（机械电子工程专业论文）循环喷雾冷却实验系统设计及喷雾冷却实验研究.pdf

摘要 随着电子元器件功率密度不断增大，传统自然对流、强迫对流、热管散热等 传统电子散热方法已逐渐不能满足今后电子技术发展的需求。喷雾冷却技术以其 散热能力高、冷却过程中温差小、工质需求量小等优点受到研究者广泛关注。因 为喷雾冷却换热机理复杂，影响因素众多，目前还需要进行更多的理论及实验研 究。 研究比较目前喷雾冷却系统，发现喷雾冷却的冷却液在工程应用中的循环利 用是一关键问题，实现循环系统的产品化是应用喷雾冷却技术的前提，针对冷却 液循环利用这一工程应用问题，提出利用微通道换热器实现喷雾冷却的冷却液循 环利用的方案。设计并加工出了微通道换热器、喷雾腔等实验装置，并对其设计 思路，装配方式进行了详细的阐述。对实验系统其它关键组成部分如喷嘴、泵、 冷却剂进行了比较性选择，搭建起了循环喷雾冷却实验系统，为喷雾冷却换热机 理实验研究及工程应用打下基础。 本文以循环喷雾冷却系统为实验平台，以水为工质，对三个实心圆锥压力雾 化喷嘴在恒热流密度、恒入口水温条件下进行了不同进口压力和喷射高度情况下 的无沸腾喷雾冷却实验研究。实验结果表明：在实验工况下，质量流量大于2 5 9 s ， 可以实现热源表面平均温度低于7 0 。c 。当喷雾区域与热源表面相内切时，热源表 面平均温度相对较低。在喷雾高度为h l = 3 6 7 m m ，h 2 = 2 6 m m 时液膜中心会产生一 个直径大约6 毫米的圆型凸面，通过实验测量发现，热源表面中心温度相对四周 较高，在两个高度时分别平均高出1 5 4 ，2 4 5 。 关键词：喷雾冷却循环喷雾冷却系统微通道换热器无沸腾 a b s t r a c t a st h ep o w e rd e n s i t yo fe l e c t r o n i cc o m p o n e n t si s i n c r e a s i n g ，a n dt r a d i t i o n a l n a t u r a lc o n v e c t i o n ，f o r c e dc o n v e c t i o n ，h e a tp i p ec o o l i n gm e t h o d ss u c ha sc o n v e n t i o n a l e l e c t r o n i cc o o l i n gd i m i n i s h e dt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g yt om e e tf u t u r e n e e d s s p r a yc o o l i n gt e c h n o l o g yf o ri t sh i g hh e a tc a p a c i t yo ft h ec o o l i n g p r o c e s s t e m p e r a t u r ei ss m a l l ，t h ea d v a n t a g e so fs m a l lr e f r i g e r a n th a sa t t r a c t e dt h ea t t e n t i o no f r e s e a r c h e r s s p r a yc o o l i n gh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s mi sv e r yc o m p l e xb e c a u s eo fi t s i m p a c ta r em a n yf a c t o r s ，i ss t i l lan e e df o rm o r et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d y s t u d i e sc o m p a r i n gc u r r e n ts p r a yc o o l i n gs y s t e ma n df o u n dt h a tt h ec o o l i n gl i q u i d s p r a yc o o l i n ga p p l i c a t i o n si ne n g i n e e r i n gr e c y c l i n gi sak e yi s s u et oa c h i e v et h ep r o d u c t o ft h ec i r c u l a t o r ys y s t e mi sap r e r e q u i s i t ef o ra p p l i c a t i o no fs p r a yc o o l i n gt e c h n o l o g y f o rt h ep r o j e c tc o o l a n tr e c y c l i n gt h ea p p l i c a t i o no fp r o p o s e du