壓電泵驅(qū)動閉式水冷回路實驗研究

衛(wèi)鈴佼，趙雅楠，梁驚濤

(中國科學院 理化技術研究所 空間功熱轉(zhuǎn)換技術重點實驗室, 北京 100190)

0 引言

1965年,美國學者Charles[1]提出壓電泵具有高效，體積小及無旋轉(zhuǎn)部件等優(yōu)點。針對壓電泵的研究主要包括探索新結(jié)構，并利用新材料、新工藝研制出更緊湊、更精密、更可靠的壓電泵結(jié)構[2-5]。

2002年，日立向市場推出采用配備壓電泵的液體制冷冷卻系統(tǒng)的筆記本電腦后[6]，壓電泵在電子器件散熱領域及緊湊型液冷系統(tǒng)開始獲得一定的關注和研究。趙艷龍[7]制作的單腔雙振子壓電泵輸出流量達560 mL/min，輸出壓力達26 kPa。2008年，H.K. Ma等[8]將設計流量為2.35 mL/s的壓電泵應用于水冷系統(tǒng)，在30 W的傳輸熱量下，開放與閉式回路的液冷系統(tǒng)熱阻分別為0.27 ℃/W和0.45 ℃/W。H.K. Ma等[9]將壓電泵輸出流量提高到4.2 mL/s，在45 W傳輸熱量下，開放與閉式回路的傳輸熱阻分別為0.152 ℃/W和0.348 ℃/W。2016年，田浩等[10]將壓電泵技術應用于數(shù)據(jù)中心服務器散熱，有效提高了室內(nèi)空間利用率，降低了建設和應用成本。陳松等[11]研究了不同壓電泵組合方式驅(qū)動芯片水冷系統(tǒng)，在并聯(lián)組合四泵工作時獲得了最大流量。以上研究都是針對壓電泵驅(qū)動水冷環(huán)路傳熱性能，正常工作時環(huán)路內(nèi)工質(zhì)為純液相水。但在一些特殊應用場合，如冷卻段冷量較足，會造成閉式回路內(nèi)工質(zhì)過冷，回路內(nèi)出現(xiàn)水蒸氣。由于泵腔內(nèi)存在的氣泡會影響壓電泵工作性能[12]，傳熱回路的啟動和穩(wěn)態(tài)運行性能會受到一定影響。為了定量研究水蒸氣含量對壓電泵驅(qū)動閉式回路傳熱性能的影響，本文將采用實驗方法研究在不同充液率下壓電泵驅(qū)動閉式水冷回路的啟動及穩(wěn)態(tài)運行工作性能。

1 雙腔串聯(lián)有閥壓電泵

為了給傳熱回路提供較大的驅(qū)動壓力和泵送流量，本文研制了一個雙腔串聯(lián)有閥壓電泵，如圖1所示。除壓電晶體材料外，泵蓋、泵體、閥片都是金屬材料制作。壓電振子由壓電晶體和振子基片組成，兩者用導電環(huán)氧樹脂膠粘接。為了避免金屬基片與泵體接觸造成短路，在基片泵腔一側(cè)貼有絕緣膠。壓電晶體直徑為37 mm，厚為0.3 mm；振子基片直徑為41 mm，厚為0.3 mm。雙腔串聯(lián)壓電泵結(jié)構有上、下2個泵腔，因此，需要2個壓電振子。單向閥片采用輪式閥片結(jié)構，如圖2所示，閥片外徑為10 mm，厚僅0.1 mm。閥片采用鈹青銅材料制作，鈹青銅具有很高的硬度、彈性極限、疲勞極限和耐磨性，非常適合用來加工閥片。

圖1 雙腔串聯(lián)壓電泵組裝圖

圖2 閥片結(jié)構圖

圖3為雙腔串聯(lián)壓電泵工作原理圖。壓電振子、泵體和單向閥片組成一個密閉腔體。壓電振子在交流電壓下周期性上下振動，引起泵腔內(nèi)壓力發(fā)生變化，從而導致截止閥片周期性開啟和關閉。上、下兩個壓電振子驅(qū)動電壓相位差為180°，一個泵腔變大的同時另一個泵腔變小。在壓電振子和截止閥片共同作用下，流體不斷被吸入和壓出泵腔。因此，液體在泵體內(nèi)流動的過程中不經(jīng)過任何旋轉(zhuǎn)部件，流動阻力較小。

