉(zhuǎn)動發(fā)生纏繞，因此需要在整個轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的一端設置導電滑環(huán)。導電滑環(huán)通過通過電刷對來傳遞電流，從而將轉(zhuǎn)動的發(fā)熱管電源導線的電流及鉑電阻的電信號傳遞給固定導線，本文采用外徑12mm的12芯導電滑環(huán)。

由于發(fā)熱管的長度可能大于噴霧的寬度，為了使噴霧均勻低噴灑在發(fā)熱面上，在霧化器的支架下設置一平面軸承，用于在冷卻過程中移動霧化噴嘴，使噴霧能夠完整覆蓋整個發(fā)熱棉。

2.2 測量系統(tǒng)

噴霧冷卻試驗的測量系統(tǒng)主要包括加熱管表面的溫度測量和加熱管的加熱功率測量兩部分。加熱管的表面溫度采用鉑電阻測量，鉑電阻通過導熱膠將其粘貼在加熱管上。為了抵消導線電阻對測量的影響，鉑電阻采用三線制接法，其電阻值采用研華ADAM-4015測量。ADAM-4015是16位A/D 6通道的熱電阻輸入模塊，可以采集兩線制和三線制熱電阻輸入信號。它為所有通道都提供了可編程的輸入范圍，同時具有斷線檢測功能。加熱管采用交流電供電，其加熱功率采用三相功率分析儀AWS2103進行測量。

2.3 實驗測試方法

完整的噴霧冷卻測試系統(tǒng)如圖3所示。直流電源為Rigol DP832A，其作用是為步進電機供電。信號發(fā)生器為Tektronix AFG3022C，該信號發(fā)生有兩個信號輸出通道，CH1輸出的信號為方波，作為步進電機的脈沖信號輸入，CH2輸出的信號為正弦波，作為霧化器的信號輸入，該信號需要經(jīng)過功率放大器的放大后連接到霧化器。示波器Tektronix TDS2014C用來測量施加在霧化器上電壓的峰峰值。具體測試順序如下：

（1）調(diào)整霧化器至指定高度；

（2）通過自耦變壓器調(diào)節(jié)發(fā)熱管的加熱功率；

（3）開啟步進電機和霧化器，記錄發(fā)熱管表面溫度的變化；

（4）等待發(fā)熱管表面溫度平衡后增加發(fā)熱管的供電功率，測量新的平衡溫度；

（5）當噴霧冷卻系統(tǒng)達到臨界熱流密度則停止實驗。

圖3 噴霧冷卻測試實驗圖

3 霧化器的霧化性能

由于在噴霧冷卻試驗中無法直接測量霧化器的霧化量，因此在研究霧化量等參數(shù)對冷卻性能的影響前首先需要測量該霧化器的霧化性能。影響霧化器霧化量大小的參數(shù)主要有驅(qū)動電壓和頻率兩個。在這兩個參數(shù)中驅(qū)動頻率對霧化量的影響要大于驅(qū)動電壓，只有驅(qū)動頻率在霧化器的諧振頻率附近時才能產(chǎn)生較大的霧化量，因此本文首先測量了驅(qū)動頻率對霧化量的影響，由于噴霧冷卻要求霧化器的霧化量必須達到一定的值產(chǎn)能產(chǎn)生噴霧冷卻效果，因此本文在測量過程中忽略了一些霧化量過小的頻率段。驅(qū)動電壓為峰峰值為70V時的測量結果如圖4所示。從圖4可以看出霧化器在100～140kHz頻率段有兩個共振點，分別位于115kHz和135kHz附近。而115kHz附近的霧化量最大，達到2.56mL/min。

圖4 霧化量隨驅(qū)動頻率的變化

圖5 霧化量隨驅(qū)動電壓的變化

在驅(qū)動頻率不變時霧化器的霧化量和驅(qū)動電壓呈正相關，圖5顯示了霧化器在兩諧振頻率及121kHz下的霧化量隨驅(qū)動電壓的變化。從圖5中可以看出當霧化器的在非諧振頻率下的霧化量要遠小于諧振頻率下的霧化量。在驅(qū)動電壓峰峰值為80V時=121kHz的霧化量為0.43mL/min，而=135kHz的霧化量為1.09mL/min，=115kHz時的霧化量為2.94mL/min，115kHz時霧化器的霧化量是121kHz時的近七倍。因此在諧振頻率下可以通過調(diào)節(jié)電壓來獲得一個較大范圍霧化量，本文在試驗中采用121kHz這一固定頻率，通過改變驅(qū)動電壓來實現(xiàn)霧化量的調(diào)節(jié)，而研究驅(qū)動頻率對噴霧冷卻性能影響時采用135kHz時霧化器的冷卻性能作為對比。