s eo fm i c r o c h a n n e lh e a t e x c h a n g e rt oa c h i e v es p r a yc o o l i n gc o o l a n tr e c y c l i n gp r o g r a m d e s i g na n dm a c h i n i n g o u tt h em i c r o c h a n n e lh e a te x c h a n g e r ，s p r a yc h a m b e ra n do t h e re x p e r i m e n t a ld e v i c e s d e s c r i b e dd e s i g ni d e a sa n dt h ea s s e m b l yo ft h ew a y t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，o t h e r k e yc o m p o n e n t s ，s u c ha sn o z z l e s ，p u m p s ，c o o l i n ga g e n t sw e r ec o m p a r e dw i t hs e x s e l e c t i o n ，b u i l tu pac i r c l eo fs p r a yc o o l i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mf o rt h es p r a yc o o l i n g h e a te x c h a n g em e c h a n i s mo fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nb a s i s ， i nt h i s p a p e r ，c i r c u l a rs p r a yc o o l i n gs y s t e ma st h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，w i t h w a t e ra sw o r k i n gf l u i d ，f o rt h r e es o l i dc o n ep r e s s u r ea t o m i z i n gn o z z l ea tc o n s t a n th e a t f l u x ，c o n s t a n tw a t e rt e m p e r a t u r eu n d e rt h ec o n d i t i o n so fe n t r yo fd i f f e r e n ti n l e tp r e s s u r e a n dj e th e i g h ti nc a s eo fn o n b o i l i n gs p r a yf o gc o o l i n ge x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o w t h a t ：i nt h ee x p e r i m e n t a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，m a s sf l o wi sg r e a t e rt h a n2 5 9 s ，t h e h e a ts o u r c ec a nb ea c h i e v e da v e r a g es u r f a c et e m p e r a t u r ei sb e l o w7 0 s p r a ya r e a w i mt h eh e a ts o u r c ea r e ao ft a n g e n t ，t h ea v e r a g es u r f a c et e m p e r a t u r eo ft h eh e a ts o u r c e i sr e l a t i v e l yl o w i nt h es p r a yh e i g h th i = 3 6 7 m m h 2 = 2 6 m mw h e nt h ec e n t e rw i l l p r o d u c eaf i l ma b o u t6m mi nd i a m e t e r , c i r c u l a rc o n v e x ，t h r o u g he x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t sf o u n dt h a tt h es u r f a c eh e a ts o u r c ea r o u n dt h ec e n t r a lt e m p e r a t u r ei s r e l a t i v e l