圖3 雙腔串聯(lián)壓電泵工作原理圖

壓電泵能給閉式傳熱回路提供工質(zhì)循環(huán)流動的驅(qū)動力，其工作能力影響了回路內(nèi)工質(zhì)流動速度，也決定了環(huán)路系統(tǒng)的傳熱性能。利用實驗方法測試了研制的雙腔串聯(lián)壓電泵的工作性能，工質(zhì)采用去離子水，其泵送能力如圖4所示。隨著壓電振子的驅(qū)動電壓從70 V增加到150 V，壓電泵的泵送能力逐漸增大。在150 V驅(qū)動電壓下，泵水流量達到330 mL/min。

圖4 壓電泵泵水流量隨驅(qū)動電壓變化圖

2 壓電泵驅(qū)動閉式回路傳熱性能實驗

圖5為壓電泵驅(qū)動閉式回路傳熱性能整體實驗系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)主要包括壓電泵驅(qū)動閉式傳熱回路、壓電泵驅(qū)動系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控溫水冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、工質(zhì)充裝系統(tǒng)及溫度和壓力采集系統(tǒng)。工質(zhì)充裝法是先對環(huán)路內(nèi)部抽真空，然后再充入液體工質(zhì)，該實驗中采用去離子水作為工作介質(zhì)。壓力傳感器量程為0～2.5×105Pa，測量精度為1 kPa。實驗過程中壓電泵驅(qū)動電壓從70 V逐漸增加到150 V，驅(qū)動頻率為50 Hz。熱端加熱功率從60 W增加到100 W。因為傳熱回路與水冷塊接觸面積比較小，為了充分散熱，控溫水冷機組出口水溫度控制在(10±0.5) ℃，環(huán)境溫度溫控制在(25±1) ℃。在計算充液率時，以水溫10 ℃為標準計算充液率。溫度測量采用標準K型熱電偶，測點布置(見圖6)分別位于微通道換熱器的進口溫度(T1)、出口溫度(T2)和微通道換熱器表面溫度(T3)。

圖5 傳熱實驗系統(tǒng)圖

圖6 壓電泵驅(qū)動閉式回路傳熱系統(tǒng)實物圖

圖6中，回路結(jié)構主要包括雙腔串聯(lián)壓電泵、壓力傳感器、熱端加熱結(jié)構、冷端水冷結(jié)構、充液口及連接管路。圖7為熱端加熱塊結(jié)構。加熱塊內(nèi)工質(zhì)流動通道為一排并列的圓形通道，孔徑為1 mm。為了給微通道換熱器表面提供大于100 W/cm2的加熱條件，在加熱塊上設計立柱結(jié)構(10 mm×10 mm×15 mm)。將4個1 cm(長)×1 cm(寬)×0.1 cm(厚)陶瓷加熱片分別貼在立柱四面，并涂抹導熱硅脂減小接觸熱阻，最高加熱功率可達120 W。在閉式回路安裝加熱塊時，將立柱朝下安裝，減小自然對流引起的漏熱。冷卻段采用控溫循環(huán)水冷方式進行冷卻。換熱器、水冷塊及連接管路都采用紫銅材料加工。整個環(huán)路長為43 cm，寬為15 cm，內(nèi)部流通截面直徑為3 mm。各部件連接完成后，通過負壓檢驗方式保證系統(tǒng)密封性。加熱片與熱電偶安裝好后，整體環(huán)路采用保溫棉做好絕熱，減小系統(tǒng)與環(huán)境之間的漏熱。

圖7 熱端加熱塊結(jié)構

3 實驗結(jié)論分析

3.1 壓電泵啟動性能

在實驗開始階段，首先研究充液率對壓電泵啟動性能的影響。當回路真空度達到要求后，逐漸給環(huán)路充入工質(zhì)。圖8為環(huán)路內(nèi)壓力變化。充液率計算標準是以實驗環(huán)境溫度25 ℃為標準進行計算。由圖可看出，環(huán)路內(nèi)壓力開始增加很緩慢。但當充液率超過0.890后，壓力會從20 kPa逐漸增大到標壓101 kPa。

