泵驅(qū)兩相冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證*

馮亞利，黃勝利，高長松，鄭善偉

（中航光電科技股份有限公司，河南洛陽471003）

引 言

隨著電子設(shè)備的組裝密度和單器件的功率越來越高(如T/R組件、激光器等設(shè)備中單器件的熱流密度已超過100 W/cm2，以水為介質(zhì)的傳統(tǒng)單相液體對(duì)流換熱系數(shù)一般為1 000～ 1 500 W/（m2·K），解決高熱流密度器件散熱問題的難度越來越大。兩相換熱方式具有更高的換熱效率，介質(zhì)為水時(shí)傳熱系數(shù)為2 500～ 35 000 W/（m2·K）[1]，比傳統(tǒng)單相換熱高一個(gè)數(shù)量級(jí)，在解決高熱流密度器件的散熱問題方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此，近年來該技術(shù)得到越來越多的關(guān)注和研究。

機(jī)械泵驅(qū)兩相流體回路（Mechanically Pumped Two-phase Loop, MPTL）是以機(jī)械泵作為驅(qū)動(dòng)元件、以精密控溫型儲(chǔ)液器作為控溫元件、在蒸發(fā)段吸收發(fā)熱元件的熱量、在冷凝段釋放熱量的閉合回路控溫技術(shù)。該技術(shù)只需很小的輸入功耗就可讓整個(gè)回路具備很大的傳熱能力，且能夠?qū)嵩催M(jìn)行精密控溫，可以解決小空間、高熱載、高精度、多熱源或復(fù)雜分布熱源的冷卻問題[2]。它最初應(yīng)用于航天冷卻系統(tǒng)，俄羅斯航天中心和美國國家航空航天局分別對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了10多年的研究。鑒于該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，國內(nèi)也開展了很多研究。文獻(xiàn)[3]利用金剛石微槽道結(jié)合泵驅(qū)兩相流體回路，論述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程、微槽道蒸發(fā)器設(shè)計(jì)以及工質(zhì)和循環(huán)泵選型，并對(duì)不同工況下的換熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得出其換熱熱流密度可達(dá)到271 W/cm2；文獻(xiàn)[4]搭建了試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)的加熱增壓、機(jī)械泵啟動(dòng)和熱載啟動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)在啟動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生液體過熱現(xiàn)象且有較大的壓力沖擊，得出啟動(dòng)溫度越低，產(chǎn)生的過熱度就越大的結(jié)論；文獻(xiàn)[5]利用SIND/FLUENT和Matlab/Simulink軟件分別對(duì)毛細(xì)驅(qū)動(dòng)的平板型環(huán)路熱管和泵驅(qū)動(dòng)兩相環(huán)路熱控系統(tǒng)建立動(dòng)態(tài)模型，從各個(gè)方面進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)泵驅(qū)動(dòng)回路比毛細(xì)驅(qū)動(dòng)回路更穩(wěn)定，受重力的影響更小，并針對(duì)這2種兩相回路分別提出了雙通道和雙輻射器的改進(jìn)方案。從目前的研究來看，對(duì)泵驅(qū)兩相冷卻系統(tǒng)的研究還不充分，尤其是結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用需求的性能研究更少。本文基于某車載應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行了泵驅(qū)兩相冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性、換熱性能及熱負(fù)荷變化對(duì)多支路流量分配的影響。

1 泵驅(qū)兩相冷卻試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理

泵驅(qū)兩相冷卻系統(tǒng)主要由工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、冷凝器、儲(chǔ)液箱、連接管路、流體連接器、壓力傳感器、溫度傳感器、流量計(jì)、加排閥等組成，其原理如圖1所示。蒸發(fā)器內(nèi)處于氣液兩相狀態(tài)的工質(zhì)吸收熱量后產(chǎn)生相變汽化，干度增大，流經(jīng)回?zé)崞靼褵崃總鹘o從泵輸送出來的過冷液，干度降低，再通過冷凝器把熱量排散給外部冷卻裝置，干度進(jìn)一步降低，達(dá)到過冷狀態(tài)。從冷凝器流出的過冷液再順序通過工質(zhì)泵、回?zé)崞鳎?jīng)過回?zé)崞骱蠼档瓦^冷度再回流到蒸發(fā)器中。工質(zhì)在回路中的循環(huán)流動(dòng)由工質(zhì)泵提供的動(dòng)力來維持，如此往復(fù)循環(huán)實(shí)現(xiàn)高效換熱。系統(tǒng)中的冷凝器為板式液–液換熱器，需通過外部液冷系統(tǒng)提供冷卻液。試驗(yàn)驗(yàn)證泵驅(qū)兩相冷卻系統(tǒng)的實(shí)物如圖2所示。

