供液流量對射流霧化冷卻性能的影響關系

董進喜，趙 航，楊明明

（中航工業西安航空計算技術研究所，陜西西安，710119）

供液流量對射流霧化冷卻性能的影響關系

董進喜，趙 航，楊明明

（中航工業西安航空計算技術研究所，陜西西安，710119）

針對射流霧化冷卻技術的散熱機理，從理論和測試實驗方面分析供液流量對射流霧化冷卻技術散熱性能影響關系。在理論方面，分析得供液流量大小會影響到芯片的臨界熱流密度和散熱效率。在測試實驗方面，以芯片的表面溫度作為衡量射流霧化冷卻散熱性能的評價依據，通過改變流量大小分析其對射流霧化冷卻的影響。

射流霧化冷卻；流量芯片；散熱性能

0 引言

隨著電子設備朝著集成化、高性能方面發展，為了保證電子設備的惡劣環境的適應性，其芯片工作產生熱量也迫切需要解決。芯片溫升極大地制約了電子設備的發展。射流霧化冷卻技術是有效解決途徑之一。目前該技術已經應用于對Cray X-I號超級計算機的電子芯片冷卻中[1]。

射流霧化冷卻技術是通過霧化噴頭將液態冷卻介質以小液滴的形式噴射在散熱面進行散熱。在散熱表面上，射流冷卻技術的換熱機理主要依靠蒸發散熱、強迫對流換熱、核態沸騰這三種形式。由于冷卻介質的蒸發潛熱遠高于等壓比熱容，因此，當射流霧化冷卻技術進入兩相換熱工作階段時，換熱效率會遠高于單相換熱階段。射流霧化冷卻技術工作過程中冷卻液霧滴不斷沖擊散熱表面吸熱汽化，但隨著冷卻液流量增加，在散熱表面形成液膜。散熱表面液膜的增厚會阻礙小液滴的蒸發換熱。但流量較小時，散熱表面出現干涸。因此，在射流霧化冷卻技術的研究工作中，需要對流量進行合理控制，既保證發揮了射流霧化冷卻技術的高效換熱性能，又保證芯片表面溫度達到最低點。

1 供液流量對射流霧化冷卻性能的影響

從射流霧化冷卻技術的換熱機理可知，冷卻介質流量的增加，液膜的厚度會影響到霧化冷卻的換熱效果和臨界熱流密度（CHF）。冷卻液霧滴蒸發帶走的熱量等于換熱面產生的熱量，可用下面關系式進行計算：

顯然，冷卻液流量越大，系統能滿足更大熱流密度的潛力也會越大。但由于霧化冷卻技術的換熱機理的復雜性，如果冷卻液未能及時蒸發，實際冷卻效果中會極大的削弱霧化冷卻的散熱效果。散熱表面液膜厚度理論可采用下面公式進行估算[3][4]：

其中uv為汽化速率。

由上述關系式可知，液膜的厚度與汽化速率的二次方成反比。當液體流量過大時，汽化量的減少，會使得液膜增厚而阻礙散熱。所以對于射流霧化冷卻，供液流量與散熱效果不成簡單的正比關系。

2 射流霧化冷卻試驗技術研究

為了較好研究散熱系統需采用的供液流量對射流霧化冷卻系統散熱性能的影響關系，搭建射流冷卻測試平臺對射流冷卻的供液流量和芯片表面溫度之間的關系進行研究。具體測試實驗平臺如下圖1所示，模擬發熱芯片大小為4cm2，總功耗為120W。

圖1 射流霧化冷卻測試平臺

芯片功耗一定情況下冷卻液流量不同時，試驗測試數據分析芯片表面溫度變化數據如下表1所示。

表1 固定功耗時不同流量下霧化冷卻測試數據

從上表數據可知，在冷卻液流量達到2g/s后，芯片表面溫度隨冷卻液流量增大而產生的降幅不再明顯，趨于平緩。根據霧化冷卻機理及理論分析可知，隨著冷卻液的流量增加，在散熱面形成的冷卻液液膜加厚阻礙換熱面的換熱效果。

3 結束語

本文針對射流霧化冷卻技術這一高效散熱技術的流量影響因素進行分析研究。通過理論及測試試驗研究分析了電子設備采用射流霧化冷卻時的溫度和流量之間的關系，為霧化冷卻的工程化應用奠定了技術理論基礎。

[1]Hunnel C.A., Kuhlman J.M., Gray D.D., Spray Cooling in Terrestrial and Simulated Reduced Gravity.

[2] Coursey Johnathan Stuart. Enhancement of Spray Cooling Heat Transfer using Extended Surfaces and Nanofluids [D]. Park: University of Maryland, 2007.

[3]Pautsch A.G., Heat Transfer and Film Thickness Characteristics of Spray Cooling with Phase Change [D].

[4] Mudawar, I., Estes, K. A., Optimizing and Predicting CHF in Spray Cooling of a Square Surface, Journal of Heat Transfer, Vol.118, 1996.

[5]楊明明,董進喜,白振岳,趙航. 入口壓力對射流霧化冷卻性能影響的研究[J]. 科技創業家，2013.12.

The effect of the coolant flux on the performance of the spraying atomization cooling

Dong Jinxi，Zhao Hang,Yang Mingming
（AVIC Xi’an Aviation Computing Technology Institute，Xi’an Shanxi，710119）

Based on the cooling mechanism of the spraying atomization cooling technology, analysis how the flux effect on the cooling performance of the spraying atomization cooling technology via the theory analyse and the experiment. As the cooling theory analysis, the coolant flux affects the CHF and the cooling efficiency. In the experiment, use the chip’s surface temperature as the measure standard of the spray cooling efficiency. By changing the flux of the coolant, analysis the flux working on the cooling efficiency.

spraying atomization cooling；flux chip；cooling efficiency