泵驅(qū)兩相流冷卻系統(tǒng)充注量影響研究*

李 力，陳 琦，王 銳

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

引 言

隨著電子技術(shù)的進步，復(fù)雜電子設(shè)備的熱負荷和芯片的單點熱流密度越來越大。同時，復(fù)雜嚴酷的使用環(huán)境和復(fù)雜的裝載平臺也使其朝著高密度組裝和集成化封裝設(shè)計發(fā)展。電子設(shè)備熱設(shè)計面臨著越來越嚴峻的挑戰(zhàn)。研究表明，在70°C～80°C的溫度范圍內(nèi)，電子元器件的工作溫度每增加1°C，其可靠性就會下降5%[1]。然而，傳統(tǒng)冷卻方式在熱流密度上已接近散熱問題的極限[2]，在體積、重量、耗電等資源需求方面也越來越難以滿足裝備高密度組裝的設(shè)計需求，因此亟需新型熱控技術(shù)來滿足復(fù)雜電子設(shè)備的散熱需求。其中，由機械泵驅(qū)動的兩相流冷卻技術(shù)成為新的研究熱點。

泵驅(qū)兩相流冷卻技術(shù)利用相變工質(zhì)潛熱帶走發(fā)熱器件的熱量，可解決熱流密度高達2 kW/cm2[3]器件的散熱問題。與傳統(tǒng)液冷相比，兩相流冷卻有著傳熱效率高、所需流量小、溫度一致性高等顯著優(yōu)勢。

對兩相冷卻系統(tǒng)而言，充注量是影響系統(tǒng)工作性能的重要參數(shù)。以往的充注量研究一般都是針對壓縮循環(huán)等制冷系統(tǒng)或熱管等展開的，對由泵驅(qū)動的兩相冷卻系統(tǒng)的充注量研究較少。本文利用齒輪泵、蒸發(fā)器、冷凝器、可調(diào)熱源和定量充灌回收裝置組成小型泵驅(qū)兩相冷卻系統(tǒng)，研究充注量對系統(tǒng)運行性能的影響，為后續(xù)泵驅(qū)兩相系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 兩相冷卻系統(tǒng)原理與試驗裝置

1.1 兩相冷卻系統(tǒng)工作原理

典型的兩相系統(tǒng)包含蒸發(fā)器、冷凝器、儲液罐、供液泵等設(shè)備，如圖1所示。在兩相冷卻系統(tǒng)工作過程中，相變工質(zhì)在供液泵的驅(qū)動下進入蒸發(fā)器吸熱氣化，由液相進入兩相態(tài)，氣液混合物通過管路進入冷凝器，在冷凝器的作用下進入過冷態(tài)，并再次進入供液泵。供液泵與冷凝器之間設(shè)置有儲液罐，用以調(diào)節(jié)由負荷變化導(dǎo)致的液位變化。圖2是兩相冷卻系統(tǒng)壓焓圖。2—3過程為過冷工質(zhì)在供液泵的驅(qū)動下進入蒸發(fā)器，并在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱，達到飽和點；3—4過程為工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)相變，進入兩相態(tài)；4—1過程為氣液相態(tài)的工質(zhì)在冷凝器內(nèi)冷凝，重新進入過冷態(tài)；1—2過程為過冷態(tài)的工質(zhì)在供液泵的作用下，克服沿程流阻，重新進入蒸發(fā)器換熱，完成一個循環(huán)。

圖1 兩相流冷卻系統(tǒng)原理圖

圖2 兩相系統(tǒng)壓焓圖

1.2 試驗平臺

按照上述典型的兩相系統(tǒng)，搭建了用于驗證充注量影響的兩相試驗系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)的原理如圖3所示，圖中P和T分別代表壓力傳感器和溫度傳感器。

圖3 充注量試驗系統(tǒng)原理圖

在試驗系統(tǒng)中，蒸發(fā)器采用鋁合金冷板。冷板內(nèi)設(shè)置蛇形流道，冷板上方焊接熱電阻來模擬熱源，通過熱電偶對每個熱源進行溫度采集，通過調(diào)壓器對熱負荷大小進行控制。在蒸發(fā)器進出口通過壓力傳感器和溫度傳感器采集蒸發(fā)器進出口的壓力與供回液溫度，整個采集過程如圖4所示。