yh i g h ，o na v e r a g e ，r e s p e c t i v e l yi nt h et w oh i g hh i g h e rt h a n1 5 4 ，2 4 5 k e y w o r d s ：s p r a yc o o l i n gc i r c u l a t o r ys p r a yc o o l i n gs y s t e m m i c r o c h a n n e l h e a te x c h a n g e r n o n b o i l i n g 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学：学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在解密后适用本授权书。 日期22 应：三：l l 日期2 22 臣；l ! l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 喷雾冷却技术研究背景 随着计算机、通讯、军用、航空航天及民用市场等领域的需求，电子技术得 到迅猛的发展。电子器件的封装密度不断地提高，其热流密度不断地增大，电子 产品向微型化方向不断发展，功率更大而外形尺寸日益缩小，电子产品已经渗透 到各个领域，其应用环境不断扩大，所使用的热环境差异很大。电子产品的这些 发展趋势使得电子设备过热的问题越来越突出。电子设备的过热是电子产品失效 的主要原因之一，超过5 5 的电子器件的失效是由于温度过高引起的。严重的限 制了电子产品性能及可靠性的提高，也降低了设备的工作寿命。研究资料表明， 半导体元件的温度升高1 0 ，可靠性降低5 0 。因此电子设备内的温升必须予以 控制，而运用良好的散热措施来有效地解决这个问题则是关键。但是随着封装密 度的不断提高以及电子产品向微型化发展，传统的冷却装置( 如风冷、水冷) 虽 能满足温度控制的需求，但其散热能力远远无法满足未来发展要求1 2 j 。比如激光二 极管阵列、大功率航空航天电子元件等，要求相应冷却系统具备高热流密度的冷 却能力( 1 0 0 w c m 2 ) 。如何将芯片产生的大量的热量有效的排散掉，并将芯片温 度保持在较低水平已成为一个亟待解决的问题。计算机芯片，航空电子设备、功 率电子设备、光电器件以及近年来发展迅速的微瑚电子机械系统、生物芯片等都 存在类似的广泛而迫切的散热冷却需要1 3 】，如何带走芯片级、系统级的电子设备所 散发出的热量，成为提高电子设备设计可靠性的一个重要因素。喷雾冷却技术就 是一种可应用于上述环境的，具有广阔应用前景的高效散热新技术。研究表明， 用水作为冷却工质，在开放条件下，临界热流密度c h f ( c r i t i c a lh e a tf l u x ) 可达 1 0 0 0 w c m 2 【4 1 。近年来，斟喷雾冷却技术具有很高的换热效果而备受关注。 1 2 喷雾冷却技术 喷雾冷却( s p r a yc o o l i n g ) 是将冷却液在外加能量的作用下通过雾化装置( 主要 装置是喷嘴) 雾化为非常细小的液滴( s a u t e r 平均直径d 3 2 在2 0 1 0 0 u m 量级左右) 喷射到换热表面，通过雾化液滴的对流和相变换热带走热量以达到冷却的目的。 喷雾冷却比冲击射流和池式沸腾有更高的换热系数和临界热流密度( c h f ) ，具 有换热系数大、温度均匀性好、过热度小、临界热流密度高和低冷却液流量等特 点，是一种非常有效的冷却方式1 5 j 。 2循环喷雾冷却实验系统设计及喷雾冷却实验研究 图1 1 不同换热方式的换热系数 图1 1 给出了几种典型换热方式的换热系数范围【6 】。由图可以看到喷雾冷却相 比其他换热方式具有极高的换热系数。喷雾冷却技术已经应用在工业界很多年， 从一个世纪以前就将喷雾冷却技术应用到了冶金行业，并且从二十世纪六十年代 后期开始进行理论研究【刀，目前在电子设备的应用成果范例之一是该技术已经应用 于对c r a yx i 号超级计算机的电子芯片冷却中【8 1 。喷雾冷却还被应用于其它一些军 事和民用消费品行业，包括微波防御系统、高级激光器、功率开关【9 j 、金属切削 u o 、金属淬火】、x 射线医疗器械、高热流密度的激光二极管以及( 航空) 电 子设备【1 2 】等，它还被认为是解决未来飞机和飞船中的散热问题的方案之一【l3 | 。尽 管喷雾冷却已经在铸造和金属切割等领域广泛应用，但其具有很高的表面温度( 超 过l e i d e n f r o s t 温度，膜态沸腾温度) 。近年来随着高功率密度电子器件的发展，要 求在高热流密度下保持加热而较低的温度水平( 一般小于7 0 c ) ，喷雾冷却技术再次 受到广泛的关注，成为一个新的研究热点。 1 3 喷雾冷却换热机理 喷雾冷却是通过对流换热、液膜表面蒸发、核态沸腾、以及液膜表面的二次 核态沸腾进行传热。