在加速度過載狀態下微槽換熱表面噴霧冷卻性能實驗研究

季益斌 蔣彥龍 胡文超

摘 ?要：文章主要通過實驗方法研究在加速度過載狀態下，不同過載量值、不同噴霧流量以及不同噴霧高度情況下，微槽換熱表面的噴霧冷卻效果。結果表明，當加速度量值增加時，噴霧性能有所提高，繼續增加時，噴霧性能增加有限。此外，無論是在加速度狀態下還是在靜止狀態下，噴霧流量和噴霧高度對噴霧性能的影響都是相同的。隨著噴霧流量的增加，噴霧性能提高;隨著噴霧高度的增加，噴霧性能降低。

關鍵詞：噴霧冷卻;熱流密度;加速度;噴霧流量;噴霧高度

中圖分類號：TKl24 ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）35-0057-04

1 ?背景概述

1.1 ?發展現狀

隨著航空高集成電路技術的迅速發展，作為航空有效載荷的電子設備，性能越來越高的同時，耗能和散熱問題也越來越突出。目前新一代民用電子設備的熱流密度已經高達106～107 W/m2，當前最高端的處理器熱輸出量超過250 W/cm2，使得超過55%的電子器件的失效是由于溫度過高引起的，散熱問題已成為制約發展的瓶頸。空氣對流、強迫對流、熱管散熱等傳統電子散熱方法已逐漸不能滿足技術發展需求，針對未來我國機載高功率密度能量散熱問題，必須尋求全新技術，才能解決我國機載武器及電子設備高熱流密度快速散熱瓶徑。

噴霧冷卻具有換熱系數大、過熱度小、臨界熱流密度高和低冷卻液流量等特點，噴霧冷卻能在很小過熱度的條件下產生極高的熱流密度，這就確立了其在高熱流密度散熱環境中應用的重要地位。但是在應用于高功率密度器件溫控時，必須保證整個發熱壁面都處于工作溫度范圍內，即需要保證散熱面溫度均勻度，如果局部溫度偏高，可能導致整個系統因局部過熱而溫控失效，機載環境下影響噴霧均勻性的主要因素是飛行器機動過載。

從20世紀80年代初期開始，國外的一些研究機構和美國高校就開展了將噴霧冷卻技術應用于電子器件的研究，開展了大量的換熱性能分析、熱設計和樣機制作方面的研究工作，積累了眾多的實踐經驗和實驗結論。NASA將閉式噴霧冷卻回路系統技術列為未來五年熱控系統的研究重點之一，其下屬的Glenn Resear ch Center對噴霧冷卻技術進行了大量的地面試驗研究，并在KC-135微重力試驗臺上進行飛行試驗，驗證和研究了其在微重力條件下的運行能力、傳熱性能和特性。Universal Energy Syst公司在美國空軍實驗室的資助下研究的高功率半導體激光器陣列（500 W/cm2高熱流密度能量源）的閉式噴霧冷卻技術，如圖1所示。

1.2 ?相關研究

然而到目前為止，對噴霧冷卻的換熱機理及影響因素并沒有完全認識，因此大量的工作還是基于實驗分析換熱機理的基礎上開展的。主要實驗研究集中在以下方面。

1.2.1 ?噴射傾角方面

L.Ortiz和J.E.Gonzalez[1]研究了穩態情況下不同噴霧角度對換熱性能的影響。Y.X.Guo和Z.F.Zhou等人[2]經實驗研究認為隨著噴霧角度的增加，換熱表面的溫度梯度先增加后降低，而J.Schwarakof等人[3]則認為當傾斜角度為40 °時系統換熱性能最好。

1.2.2 ?表面粗糙度與表面強化方面

Silk等人[4-5]研究了表面強化的作用。表面強化的作用比采用更薄液膜的作用更重要，前者使固液接觸面積增大，蒸發效率更高，使系統在更低熱源表面溫度時的換熱系數增加。

1.2.3 ?重力影響方面

Yoshida等人[6-7]研究了微重力和高重力情況下的噴霧冷卻，指出盡管在重力作用下向上的熱源比向下的好一些（以水為介質），但是在核態沸騰狀態，重力作用并不明顯。Silk等人[8]通過對多個文獻的總結表明，重力對噴霧冷卻幾乎無影響，氣泡生長率和形狀幾乎不受重力影響，但如何移走微重力下形成的大霧滴非常必要。

國內有關電子器件噴霧冷卻的起步較晚，研究也多采用實驗手段分析。主要研究機構有中國空間技術研究院、中國科學院工程熱物理研究所、航空計算研究所、清華大學、上海大學、中國科學技術大學等，上海理工大學、東北大學和西安交通大學也有關于噴霧冷卻的研究，但并不是主要針對電子器件領域，而是針對冶金行業或醫療行業等。