圖4 蒸發(fā)器冷板數(shù)據(jù)采集布置

供液泵、冷凝器和儲液罐集成為小型兩相冷卻機組，其中冷凝器為風(fēng)冷式管翅換熱器，供液泵為小型變頻齒輪泵。整個系統(tǒng)通過定量充灌回收設(shè)備來改變系統(tǒng)的充注量。考慮安全性及換熱效率，選擇系統(tǒng)干度≤0.5[4]。整個試驗系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 充注量試驗系統(tǒng)

1.3 試驗步驟

試驗按如下步驟進行：1）系統(tǒng)抽真空；2）利用定量充灌回收設(shè)備開始充灌，并開啟齒輪泵進行試運行，觀察到流量連續(xù)穩(wěn)定時止；3）啟動小型兩相流機組與電加熱，將系統(tǒng)熱負荷分別調(diào)整為500 W，1 000 W，1 500 W，2 000 W，系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄各參數(shù)；4）關(guān)閉電加熱，關(guān)停齒輪泵，利用充灌液設(shè)備按設(shè)定值增加充注量；5）重復(fù)步驟3和步驟4，直至系統(tǒng)參數(shù)偏離正常工況點；6）關(guān)閉電加熱，關(guān)停齒輪泵。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 充注量對系統(tǒng)性能的影響

圖6是充注量對系統(tǒng)溫度的影響曲線。從圖6可以看出，從系統(tǒng)能夠正常運行開始，隨著充注量的增加，系統(tǒng)溫度先基本持平，后逐漸升高。以熱負荷500 W時為例，充注量為2 kg時，熱源的平均溫升約為19°C，而平穩(wěn)區(qū)內(nèi)溫升約為10°C，也就是說其對流換熱系數(shù)下降了約1/2。

圖6 不同充注量對系統(tǒng)溫度的影響

在兩相系統(tǒng)運行的過程中，氣液相體積比例總體基本穩(wěn)定，在蒸發(fā)端液體不斷轉(zhuǎn)換為氣體，在冷凝端氣體轉(zhuǎn)換為液體。隨著充注量的增加，系統(tǒng)內(nèi)液相體積增加，氣相體積減小，液態(tài)工質(zhì)不斷擠壓氣態(tài)工質(zhì)的空間。當(dāng)氣相體積小于帶走系統(tǒng)熱負荷所需的蒸發(fā)空間時，蒸發(fā)受到抑制，換熱系數(shù)下降，系統(tǒng)溫升增加。

圖7是充注量對供回液溫升的影響曲線。從圖7可以看出，隨著充注量逐步增加至超出合理范圍，系統(tǒng)供回液的溫升由平穩(wěn)維持在2°C以內(nèi)開始急劇上升。

圖7 不同充注量對供回液溫升的影響

在兩相系統(tǒng)正常運行的情況下，冷卻工質(zhì)相變換熱，供回液溫度基本保持不變。隨著系統(tǒng)充注量的增加，工質(zhì)的蒸發(fā)空間逐漸減小至不足以完全帶走系統(tǒng)的熱負荷，蒸發(fā)受到抑制，剩余熱量由工質(zhì)顯熱帶走，因此供回液溫升急劇升高。

以熱負荷500 W 數(shù)據(jù)為例，在充注量達到2 kg 時，供回液的溫升達到了15°C。按此時的供液流量0.8 L/min 計算，液體工質(zhì)的比熱容為1.14 kJ/（kg·K），飽和液體密度為1 188 kg/m3，則依靠顯熱帶走的熱量為1 188× 0.8× 60× 1.14×15/1 000 = 270 W。由此可知，依靠潛熱帶走的熱量不到熱負荷的一半。

圖8是充注量對系統(tǒng)流阻特性的影響曲線。從圖8可以看出：在合理充灌區(qū)內(nèi)，流量相同時，系統(tǒng)流阻基本保持不變；隨著充注量提升并超過合理區(qū)間上限，系統(tǒng)流阻反而會快速下降。

圖8 不同充注量對系統(tǒng)流阻的影響

在兩相流流阻計算中，流阻基本與平均流速成平方關(guān)系[5]，充注量提升至超出最高允許值后，蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生的氣體體積小于原帶走熱負荷所需的蒸氣的體積，導(dǎo)致管路中氣體減少，氣體減少意味著平均流速降低，因此流阻也隨之呈下降趨勢。

圖9是充注量對供液過冷度的影響曲線。在兩相系統(tǒng)中，為了獲得更優(yōu)的均溫性能，通常會控制冷板入口的過冷度，以保證冷板入口段的均溫性。從圖9可以看出：當(dāng)充注量在合理的范圍內(nèi)時，入口過冷度基本不受充注量變化的影響；當(dāng)充注量超出允許范圍時，系統(tǒng)壓力出現(xiàn)明顯躍變，導(dǎo)致供液過冷度增加。