圖1 原理圖

圖2 實(shí)物圖

1.2 工質(zhì)選擇

泵驅(qū)兩相冷卻系統(tǒng)主要是依靠工質(zhì)的相變來傳遞熱量的，因此工質(zhì)的物理性質(zhì)對(duì)系統(tǒng)的工作特性具有重要的影響。一般來說，循環(huán)工質(zhì)應(yīng)該具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)性，在工作溫度范圍內(nèi)蒸汽壓力不宜過高也不宜過低，除了要考慮工質(zhì)的安全性、與管殼和系統(tǒng)部件材料的相容性等一般性問題外，還要考慮工作溫度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、冷卻穩(wěn)定性、蒸發(fā)段等溫性和熱量傳遞特性等因素。故工質(zhì)的選擇應(yīng)遵循以下幾個(gè)方面的原則：

1）工質(zhì)應(yīng)適用于工作溫度區(qū)，并有適當(dāng)?shù)娘柡驼羝麎海?/p>

2）化學(xué)性能穩(wěn)定，惰性；

3）無毒，不可燃，環(huán)境友好；

4）沸點(diǎn)和臨界溫度合適，粘度小，導(dǎo)熱系數(shù)大，汽化潛熱大；

5）與常見材料相容；

6）冰點(diǎn)低，介電常數(shù)大，價(jià)格低。

工質(zhì)與接觸材料的相容性是最重要的考慮因素，因工質(zhì)與接觸材料不相容和熱性能不穩(wěn)定都會(huì)產(chǎn)生不凝性氣體，使換熱性能變壞，甚至使系統(tǒng)無法工作。目前，還沒有完整的理論來計(jì)算材料的相容性，主要以相容性及壽命的研究為主。

根據(jù)上述原則，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，常用的工質(zhì)主要有R22，R134a，R245fa，氨等。綜合考慮幾種常見工質(zhì)的飽和蒸汽壓力、汽化潛熱以及系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，并結(jié)合系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度（?55°C～ 70°C），擬選用R134a作為工質(zhì)。R134a工質(zhì)的化學(xué)性能穩(wěn)定，與絕大多數(shù)材料均相容，是公認(rèn)的環(huán)保型氟利昂材料，其飽和蒸汽壓、汽化潛熱等均合適。

1.3 干度和流量

干度及流量設(shè)計(jì)需要考慮多方面的因素。如果流量過大，則泵功耗就較大；如果流量太小，則會(huì)出現(xiàn)元器件過熱的情況。對(duì)于熱流密度較小的情況，系統(tǒng)流量只要滿足總的傳熱量即可；對(duì)于高熱流密度散熱的情況，需要考慮干度對(duì)換熱性能的影響。為滿足機(jī)械泵長壽命的使用要求，儲(chǔ)液箱流出的工質(zhì)應(yīng)接近全液態(tài)（即干度接近0），以防止泵的汽蝕。為了保證蒸發(fā)器的流道壁面能完全潤濕以提高換熱效率，根據(jù)管內(nèi)R134a流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究結(jié)果，在直徑為1.1 mm的通道內(nèi)，當(dāng)干度< 0.5時(shí)，管內(nèi)R134a的流動(dòng)沸騰以核態(tài)沸騰為主導(dǎo)，且流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)與干度無關(guān)；當(dāng)干度> 0.5時(shí)，管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)局部燒干的現(xiàn)象[6–7]。

對(duì)于兩相系統(tǒng)的換熱，存在如下關(guān)系式：

式中：q為換熱量，W；m為質(zhì)量流量，kg/s；Cp為比熱，J/（kg·°C）；Tsat為工質(zhì)的飽和溫度，°C；Tin為蒸發(fā)器入口的溫度，°C；X為出口干度；γ為汽化潛熱，kJ/kg。據(jù)式（1）可以得到：

按照R134a的物性參數(shù)，驗(yàn)證系統(tǒng)的換熱量為1 000 W。考慮換熱性能及流阻，出口干度取0.25。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，蒸發(fā)器入口過冷度取3°C，則可以得到質(zhì)量流量。此流量可以在一定范圍內(nèi)適應(yīng)外部負(fù)載的變化，如功率增大，則蒸發(fā)器出口干度增大，功率減小則干度減小。根據(jù)式（2）計(jì)算得m=0.017 kg/s，換算成體積流量為0.86 L/min。