圖8 環(huán)路內(nèi)壓力隨充液率變化

在逐漸增大環(huán)路內(nèi)充液率的過程中，測試壓電泵的啟動性能，發(fā)現(xiàn)壓電泵在充液率大于0.895后才能開始驅(qū)動工質(zhì)在回路內(nèi)循環(huán)流動。這是因為充液率很小時，管內(nèi)存在的水蒸氣較多，水蒸氣的可壓縮性較大。當壓電振子的變形引起壓電泵泵腔壓力變化時，水蒸氣的可壓縮性可消耗這部分壓力變化，而不能引起閥片的開啟和關閉，導致壓電泵不能驅(qū)動工質(zhì)流動。只有當泵腔內(nèi)存在的氣相含量小到不影響閥片的開啟和關閉時，壓電泵才能正常工作。因此，在研究水蒸氣存在對傳熱回路穩(wěn)態(tài)工作性能影響時，充液率從0.895逐漸增加到滿充狀態(tài)。

3.2 充液率對回路傳熱性能影響

對于整個閉式回路傳熱系統(tǒng)，傳熱總熱阻R為

(1)

式中q為電加熱片提供的熱量。

在不同加熱功率及驅(qū)動電壓下，定義環(huán)路平均溫度Tave為

(2)

圖9為環(huán)路熱阻隨充液率變化圖。由圖可看出，當充液率為0.895時，壓電泵可驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)流動，但該充液率下壓電泵的工作性能較差，環(huán)路內(nèi)工質(zhì)的流速較慢，所以導致一開始環(huán)路熱阻較高。當充液率超過0.93后，壓電泵泵送能力增強，環(huán)路熱阻降低。在0.93至滿充區(qū)間，環(huán)路熱阻逐漸降低，變化速度也較緩慢。在充液率為0.93～1.00時，環(huán)路熱阻小于0.2 ℃/W，說明傳熱系統(tǒng)有很好的傳熱性能。此外，可觀察到相同充液率下，環(huán)路熱阻隨著壓電泵電壓的增大而降低。這是因為隨著驅(qū)動電壓增大，壓電泵的驅(qū)動能力增強，工質(zhì)流量增大，回路傳熱能力增強，所以導致熱阻降低。

圖9 環(huán)路熱阻隨充液率變化

圖10為Tave隨充液率變化。由圖可看出，隨著充液率的增加，Tave先逐漸降低再增加。當充液率為0.97時，Tave取得最小值。在相同充液率下，壓電泵電壓越高，Tave越低。

圖10 Tave隨充液率變化

壓電泵的流動阻力小，可泵送氣、液兩相流體，且其功耗小。圖11為在不同充液率下壓電泵功率隨驅(qū)動電壓及加熱功率變化。由圖可看出，充液率越小，壓電泵的功率越小。驅(qū)動功率隨著驅(qū)動電壓的增大而增大。在相同驅(qū)動電壓下，驅(qū)動功率隨加熱功率的增大而增大。這主要是因為加熱功率越大，環(huán)路平均溫度升高，內(nèi)部壓力增大，導致壓電泵功率增大。但總體來說，壓電泵的功耗很小，很適合功率受限的應用場合(如航空航天電子器件散熱等)。

圖11 壓電泵功率隨充液率變化

4 結(jié)束語

本文研制了一個全金屬雙腔串聯(lián)有閥壓電泵，泵水流量達到330 mL/min。將壓電泵串聯(lián)到閉式回路傳熱系統(tǒng)中給工質(zhì)循環(huán)流動提供驅(qū)動力，采用實驗方法研究充液率對壓電泵驅(qū)動閉式回路傳熱性能的影響。實驗結(jié)果表明，壓電泵在充液率大于0.895時才能驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)流動。此時，氣相含量較大，泵腔內(nèi)氣相會明顯影響壓電泵工作效率，回路系統(tǒng)傳熱性能較差。當充液率繼續(xù)增加后，氣相對壓電泵工作性能影響降低，回路系統(tǒng)傳熱性能增強，少量氣相存在不會影響壓電泵及傳熱系統(tǒng)的工作性能。