圖9 不同充注量對過冷度的影響

以500 W數(shù)據(jù)為例，在正常情況下，系統(tǒng)供液壓力約為5 kg，過冷度為5°C。當(dāng)充注量由1.48 kg提升至2 kg時，供液壓力從0.5 MPa突升至0.85 MPa，過冷度從5°C提升至20°C，這意味著系統(tǒng)需要先經(jīng)過15°C的顯熱換熱，才會進入兩相態(tài)，這對對流換熱系數(shù)、均溫性、系統(tǒng)耐壓性能等都是不利的。綜上所述，當(dāng)充注量在合理的范圍內(nèi)時，充注量的變化不會對系統(tǒng)工作點造成影響。當(dāng)充注量超出允許范圍時，系統(tǒng)的熱源溫度、供回液溫差、流阻特性及過冷度均將急劇惡化。

2.2 合理充注量影響因素分析

由以上分析可知，系統(tǒng)過充會導(dǎo)致兩相工作點偏離，性能惡化，因此需要對系統(tǒng)的合理充注量這一影響因素進行分析。

在正常運行的兩相循環(huán)系統(tǒng)中，蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)靠氣化吸熱帶走熱量，在相同的溫度下，工質(zhì)的氣化潛熱是不變的，對于不同的熱負荷，蒸發(fā)消耗的工質(zhì)及蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生的氣體體積也是不同的，合適的充注量既要使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，無斷流現(xiàn)象，又要保證系統(tǒng)內(nèi)有足夠的帶走熱負荷所需的蒸發(fā)空間。因此，在特定的系統(tǒng)中，充注量上限受系統(tǒng)最大熱負荷的影響。

從圖6可以看出，隨著熱負荷的增加，系統(tǒng)合理的充注量上限在逐漸減少，即溫度躍升點在前移。以熱負荷500 W和2 000 W兩個工況為例，熱負荷從500 W增加至2 000 W時，系統(tǒng)溫升躍變時的充注量由1.48 kg減少至1.14 kg。此時供液溫度為30°C，工質(zhì)的密度為1 188 kg/m3，最大充注量體積減小了1 000×(1.48-1.14)/1 188=0.28 L。

供液溫度為30°C時，工質(zhì)從飽和液體蒸發(fā)為飽和氣體的焓差為171 kJ/kg，熱負荷從500 W增加至2 000 W時，工質(zhì)需多蒸發(fā)的質(zhì)量為1 000×(2-0.5)/171 = 8.8 g，此時工質(zhì)的氣相密度為37 kg/m3，則多產(chǎn)生的氣體體積為1 000×8.8/(37×1 000) =0.24 L，與減小的充注體積基本相同。熱負荷增加了1 500 W，導(dǎo)致系統(tǒng)允許的最大充注量減少了0.24 L，這0.24 L就是新增的1 500 W熱耗所對應(yīng)的蒸發(fā)空間。

從上述分析可以看出，在特定的系統(tǒng)中，最大充注量受系統(tǒng)熱負荷的影響，熱負荷增加時，系統(tǒng)的合理充注量隨之減少，減小的體積為新增熱耗對應(yīng)的蒸發(fā)空間。系統(tǒng)在進行充注量設(shè)計時，可根據(jù)系統(tǒng)最大熱負荷來計算允許的最大充注量。

3 結(jié)束語

本文研究了泵驅(qū)兩相冷卻系統(tǒng)充注量對系統(tǒng)運行特性的影響。通過構(gòu)建典型泵驅(qū)兩相系統(tǒng)，對不同充注量下系統(tǒng)的運行參數(shù)進行了試驗研究，并對最大充注量與系統(tǒng)熱負荷之間的關(guān)系進行了理論分析，得出以下結(jié)論：

1）在兩相系統(tǒng)最大充注量下，系統(tǒng)內(nèi)需保有不小于系統(tǒng)熱負荷產(chǎn)生的蒸氣體積的氣相空間。當(dāng)熱負荷增加時，系統(tǒng)允許的最大充注量將減少，減小的體積為新增熱負荷對應(yīng)的蒸發(fā)體積。

2）當(dāng)系統(tǒng)過充時，系統(tǒng)的運行參數(shù)將偏離原設(shè)計點，溫度、供回液溫升、流阻及過冷度均有不同程度的惡化，可作為判斷系統(tǒng)充注是否合理的參考。