喷雾冷却具有高换热性的机制在于， 液滴冲击强化了液体 的对流，从而增强了加热面到液膜表面的传热，使液体蒸发；q 由于高速液滴冲 击液膜表面，液膜中的汽泡无法长大到接近液膜厚度，加热表面核态沸腾产生的 第一章绪论 3 汽泡在微液膜完全蒸发之前，破碎成很小的汽泡，这增加了微液膜蒸发的净时间， 从而大大增大了换热系数； 由冲击液滴带入的蒸汽泡，称为二次核态沸腾，它 有助于喷雾冷却的传热增强； 高动量的液滴，能够逆向穿过蒸汽流，到达受热 面，进行冷却。 当热源表面温度低于冷却液饱和温度时( 单相喷雾冷却) ，表面液膜换热主 要以液膜内部的微对流换热为主要换热方式。这时液膜底层与热源接触面几乎不 产生气泡，由冲击液滴带入的气泡及冲击液滴本身主要增加了对液膜的扰动，增 强了对流换热的效果。当热源表面温度高于环境下的冷却剂饱和温度时，液膜底 层与热源接触面开始出现核态沸腾，此时冲击液滴使液膜中的气泡不能完全生长 将其击碎为很小的气泡以增强换热效果，同时液膜表面蒸发现象加剧，二次成核 及核态沸腾在此时起着很大的作用。在这种情况下影响整个系统换热效果的冈素 除液膜的蒸发外还包括液膜与热源表面的对流、液膜中的气泡及雾滴对液膜的扰 动及核沸腾等因素。由于各种因素在换热时所起到的作用研究者还为达成一致， 女b s h e d d l l 4 】认为液膜对喷雾冷却系统的换热性能起主导地位。并将液膜结构分为两 层湍流层研究：h s i e h l l 5 】认为低质量流量的喷雾中，沉积在热源表面的薄液膜的蒸 发是最主要的传热机理，表面的润湿性是传热薄液膜蒸发的决定性囚素，但没有 比较薄液膜核沸腾与蒸发两者的具体影响力大小；而k i m l l6 1 、l i n 1 7 , 1 8 1 和f a b b r i 1 9 】 等人认为只有小部分液膜通过蒸发换热，而大多数换热由气、液、固之间的对流 产生。此p - f a b b r i 等【1 9 】还认为在高热流密度和低流量的情况下，薄液膜的蒸发换热 更加重要。因此这种状态下的喷雾冷却换热机理是重点研究内容。 1 4 国内外研究现状 近年来各同学者就喷雾冷却进行了大量的研究，主要以实验研究为主、理论 研究及数值模拟相对较少。虽然各国学者针对喷雾冷却技术的研究十分活跃，但 都处于起步阶段，由于其换热机理的复杂性，以及诸多的影响因素，还未能揭示 出喷雾冷却过程的本质。因此当前的工作主要还是研究分析喷雾冷却换热机理及 影响因素。 1 4 1 国外研究现状 热源表面因素 s i l k 2 0 - 2 6 等人以p f 5 0 6 0 为冷却剂在保持喷嘴距热源高度不变( 1 7 m m ) 的情 况下，主要研究了不同表面强化结构对喷雾冷却性能的影响。他们所研究的强化 结构有方块凸起结构、棱锥结构、鳍状微槽道结构、多微孔结构以及微孑l 与鳍状 4 籀环喷雾冷却实验系统设计厦喷雾冷却实验研究 结构的组合结构等。如图12 所示 ( a ) 方块凸起结构( ”棱锥结构( c ) 鳍状结构 ( d ) 多微孔结构 0 ) 组台结构 图12 表面强化结构图 他们对鳍状微槽道结构倾斜喷射情况的研究认为：各种表面形貌都比平面 结构换热性能好，其中多微孔结构的性能最高，鲢状微槽道结构次之，之后是方 块凸起结构，棱锥结构最差： 对于方块凸起结构和鳍状微槽道结构“凸起” 或“鳍”越高越好，并且“凸起”之间或“鳍”之间的问隙越窄越好； 对于多 微孔结构，当孔的直径与孔间距相当时系统挠热性能晟佳。 喷射角度方向因素 h s i e ha n d y a o l 2 1 发现当换热表面从水平方向遥渐转向垂直方向时，换热效果 随着换热面与水平面夹角的增加而降低。与水平向上和垂壹指向的情况比较，换 热表面水平向下时，换热效果最差；换热表面水平向上和垂直放置时，两种换热 效果相当。 l i l ” ，s i l k i 蚓，m u d a r w a 一2 ”和h s i e h 3 1 等人都有关于喷嘴对热源倾斜喷射的实 验研究，但所得结论各不相同，前三个人分别认为当倾斜角度为4 0 。、3 0 。和o 。时 系统豹c h f 最大，而h s i e h 认为当倾斜角度为6 0 。时系统换热性能最好。他们的研 究条件不同使得所得结论不同，如冷却荆特性、喷嘴特性以及喷雾面积是否覆盖 全部热源等。 喷射距离因素 m u d a w a r 和e s l e 1 随过实验手段，针对圆形喷嘴对正方形热源喷雾冷却的情 况，试图寻找到喷嘴与热源的是佳距离。他们认为雾滴体积通量( 而不是平均速 率) 是影响喷雾冷却系统换热性能的主要因素。得出结论：在喷嘴垂直热源喷射 时，当圆形喷雾区域正好与方形热源的边缘相切时系统的c h f 最大。原因是；这 样的喷射方式既可以充分利用喷嘴喷出的所有葬滴，又可咀使尽可能大的热源表 面接收到雾滴。同时他们通过实验手段证实了上述结论( 以下称c h f 准则) 的正 确性。 封闭蕞统因素 g r i s s o ma n dw i e m m i ”1 在封闭系统实验中发现全韶液滴蒸发的最低壁面温度 是工质质量流量的线性函数，液滴蒸发率随压力的降低显著减小，每个热流密度 第一章绪论 5 都对应一个最佳的工作压力，热流密度与壁液温差成线性关系。 