3.1 噴霧冷卻性能測試及分析

本章主要研究噴霧高度、霧化量、驅(qū)動頻率、發(fā)熱管轉(zhuǎn)速等參數(shù)對噴霧冷卻性能的影響。評價噴霧冷卻性能的參數(shù)主要有噴霧冷卻效率、發(fā)熱管表面溫度等參數(shù)。

由于水具有價格便宜、比熱大、無毒、易獲取以及對于環(huán)境友好等優(yōu)點，本文采用水作為噴霧冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)，工作壓力為一個大氣壓，在該壓力下水的熱物理性質(zhì)如表1所示。

圖6為霧化器在驅(qū)動電壓峰峰值為80V、頻率為115kHz、加熱管轉(zhuǎn)動速率為50rev/min時的冷卻性能。圖7為不同發(fā)熱功率時發(fā)熱管表面液滴情況照片。從圖6可以看出霧化器在該工況下的最大冷卻熱量約為60W，當霧化器的冷卻量在40W以下時噴霧冷卻的冷卻主要以液體單相冷卻為主，具體照片如圖7(a)和(b)所示。此時發(fā)熱管上積聚有大量的霧化液滴，此時的換熱主要以液體和發(fā)熱管之間的單相換熱為主；隨著發(fā)熱功率的增加，液體開始大量蒸發(fā)，發(fā)熱管上的液滴數(shù)量逐漸減少（圖7(c)）；隨著發(fā)熱功率的進一步增加，最終發(fā)熱管上的液滴基本全部蒸發(fā)出現(xiàn)燒干現(xiàn)象（圖7(d)）。

表1 標準大氣下飽和水的物理性質(zhì)

圖6 噴霧冷卻性能圖

3.2 霧化量對噴霧冷卻性能的影響

圖8是發(fā)熱管中心軸距離霧化噴嘴高度為5cm、驅(qū)動頻率為115kHz、發(fā)熱管轉(zhuǎn)速為100rev/min時，霧化器在不同流量下發(fā)熱管發(fā)熱量和平均表面溫度之間的關系。從圖中可以看出隨著霧化流量的增加，相同表面溫度下可以冷卻的發(fā)熱量逐漸增加，但是當表面溫度較低時這一區(qū)別較小，隨著表面溫度的增加流量對冷卻效果的影響會變得明顯。此外從圖7可以發(fā)現(xiàn)當發(fā)熱量達到噴霧冷卻的臨界發(fā)熱量后發(fā)熱面的溫度會隨著發(fā)熱量的增加而急劇增加，而從噴霧冷卻曲線的趨勢可以看出這四個霧化量下發(fā)熱管均已達到臨界發(fā)熱量。本文以曲線中的最大發(fā)熱量作為臨界發(fā)熱量，由此可以計算出臨界發(fā)熱量和霧化量之間的關系，如圖9所示。從圖9可以看出臨界發(fā)熱量和霧化量基本呈線性關系。因此提高發(fā)熱量是提高噴霧冷卻效果的一個簡單有效的方式。

圖7 不同發(fā)熱功率時的發(fā)熱管表面照片

圖8 不同霧化量下的噴霧冷卻曲線

圖9 流量與臨界發(fā)熱量關系圖

3.3 噴霧高度對噴霧冷卻性能的影響

噴霧高度對冷卻性能的影響主要有兩個方面：首先隨著噴霧高度的增加，噴霧液滴的速度隨之減小，液滴和發(fā)熱表面的撞擊力也會減小，從而減小了噴霧冷卻的對流換熱性能；其次，由于霧化器的噴霧為外形為圖10(a)所示的類似圓錐的外形，因此在噴霧過程中會有部分液滴不會撞擊到發(fā)熱管表面而不能產(chǎn)生有效的冷卻效果，而隨著噴霧高度的增加能夠直接撞擊發(fā)熱管上的霧化液滴就越少。

圖10 霧化器噴霧外形和發(fā)熱管位置圖

圖11給出了兩種不同霧化量下，不同霧化高度下的噴霧冷卻性能。從圖中可以看出隨著噴霧高度的增加，噴霧冷卻的性能降低。為了分別考慮上述兩個原因?qū)鋮s性能的影響本文首先測量了霧化器在不同高度下的噴霧寬度（圖10(b)）。本文采用測量霧化器浸潤發(fā)熱管長度的方法來測量不同噴霧高度下的噴霧半徑。本文在測量時認為霧化器產(chǎn)生的噴霧范圍是軸對稱的。具體測量方法如下：