1.4 蒸發(fā)器設(shè)計(jì)

為提高換熱性能和散熱熱流密度，設(shè)計(jì)蒸發(fā)器（冷板）時(shí)流體通道采用微小通道結(jié)構(gòu)（圖3）。蒸發(fā)器材料為鋁合金，微小通道的設(shè)計(jì)寬度為0.5 mm，深度為4 mm，通過真空擴(kuò)散焊或真空釬焊方式實(shí)現(xiàn)通道的密封。

圖3 蒸發(fā)器通道結(jié)構(gòu)

1.5 工質(zhì)泵選型

工質(zhì)泵是兩相冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力源，是核心部件，應(yīng)用在兩相冷卻系統(tǒng)中。與常用的單相循環(huán)泵不同，工質(zhì)泵應(yīng)具備以下特性：

1）耐壓能力強(qiáng)，能在工作溫度范圍內(nèi)工質(zhì)飽和蒸汽壓下正常工作；

2）具有一定的兩相工質(zhì)驅(qū)動(dòng)能力，在入口工質(zhì)過冷度較小時(shí)，能正常工作；

3）具有流量小、揚(yáng)程大的特點(diǎn)，能為系統(tǒng)提供較大的驅(qū)動(dòng)力；

4）所用材料與工質(zhì)的兼容性很好。

基于上述需求，驗(yàn)證系統(tǒng)選用齒輪泵作為工質(zhì)泵，支持干運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)泵內(nèi)所有密封件采用與工質(zhì)兼容的三元乙丙橡膠。

1.6 管路及流體連接器

工質(zhì)泵、冷凝器和儲(chǔ)液箱之間的管路選用銅管焊接形成回路。為便于蒸發(fā)器的安裝及驗(yàn)證，工質(zhì)泵與蒸發(fā)器以及蒸發(fā)器與冷凝器之間的管路選用特氟龍軟管，內(nèi)層為PTFE軟管，內(nèi)壁光滑，外層為304不銹鋼編織層，能夠與R134a介質(zhì)兼容。液相管路采用1/4英寸（1英寸= 25.4 mm）的管路，管路外徑為12.4 mm，管路內(nèi)徑為6.4 mm；氣相管路采用3/8 英寸的管路，管路外徑為16 mm，管路內(nèi)徑為9.7 mm。

根據(jù)Qv=Av（Qv為體積流量，A為管路的截面積，v為工質(zhì)的流速），計(jì)算得工質(zhì)在液相管路內(nèi)的流速為0.39 m/s。假設(shè)液相工質(zhì)全部汽化，以純氣相計(jì)算工質(zhì)在氣相管路內(nèi)的流速為3.68 m/s。

考慮系統(tǒng)的可維護(hù)性及安裝操作性，在蒸發(fā)器與供/回液管路之間采用自密封流體連接器。系統(tǒng)內(nèi)部存在一定的飽和壓力，因此要求流體連接器具備帶壓插拔功能且密封材料應(yīng)與工質(zhì)兼容?；谏鲜鲆螅x用某鋼珠鎖緊且支持帶壓插拔的流體連接器TSRP/A–6產(chǎn)品。該流體連接器密封圈材料為三元乙丙橡膠，可在不大于1.7 MPa的壓力下進(jìn)行插拔操作而不會(huì)出現(xiàn)介質(zhì)泄漏。

1.7 高熱流模擬熱源

為驗(yàn)證系統(tǒng)的散熱熱流密度，模擬高熱流密度的熱源是進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)時(shí)采用變截面方式放大熱流密度，發(fā)熱電阻采用電磁場帶隙（Electromagnetic Band Gap, EBG）電阻，最大功率為800 W，在變截面轉(zhuǎn)接塊與電阻以及變截面轉(zhuǎn)接塊與蒸發(fā)器之間涂抹導(dǎo)熱硅脂。變截面轉(zhuǎn)接塊采用紫銅材料，它與蒸發(fā)器的接觸面為1 cm2，最大可模擬800 W/cm2的熱耗，其外形結(jié)構(gòu)如圖4所示?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)電源功率實(shí)現(xiàn)不同熱流密度的模擬熱耗。

圖4 模擬熱源

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證測試平臺(tái)主要包括泵驅(qū)兩相冷卻系統(tǒng)、溫度巡檢儀、直流電源、液冷源等，其原理如圖5所示。溫度巡檢儀用于采集蒸發(fā)器表面不同點(diǎn)的溫度；直流電源為模擬熱源供電，可通過調(diào)節(jié)電源功率實(shí)現(xiàn)不同功率的模擬熱源；液冷源為泵驅(qū)兩相冷卻系統(tǒng)冷凝器提供冷卻液。