j i a n g ”3 】采用封闭的实验腔，研究了不凝性气体含量对喷雾冷却换热的影响， 实验发现，在单相换热阶段，总的对流换热系数随不凝性气体分压的减小而显著 增大，而在沸腾区，换热能力仅依赖于系统的总压力。 l i n 和p a n n a p p a n l 3 4 j 实验发现，当热流密度远低于临界热流时，封闭系统中的 非凝性气体导致冷凝换热的热阻增大使喷雾冷却的换热性能变差。 冷却剂因素 y a n g i 弱】等人以水作为工质，用气体雾化喷嘴进行喷雾冷却研究，冷却热流密 度达到9 0 0 w ，c m 2 时对应的冷却表面温度为l6 0 c 。 l i n i 3 6 】等人以f c 7 2 和不凝性气体作为工质，冷却热流密度达至l j 9 0w c m 2 时对 应的冷却表面温度为9 0 。 c o u r s e y 3 7 l 等人以p f 5 0 6 0 作为工质，用微槽道冷却表面进行喷雾冷却研究，冷 却热流密度达到1 2 0 w c m 2 时对应的冷却表面温度为7 0 c 。 1 4 2 国内研究现状 热源表面因素 胡学功博士【3 8 】等先对竖直毛细微槽群表面结构的相变换热进行了研究，他认 为这是一种高性能的相变换热强化表面，可以实现高强度的相变换热过程，同时 他认为，在竖直矩形毛细微槽中存在两种相变换热机制，一种是较低热负荷下的 单一的微槽内三相接触线附近薄液膜区域中薄液膜的高强度蒸发换热机制( 纯蒸 发模式) ；另一种是高负荷下的微槽内三相接触线附近薄液膜区域中的薄液膜高强 度蒸发和厚液膜区域里的液体核态沸腾的联合换热机制。陈东芳等【3 9 】再将喷雾冷 却技术与矩形毛细微槽群表面结构相结合，对开放式矩形毛细微槽在喷雾冷却中 的特殊流动干涸和相变换热特性进行了可视化研究。他们认为随着壁面温度的增 加，槽表面经历了：槽面完全被水浸没，薄液膜区、部分干涸区和完全干涸区域 共四个不同阶段。 喷射距离因素 清华大学的安珍彩和雷树x l k 4 0 , 4 1 等在无沸腾情况下对雾化喷射形成的波动液 膜进行了电测量，研究了喷嘴入口压力、类型、高度以及冷却剂质量流量对换热 性能的影响，认为当喷射高度使喷雾面积近似等于实验用热源面积时冷却能力达 到最大。 程文龙 4 2 , 4 3 】等人通过实验对喷雾冷却换热具有重要影响的高度、压力等参数 进行了换热实验研究，在对喷雾特性研究的基础上，结合实验现象对参数影响换 热的机理进行了分析。同时发现了喷雾冷却中发热体壁面温度非均匀性，提出了 6 循环喷雾冷却实验系统设计及喷雾冷却实验研究 温度不均匀度现象，分析阐述了温度非均匀现象的成因与影响因素。 喷射角度方向因素 王亚青m 】等人采用雾化角为6 0 0 ，s t e i n e n 2 5 半实心旋流式机械雾化喷嘴，以水 为工质，在压力0 5 m p a ，流量6 3 5 l h ，倾斜角再0 0 4 9 0 之间变化时无沸腾区换热进 行实验研究。结果表明，倾斜角度固定时，当喷射底面椭圆长轴与换热面相切时 所对应的喷嘴高度为最佳，换热效果最好，其次分别是喷射底面椭圆长轴和换热 面内切，外切的情况；不同倾斜角度时，发现倾斜角度越大换热效果越好，表面 温度越低。 冷却介质因素 孙少鹏1 4 5 等研究相变喷雾冷却，以液氨为工质，对单喷嘴冷却面积为 2 5 1 2 c m 2 的热沉进行了实验研究。结果表明：以氨为工质的喷雾相变冷却具有较 高的换热能力；在热流密度达到4 0 0 w c m 2 时，热沉表面的温度在1 5 以下；在 喷淋室压力和喷嘴进口压力不变时，随喷嘴喷淋高度的降低，热流密度值增大， 冷却表面温度降低，换热系数可达9 5 0 0 0w m 2 k 。 1 5 1 本文研究意义 1 5 本文研究意义及主要工作 由于计算机芯片的热流密度及热耗不断升高，芯片散热问题已经成为限制其 发展的瓶颈技术。喷雾冷却具有临界热流密度高、芯片表面温度均匀性好、系统 循环流量低等非常重要的优点，可排散k w c m 2 级的热流密度，成为高热流密度和 极高热流密度设备冷却的重要选择方案之一。研究喷雾冷却换热机理及其影响因 素对指导电子芯片热设计、提高电子设备热可靠性及电子没备小型化有重要的应 用价值。 研究人员已经通过多种手段对电子器件喷雾冷却进行了多方位的研究，在对 它有一定的理解基础上，也逐渐认识到亟待解决的关键问题和今后的发展方向。 正如有的研究人员所说，现在的问题在于：对喷雾冷却系统是如何应用于工程缺 少理解1 4 6 。 本文主要进行循化喷雾冷却系统的设计及实验研究，国内外喷雾冷却实验研 究大多未考虑到冷却液在整个喷雾冷却过程中的循环再利用问题或者冷却液循环 换热部分需要液冷源，工程实用有很大距离，实现循环系统的产品化是发展喷雾 冷却技术的前提，为此设计喷雾与微通道结合的循环冷却换热系统，为喷雾冷却 换热机理实验研究及应用打下基础。 第章绪论 7 1 5 2 本文主要工作 结合课题的具体要求，在进行了需求背景分析及前期理论研究基础上，本文 主要针对喷雾冷却换热机理及影响因素设计了循环喷雾冷却实验装置，并完成实 验装置加工制造和实验测试等工作，在无沸腾情况下进行了喷雾冷却实验研究。 