（1）固定霧化器；

（2）調(diào)整發(fā)熱管的位置，使得發(fā)熱管的中心軸的中心點和霧化器的對稱軸在同一豎直線上；

（3）調(diào)整發(fā)熱管的高度使霧化器和發(fā)熱管中心軸之間的距離至測量值；

（4）啟動霧化器工作5s后關閉霧化器；

（5）測量發(fā)熱管被霧化液滴浸潤的長度。

圖11 不同高度下的冷卻特性曲線

從圖10(c)可以看出有效噴霧面積為以近似矩形，其面積可以通過下式進行計算：

其中為噴霧浸潤長度，角位置如圖9(c)所示，為發(fā)熱管半徑。表2為驅(qū)動電壓峰峰值為70V時霧化器在不同噴霧高度下的霧化半徑及有有效噴霧面積。由圖9可知噴霧冷卻的極限發(fā)熱量和霧化量基本呈線性正比關系，為了與3.2節(jié)的測量結果進行比較，本文以霧化高度為5cm時的霧化量為標準霧化量值，在其他高度下的霧化量利用面積比進行等效，其計算公式為

表2 不同高度下有效噴霧面積測量結果

圖12 不同噴霧高度下的極限發(fā)熱量

3.4 驅(qū)動頻率對噴霧冷卻性能的影響

圖13 不同驅(qū)動頻率下的噴霧冷卻特性曲線

霧化器驅(qū)動頻率的改變會使布撒器的振型、產(chǎn)生單個液滴的時間等參數(shù)發(fā)生改變，這會影響霧化器產(chǎn)生液滴的大小、分布及霧化量。由3.2節(jié)的分析可知霧化量對噴霧冷卻性能的具有非常重要的影響，因此在分析驅(qū)動頻率對噴霧冷卻性能影響時首先要保證霧化量的一致。由圖4可知霧化器在驅(qū)動頻率為115kHz，驅(qū)動高電壓峰峰值為35V時的霧化量為0.97mL/min，而在驅(qū)動高頻率為135kHz，驅(qū)動電壓峰峰值為80V時的霧化量為1.09mL/min，兩者的霧化量接近，因此本文采用這兩種工況作為比較工況。圖13為霧化器在這兩種工況下的噴霧冷卻特性曲線，噴霧的高度為5cm，從圖13中可以看出這兩條噴霧冷卻曲線的位置非常接近，由此可以看出在噴霧冷卻方面頻率對其影響相對較小。

4 總結

本文搭建了一個基于微孔霧化器的噴霧冷卻平臺，利用圓柱形發(fā)熱管作為模擬發(fā)熱元件，研究了霧化器在冷卻方面的性能。從本文的試驗結果可以發(fā)現(xiàn)雖然基于動錐角的霧化器的噴霧冷卻性能低于壓力霧化器，但是由于基于動錐角的霧化器采用壓電陶瓷作為驅(qū)動單元，霧化器的結構簡單，因此可以用于對冷卻裝置安裝空間要求嚴格的環(huán)境中。具體結論如下：

（1）回顧文獻分析了噴霧冷卻的換熱機理；

（2）搭建了噴霧冷卻試驗平臺；

（3）通過實驗分析了霧化量、噴霧高度、霧化器驅(qū)動頻率等參數(shù)對噴霧冷卻性能的影響；

（4）霧化量和噴霧高度對冷卻性能有著重要的影響，而驅(qū)動頻率對冷卻性能幾乎沒影響，其中噴霧高度對性能的影響最終也反應在霧化量上。

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Study on the Cooling Performance of Piezoelectric Micro-aperture Atomizer

Cai Yufei Zhu Chunling

( College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 210016 )

In order to study the spray cooling performance of the micro-aperture atomizer, a spray cooling test bench was set up, and the effects of the parameters such as the atomizing rate, the spray height, and the atomizer driving frequency on the cooling performance were studied. The results show that the micro-aperture atomizer has a good cooling effect, the atomization rate has a linear relationship with the cooling performance; the atomization performance decreases with the increase of the spray height; the driving frequency of the atomizer has almost no effect on performance. The research results are helpful to the cooling application of micro-aperture atomizers.

spray cooling; micro-aperture atomization; piezoelectric; critical heat flux

TK124

A

1671-6612（2019）03-221-07

國家973計劃（2015CB755800）資助

蔡玉飛（1984-），男，漢族，博士，博士后，E-mail：locyfve@nuaa.edu.cn

朱春玲（1968-），女，漢族，博士，教授，E-mail：clzhu@nuaa.edu.cn

2018-06-04