圖5 驗(yàn)證平臺(tái)原理

2.1 熱流密度驗(yàn)證

采用單個(gè)高熱流密度模擬熱源，通過調(diào)節(jié)電源功率，改變模擬熱源的熱流密度，待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，記錄蒸發(fā)器前端的工質(zhì)溫度以及蒸發(fā)器接近熱源處的表面溫度，結(jié)果見表1。

由表1中的數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最高熱流密度達(dá)到了312.3 W/cm2。隨著熱流密度的增加，蒸發(fā)器表面的溫度與蒸發(fā)器出口工質(zhì)溫度的差值逐漸增大。這主要是由于驗(yàn)證時(shí)采用單熱源，功率不斷增大，但供液流量未變，使得溫差逐漸增大。

表1 不同熱流密度測試數(shù)據(jù)

2.2 均溫性驗(yàn)證

在蒸發(fā)器表面不同位置貼裝模擬熱源，并布置多個(gè)溫度采集點(diǎn)，如圖6所示。調(diào)節(jié)不同發(fā)熱功率，驗(yàn)證蒸發(fā)器表面的溫度均勻性。記錄的試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖6 多熱源蒸發(fā)器

表2 均溫性測試數(shù)據(jù)

從表2可以看出，不同發(fā)熱功率（熱流密度0.4～5.5 W/cm2）各測試點(diǎn)的最大溫差均在1°C之內(nèi)，最大溫差為0.6°C，均溫性較好。其主要原因是蒸發(fā)器內(nèi)的循環(huán)工質(zhì)為飽和液態(tài)，吸熱蒸發(fā)至兩相流，以蒸發(fā)相變吸收熱量為主，蒸發(fā)器流體通道內(nèi)流體溫度梯度很小。

2.3 流量分配驗(yàn)證

驗(yàn)證系統(tǒng)有2條負(fù)載回路，驗(yàn)證其中一條支路負(fù)載變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)流量分配的影響。支路1的負(fù)載功率維持在200 W不變，調(diào)節(jié)支路2的負(fù)載功率，使之逐步增大，記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

從表3可以看出，隨著支路2負(fù)載功率的逐步增大，支路2的流量逐步減小，而支路1的流量卻逐步增大。這是因?yàn)橹?的負(fù)載功率增大時(shí)，支路2蒸發(fā)器內(nèi)的工質(zhì)汽化量增大，導(dǎo)致流阻增大，進(jìn)而影響了支路1和支路2的流量分配，在總供液流量基本不變的情況下，使支路2的流量減小，支路1的流量增大。

表3 流量分配測試數(shù)據(jù)

2.4 其他性能驗(yàn)證

為驗(yàn)證泵驅(qū)兩相冷卻系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，按照GJB 150—2009的相關(guān)要求和方法進(jìn)行了高溫工作、低溫工作、低氣壓、振動(dòng)、沖擊等環(huán)境下的性能驗(yàn)證。在驗(yàn)證過程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且系統(tǒng)換熱性能及密封性能均滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。在振動(dòng)過程中蒸發(fā)器表面的最高溫度比振動(dòng)開始前降低了5.3°C。其原因?yàn)檎駝?dòng)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)存在一定的振蕩，破壞了熱邊界層，強(qiáng)化了蒸發(fā)器與工質(zhì)之間的換熱。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)用于高熱流密度器件散熱的泵驅(qū)兩相冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)以及主要組成部件的設(shè)計(jì)，并開展了熱流密度、均溫性、流量分配以及振動(dòng)、沖擊等性能試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1）結(jié)合微小通道技術(shù)的泵驅(qū)兩相冷卻系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不低于312 W/cm2的熱流密度，均溫性較好，溫差小于1°C；

2）對(duì)于多支路系統(tǒng)，某一支路的負(fù)載功率變化會(huì)影響系統(tǒng)的流量分配，進(jìn)而影響散熱性能；

3）環(huán)境、機(jī)械性能試驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。

泵驅(qū)兩相冷卻技術(shù)涉及沸騰換熱和兩相流動(dòng)，傳熱過程復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性及換熱性能受多種因素的影響，尤其是負(fù)載功率變化對(duì)系統(tǒng)流量分配的影響仍存在諸多的不確定性，是制約該技術(shù)在工程中推廣應(yīng)用的重要因素，也是后續(xù)研究的重要內(nèi)容。