本文的主要内容如下： 第一章，绪论部分，介绍电子设备换热研究的需求背景及喷雾冷却国内外研 究现状，阐述课题的研究意义。 第二章，介绍喷雾冷却实验系统的各组成部分，对各组成部分的选择、设计 以及连接方式进行了详细阐述。 第三章，详细阐述了循环喷雾冷却实验系统重要组成部分微通道实验平台的 设计思路、设计方法、装配方式；将喷雾冷却的冷却液循环换热系 统集成于整个喷雾冷却系统，提出了利用微通道换热器来实现喷雾 冷却的冷却液循环利用的方法。 第四章，介绍喷雾冷却实验方法、实验步骤、处理实验数据、对实验结果进 行分析。 第五章，总结与展望，结合近年来喷雾冷却研究现状，就今后需完善的工作 提出若干自己的看法和展望。 第二章喷雾冷却实验系统9 第二章喷雾冷却实验系统 喷雾冷却系统由三部分组成：( 1 ) 供液喷雾系统：压力泵( 提供压力) ，流量 控制阀，喷雾腔体，热交换器，喷嘴，若干段软管等；( 2 ) 热源：模拟高热流密 度芯片，热源表面积等于芯片面积；( 3 ) 数据采集系统：压力计，流量计，热电偶， 测温仪等，用于测量喷雾压力、入出口温度以及热源表面温度。现阶段研究喷雾 冷却的实验系统如图2 1 所示。 图2 1 喷雾冷却实验原理图 2 1 供液喷雾系统 喷嘴 喷雾腔 热源 管路 供液喷雾系统是实验平台的重要组成部分，主要作用是输送冷却液，并产生 足够的压力使冷却液经喷嘴雾化喷射于模拟热源表面。冷却液在微泵的作用下， 依次经过压力表，流量阀、流量计、压力表、喷嘴、喷雾腔、换热器，完成循环 过程。 2 1 1 喷嘴的选择 喷嘴是喷雾冷却换热系统中的重要组成部分，喷嘴的性能直接影响着换热效 果，其中最重要的喷嘴喷雾性能参数是流量和喷雾压力，其他参数如喷雾液束的 形态、发散度、锥角和贯穿距离统称为喷雾特性f 4 7 1 。喷嘴按照不同的雾化方式主 要分为压力雾化喷嘴和气助雾化喷嘴，也称作单相液滴喷射、液滴压缩空气二相 流混合喷射。尽管一些研究人员认为气助喷雾冷却可在气体的协助下形成具有更 1 0 循环喷雾冷却实验系统设计及喷雾冷却实验研究 高速度且直径更小的雾滴【4 8 1 ，使得该种喷雾方式的散热效果好于压力喷雾，如 s e h m b e y 等人【4 9 】的研究表明压力雾化喷雾冷却与空气助力雾化喷雾冷却的c h f 和 传热系数相当，只是后者所需的液体流量仅是前者的十分之一。但是他们以及 v i s a r i a 等人【5 0 】同样认为在一个闭环系统中，空气助力雾化喷雾系统中，如何将回 收冷却剂中的气体排出是一个非常复杂的难题，尤其是这些气体会对循环系统中 的冷凝器产生伤害，因此气助雾化喷雾冷却系统不易实现回路控制1 5 ，而压力雾 化系统只需高压即可使冷却剂雾化，可以较容易地将回收的冷却剂介质置于回路 中循环使用，并且可供选择的液体范围更宽【5 2 1 ，更适用于电子器件冷却。基于以 上分析，本实验系统采用压力雾化喷嘴。 ( 1 ) 喷嘴流量的确定： 实验要求控制热源表面温度低于7 0 * ( 2 ，冷却液出口温度( 与热源换热后的冷 却液温度) 乙应低于7 0 * ( 2 ，喷雾冷却初始水温为毛= 2 2 ，此时水温乙，应为 2 2 c 乙。 7 0 。由于热源最大功率p = 3 7 5 w 。当热量平衡热源表面温度稳定时， 假设喷雾冷却过程中表面液膜无蒸发发生，芯片热量全部由冷却液对流排散，单 位时间内冷却液带走的热量应该等于热源产生的热量即满足( 2 1 ) 式 鲰= 嘎源r ( 2 - 1 ) 纵= c p 夕y ( 一瓦) ( 2 - 2 ) 显然冷却液出口温度乙，不可能无限接近毛= 2 2 ，此时换热效果将无法保证 芯片表面温度，故假设换热后的冷却液温度r o 。分别为4 0 c 7 0 ( 2 时，喷嘴所需流 量值及仿真曲线如表2 1 和图2 2 所示 表2 1出口冷却液温度和体积流量关系表 乙( ) 4 0 5 06 07 0 v ( m l m i n )3 5 72 1 41 5 31 1 9 图2 2 喷雾所需流量值与冷却液出口温度乙关系图 第二章喷雾冷却实验系统 假设冷却液出口温度。在4 0 c 7 0 c 之间，则喷嘴流量应在 1 1 9 m l m i n 3 5 7 m l m i n 之问。众多研究者认为喷雾冷却过程中液膜蒸发、雾滴中 卷入气泡的换热在整个喷雾冷却换热过程中占有较大比重，故实际所需喷雾量应 小于3 5 7 m l m i n 。故选择喷嘴流量时应选择较小流量喷嘴。 ( 2 ) 喷嘴压力的确定： 目前还未有专门的电子设备喷雾冷却专爿j 的低压力唢嘴，在保证喷嘴流量的 情况下，压力应越小越好以便于压力提供装置泵的小型化以及整个系统的小型 化。 综合考虑市面现有商j i 喷嘴的流量和压力关系，以及雾化方式、喷雾形状等 凼素选用压力雾化喷嘴为丹麦生产的丹佛斯( d a n f o s s ) 实心圆锥形喷嘴，其具 有喷雾细密、所需压力较小的特点。( 液滴平均直径在4 0 u r n 左右，最小雾化液滴 粒径可达2 0 u m ，均匀雾化压力为5 b a r 。) 如图2 - 3 a ，23 b 所示。 