2 ?噴霧冷卻實驗測試裝置

2.1 ?換熱面導流面組件

熱源組件的作用是為噴霧冷卻提供加熱功率可控的散熱面。其主體是由三根電加熱棒插入到導熱銅塊中組成。實驗過程中，電源控制加熱棒輸出熱量，經銅塊導熱，最終從散熱面散熱。導熱銅塊頂部表面為平面、槽面和針孔換熱面，投影面積為14 mm×14 mm;頸部兩兩對稱布置有六個溫度測點，到散熱面的垂直距離從上到下依次為7 mm、17 mm、25 mm;底部為三個加熱棒的預留孔洞，長×直徑=60 mm×6 mm。加熱棒與銅塊間用導熱硅脂粘合，采用并聯聯接，并聯電阻為166.7 Ω，每根加熱棒的最大功率為100 W，則散熱面理論上所能達到的最大熱流密度為153.06 W/cm2。實驗采用DH1716A-13型直流穩壓穩流電源，最大輸出電壓/電流為250 V/5A。考慮到實驗的安全性，電源電壓將不大于226 V，對應最大輸出功率為293.8 W。為使熱量盡可能多地流向散熱面，減少無效熱損失，導熱銅塊周圍將包覆玻璃棉氈，導熱系數約為0.04 W/（m·K），如圖2所示。另一方面，銅塊及保溫材料周圍覆蓋有不銹鋼外殼，銅塊與外罩間接觸縫隙填充絕緣硅膠，以防水電接觸。外罩上表面有一定的傾斜角度，方便冷卻工質及時排出。

2.2 ?實驗裝置

噴霧冷卻實驗裝置示意圖如圖3所示。實驗采用開式系統，主要由三部分組成：

①供液和噴霧系統：儲水槽、過濾器、泵、安全閥、壓力緩沖器、流量計、噴嘴、收集水槽等;

②熱源組件：電加熱棒、變壓電源、銅塊、保溫材料、不銹鋼外罩、密封件等;

③數據采集系統：壓力傳感器、熱電偶、數據采集儀、壓力表、流量計等。

系統開始運行時，止回閥處于關閉狀態，接通水泵電源，噴霧冷卻工質在泵的作用下，自儲水槽經過濾器過濾多余雜質后進入系統管路。由于止回閥關閉，止回閥前的壓力將不斷上升。當壓力超過規定值（0.9 MPa）時，安全閥打開，工質流回儲水槽。打開止回閥，過量的冷卻工質繼續通過安全閥流回儲水槽，另一部分工質則經過壓力表、流量計、過濾器、壓力傳感器、熱電偶后，最終由噴嘴噴射到換熱面。換熱后的冷卻工質流入收集水槽。因為本實驗中冷卻工質采用常溫水，系統沒有安裝水溫控制裝置，為保證工況的準確性，收集水槽中的水并沒有直接送回儲水槽，而需要經過一定的冷卻沉淀才可以循環使用。

本實驗借助加速度試驗臺，該實驗臺的主體結構示意圖如圖4所示，實驗裝置安裝圖如圖5所示。整套裝置安裝在深度約為2.5 m的圓柱形坑內，系統工作時只有旋轉臺及其附屬件轉動，其余為不動件。上方矩形通道與地面相接，用于系統管道和連接線的走線。進水管道延中軸腔向下到達旋轉平臺，延臺面到達管道接口，回水管道走向相反。本實驗不采用回水，所以在回水管道接口處安裝截止閥，閥門關死。收集水槽與旋轉臺間用8個M25的螺栓連接。旋轉臺兩端重量不等有可能造成旋轉過程中臺面的上下晃動，因此在旋轉臺的另一端將安裝配重件，重量與水槽構件相符。試驗臺上的傳感器引線與集線箱上的接線柱相連，總線將延中軸腔和矩形通道到達數據采集和控制系統。實驗通過離心機控制柜控制旋轉加速度和電機的啟停。

3 ?實驗分析

3.1 ?加速度對不同換熱面噴霧冷卻換熱特性的影響

本文在給定噴嘴及噴嘴高度條件下，對三個不同換熱表面系統處于4 g的加速度時的噴霧冷卻換熱性能進行實驗研究。流量0.3 gal/h，噴嘴距散熱面10 mm，槽道延離心轉臺徑向放置時，換熱面表面溫度與熱流密度間的關系圖，如圖6所示，由圖6可知，維持相同表面溫度時，槽面熱流密度最高，噴霧冷卻效果最好。

3.2 ?加速度對槽狀加熱面噴霧冷卻換熱特性的影響

由于槽面相較于其他換熱表面，噴霧冷卻效果更好。后續主要針對微槽表面結構在不同流量和不同高度下的噴霧冷卻特性進行研究。在給定噴嘴及噴嘴高度條件下，對系統處于0 g、2 g和4 g的加速度時的噴霧冷卻換熱性能進行實驗研究。0.65 gal/h噴嘴距散熱面10 mm，槽道延離心轉臺徑向放置時，換熱面表面溫度與熱流密度間的關系圖，如圖7所示。

由圖7可知：

①在靜止狀態下，噴霧冷卻換熱效果最差，但隨著加速度的增大，熱流密度-表面溫度變化曲線基本保持不變。這是由于在噴霧冷卻過程中，部分液滴在撞擊散熱面后全部或部分附著于壁面形成液膜，阻礙了液滴與壁面間的冷卻換熱。

②在加速度情況下，由于離心力的作用，液膜的擾動和流動性增強，且過量工質的排除速度加快，造成了換熱能力的增強。當加速度達到一定值，這種強化作用也將達到最大值。由此，考慮到系統工作的穩定性和安全性，以下實驗中的離心狀態均采用2 g的加速度值。

3.3 ?高度對槽狀加熱面噴霧冷卻換熱特性的影響

在維持入口壓力為0.9 MPa不變的條件下，流量0.5 gal/h，改變噴嘴與散熱面的距離，可得到在不同噴霧高度下的熱流密度-表面溫度曲線，如圖8所示。

分析圖8可知：

①隨著高度的增加，噴霧冷卻換熱能力隨之下降;

②不同高度下，離心狀態均比靜止狀態的換熱效果好;

③隨著加熱功率從小到大變化時，增強的效果更加明顯。

分析實驗現象產生的原因：隨著高度的增加，液滴到達壁面后的濺射現象減少，液膜的擾動也隨之減弱，更容易造成壁面工質的滯留。由幾何關系可以得到，隨著高度的增加，散熱面接收到的有效工質流量減小，這些都導致了噴霧冷卻換熱能力隨高度的增加而下降。這里需要注意，本組實驗選用的是0.5 gal/h的噴嘴。當噴嘴流量過大的時候，可能會出現不同的結果。

3.4 ?不同流量的噴嘴對槽狀加熱面噴霧冷卻換熱特性的 ? ? ?影響

噴嘴高度為10 mm，選用流量為0.65 gal/h、0.50 gal/h、0.30 gal/h的噴嘴，可得不同流量下噴霧冷卻換熱曲線，如圖9所示。

分析圖9可知，同一流量下，離心作用均能夠增強換熱;在一定的加熱功率范圍內，隨著流量的增加，噴霧冷卻換熱效果越好，但當加熱功率到達一定值后，流量的增加并不能有效地增圖7加速度對換熱的影響強換熱，甚至可能帶來相反的效果，離心條件下狀況相似。如0.65 gal/h和0.50 gal/h噴嘴的換熱曲線，當加熱功率高于105 W/cm2時，0.50 gal/h噴嘴的換熱效果更好，所能達到的臨界熱流密度更大。這是因為，如果流量過大，散熱表面上液膜厚度增大，隨著表面溫度的升高，換熱進入相變換熱區，而過厚的液膜將阻礙汽泡的生成，核態沸騰隨之減弱，換熱變差，甚至在離心狀態下，這種阻礙效果也不能得到緩解。

4 ?實驗結論

過載對噴霧冷卻的影響主要體現在噴射出的單相或兩相液體在換熱表面由于過載因素影響而分布不均，從而產生局部過熱。本文將噴霧冷卻裝置與加速度試驗臺相結合，分析了槽狀表面離心條件下加速度值、高度、流量對噴霧冷卻換熱的影響。研究結果如下：

①加速度對噴霧冷卻換熱的影響：離心狀態較靜止狀態下的換熱效果好，但加速度達到一定值后，換熱效果并不會隨著加速度值的增加而一直增加，也將達到最大值。

②高度對噴霧冷卻換熱的影響：就非過流量噴嘴而言，隨著高度的增加，換熱效果變差;離心狀態下也存在相同的規律。

③流量對噴霧冷卻換熱的影響：在一定加熱功率范圍內，隨著流量的增加換熱效果變好;當加熱功率超過一定值，流量的增加并不能增強換熱，甚至帶來相反的效果;離心作用在相應流量下均能增強換熱，但同樣有過量工質阻礙換熱的現象發生。所以噴霧冷卻應選擇合適流量的噴嘴。

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