图23 a 喷雾效果图 图23 b 丹佛斯喷嘴 2 1 2 泵的选择 根据系统的流量及系统的压力这两个主要参数选择泵的型号。然后考虑供电 方式，自吸能力以厦体积太小等问题。 ( 1 ) 驱动泵流量的确定 根据2il 节分析喷雾流量应小于3 5 7 m l m i n 。确定泵的流量不能低t 3 5 7 m l m i n 。 ( 2 ) 泵的压力的确定 泵的压力选择主要依赖于喷雾冷却系统的各部分压阵损失，其中包括管路的 压降损失，同时需满足喷嘴的喷雾压力。 喷嘴在o5 m p a 以上喷雾均匀，故泵的压力应人于o 5 m p a 。 管路中的流动阻力( 用能头损失表示) 管路中的流动阻力按产生原因不同，可分为沿程阻力和局部阻力两种。 沿程阻力： 1 2 循环喷雾冷却实验系统设计及喷雾冷却实验研究 流体在管道中流动时，由于流体与管壁之间有粘附作用，以及流体质点与质 点之间存在内摩擦力等，沿流程阻碍流体的运动，这种阻力称为沿程阻力。为克 服沿程阻力而消耗的机械能称为沿程能量损失，单位重量流体的沿程能量损失称 为沿程能量损失用t 表示： 厅，：望：名三生 j o g d2 9 式中：名一沿程阻力系数，它与流体状态，管壁的粗糙度等因素有关： 度；矗一管道直径：g 一重力加速度；玎一管中的平均速度。 层流时： 力：6 4 ( 适用范围r e 2 3 0 0 ) 足 雷诺数： ( 2 3 ) 卜一管道长 ( 2 4 ) 足：丝 ( 2 5 ) 由式( 2 3 ) ，( 2 - 4 ) ，( 2 5 ) 可得： 哆= 谔 协6 ， 局部阻力 流体在管道中流动时，当经过弯管、流道突然扩大或缩小、阀门、三通等局 部区域时，流速大小和方向被迫急剧改变，因而发生流体质点的撞击，出现涡旋、 二次流以及流动的分离及再附壁现象。此时由于粘性的作用，质点间发生剧烈的 摩擦和动量交换，从而阻碍流体的运动。这种局部障碍产生的阻力称为局部阻力。 流体为克服局部阻力而消耗的机械能称为局部能量损失，单位重量流体的局部能 量损失称为局部能头损失，用h ，表示 勺2 f 丢 ( 2 7 ) 式中：f 一局部阻力系数，它的大小与局部障碍的结构形状有关； 材一管道中的平均速度； 本论文涉及的局部阻力系数如下： ( 1 ) 9 0 。弯管的局部阻力系数f = 0 1 3 l + 0 1 6 ( d ) 3 一； ( 2 8 ) ( 2 ) 三通处的局部阻力系数g - = o 1 ： 第二章喷雾冷却文验系统 1 3 流道突删大局部阻力系数f = ( 一罢) 2 c 如图2 触 c 4 ，流道突然缩小局部阻力系数 5 ( - 一乏 2 c 如酏4 峨 。、 a 2- - - 一一。a 7 i 。 ，。 ，。 一。 图2 4 a 流遭截面突然变大图2 。4 b 流道截丽突然燹小 总的流动阻力 管道系统中的总流动阻力为各部分沿程阻力和局部阻力的算术和。其总能头 损失都是南各直管中的沿程损失和各种形式的局部损失组成的，用公式表示为： 九= 哆+ 乃 ( 2 - 9 ) 管道内的总体流体状态 根据系统换热要求假设= 3 5 7 m l m i n 则管道内运动流体的速度掰。为： ：4 0 m ，= ：4 x 3 5 7 x 了l o - 。6 ：6 0 ：0 118 m s 1 万d 23 1 4 8 2 1 0 _ o 管中流体的雷诺数( 取y = 1 0 0 6 x 1 0 。6 m s ) r ：兰丝：堕坠坚坚：9 3 8 4 2 3 0 0 ，1 0 0 6 l o ” 故管道内流体为层流状态。 沿程阻力 则总管长大约i m 内径8 m m 管，沿程阻力由公式( 2 6 ) 得： h ，：堡型竺坚坐! 型：6 0 5 10 -9,，= i 一= x 管道内的局部阻力 管路中有一 9 0 。弯管( 喷嘴入口管路处) ，假设转弯半径r = 2 5 ：i r = 万4 = o 1 6 循环喷雾冷却实验系统设计及喷雾冷却实验研究 由公式( 2 - 8 ) 得f = o1 3 4 ；压力表处三通的局部阻力系数f = 0 1 ； 则由式( 2 - 7 ) 可得管路中的局部阻力为： f 兰：( 0 1 3 4 + 0 1 0 + 0 1 ) 。旦坐：o0 0 2 2 窖 2 x 98 由式( 2 9 ) 得实验系统喷雾管路总能头损失为： 丸= + q = 6 0 5 x 1 0 4 + 0 0 0 2 “0 0 0 2 m w g ( o 0 0 0 2 b a r ) 由计算可知喷雾管路系统总阻力造成的压降损失非常小，由3 4 3 节计算可知 冷却液回路阻力也非常小，选择泵时应主要考虑满足喷嘴喷雾压力，结合喷嘴的 喷雾特性及实验系统，选用上海祁泉泵业有限公司的具有自吸能力的d p 一1 2 5 微型 高压隔膜泵，最大流量为i l m i n ，提供最大压力为86 b a r ，最大电压2 4 v d c ，可满 足喷雾流量和噎嘴压力硬循环啼霉系统的萼求。 2 1 3 冷却剂的选择 圈2 5 微型龋膜泵实物 在环保、安全性备受关注的今天，冷却剂的选择应首先考虑环保性及安全性， 其次冷却剂的热物性，导电性，对电子器件的腐蚀性，以及经济性是考虑如何选 择冷却荆的重要因素。 国内外研究人员采用较多的冷却介质是f c 7 2 5 ”，其在标准大气压下的饱和温 度是5 6 1 2 ，热传导率是0 0 5 7 w m k 。研究较多的冷却荆还有f c 一8 7 t 矧、p f 5 0 5 2 5 ”、 甲醇、f c 7 7 1 5 ”、p f - 5 0 5 0 1 阚、p f 5 0 6 0 i s ? l 、酒精 矧、氨州等。m u d a w a r f 删等人 研究的冷却荆：c f c s ( 由氯，氟和碳元素组成，如r 1 1 ，r 1 2 ，r 1 1 3 和r 1 1 4 ) 第二章喷雾冷却实验系统 1 5 h c f c s ( 如r 1 2 3 、r 1 2 4 和r 1 4 1 b ) ，h f c s ( 如r 1 3 4 a 和r 1 4 3 a ) 。 但f c 7 2 、f c 8 7 、f c 8 4 、p f 5 0 5 0 、p f 5 0 5 2 、p f 一5 0 6 0 、p f 5 0 7 0 、c f c s ( r l l 、 r 1 1 3 、r 11 4 和r 1 2 ) 、h c f c s ( r 1 2 3 、r 1 2 4 和r 1 4 1 b ) 、氨对环境有一定的影响， c f c 会造成臭氧层的破坏及温室效应，酒精( 沸点7 8 。c ) ，甲醇沸点较高且易燃。 现用电子设备冷却剂主要为3 m 公司的产品，在其产品中h f c s ( h f e 7 1 0 0 和h f e 7 2 0 0 ) 几乎对环境无影响，具有优异的环保特性，具有适度的溶解性，又 有良好的电子设备材料相容性及电绝缘性。与以前被使用的氟化液相比臭氧层破 坏系数为0 ，满足环保法规的要求，但h f e 7 2 0 0 的沸点相对较高。见表2 2 4 比较 几种冷却剂物性发现，h f e 7 1 0 0 优点是沸点低于7 0 ( 芯片表面控制温度) ，其 他物性均比现用电子设备冷却剂f c 7 2 优良，且具有优良了环保性。故只有 h f e 7 1 0 0 最为适合作为电子设备喷雾冷却的冷却剂。 表2 2 冷却剂物性比较 比热容汽化潜热 。冷却剂 沸点( 。c ) ( k j k g ( k j k g ) 水 1 0 04 2 1 72 2 5 7 f c 7 25 61 0 8 88 7 9 h f e 7 lo o6 l1 1 3 01 11 6 h f e 7 2 0 07 61 2 l o1 2 2 6 本实验考虑到喷雾冷却系统为开放式的设计，冷却液汽化后不易收集，喷雾 强化沸腾换热虽然散热能力强，但受换热表面状况( 主要是汽化核心的分布) 影 响会导致换热表面温度梯度增加，严重时会引起散热器件局部过热【2 1 ，一些高热流 密度散热依然采用无沸腾喷雾冷却的换热方式，故采用水为冷却剂，在无沸腾下进 行喷雾冷却实验。 一 2 1 4 喷雾腔的设计 喷雾腔四周的侧壁，托板，底板材料为透明有机玻璃，透明有机玻璃耐高温， 同时便于观察热源表面情况，各部分用丙烯酸脂胶胶结成喷雾腔。由于喷嘴的喷 雾中心与喷嘴的几何中心不一定在同一直线上，故实验时需手动调节热原位置， 将模拟热源中心与喷嘴喷雾中心对中后，通过两侧顶针夹紧定位，两侧顶针同时 可以起到调节热源位置的作用。顶针通过m 4 螺栓与侧壁连接，并可在水平位置通 过螺栓的旋转水平移动便于热源对中的操作。喷头连接体上端为内螺纹g 1 4 连接 快接插头，下端内螺纹9 1 6 u n e f 连接喷嘴，连接体通过4 个m 4 螺栓与喷雾腔顶盖 连接，通过调节螺栓可有效的连续调节喷嘴与热源表面的高度，便于后续实验研 6 循环喷雾冷却实验系统设计及喷雾冷却实验研究 究喷雾高度因素对喷雾冷却换热的影响问题。顶盖与侧壁通过螺栓连接，可有效 保证喷雾时喷嘴的稳定。喷雾腔底部中心g i 4 内螺纹连接快接接头通过管路将 冷却液排出，完成冷却液的循环。 2 1 5 供液系统的连接 图2 6 赜雾腔实物圈 整个系统的管路采用外径为1 0 r a m 内径为8 m m 的透明软管。使用一个p u t l 0 - - 0 0 型三通接头和p c f l 0 - - 0 2 型直通终端接头将压力表( 量程为1 6 m p a ) 和管路 系统连接。一个压力表接于微型泵出口处以测量泵送压力，保证系统压力在泵许 用安全压力范围内，另一个压力衰接于喷嘴入口处测量喷嘴入口压力。球阀两 端接p c 型直通终端接头( 螺纹为g 3 8 ) 与管路连接，球阀用以调节喷雾体积通 量，同时也可以减弱由于隔膜泵产生的喷嘴出口压力的脉动性；喷嘴通过连接体、 p c f - 0 2 ( 螵纹为g i 4 ) 快接接头与管路及喷雾腔连接。快插式接头，材料为铜， 螺纹部分带有涂膜密封材料，是气密元件，单方向可通过快速插拔的方式实现连 接，最高使用压力为1 0 m p a ，完全满足系统的工作压力，能够保证强度要求。由 于接头均为普通非密封管螺纹连接。为防止漏水及泄压在所有螺纹连接处缠生料 带密封。 f 第二章喷雾冷却实验系统 2 2 1 模拟热源组成 r 1 一i 至】 圉27 各种管路快接接头 2 2