典型電流體動力學傳導泵性能的實驗研究

杜中林，馬詩遠，易紅亮，吳 健

（哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，空天熱物理工信部重點實驗室，哈爾濱 150001）

0 引言

傳統(tǒng)機械泵因易發(fā)生機械故障和過度振動，難以小型化制造，不適用于液膜與多相流輸運等缺陷，無法滿足電子元器件熱管理系統(tǒng)高功率散熱等一系列需求。隨著流體傳熱系統(tǒng)向小型化和高功率化方向發(fā)展，基于電場力驅動的電導泵（electrohydrodynamic conduction pumping）作為一種有效的流體流動生成與控制技術，近年來獲得廣泛關注。這種泵具有低振動噪聲、易小型化制作、運行可靠、無需運動部件和空間跨尺度的良好適應性等特征[1]，在航天器高功率散熱系統(tǒng)、微流體冷卻系統(tǒng)、低重力空間散熱及柔性軟機器人等領域具有廣闊的應用前景[2-4]。

電導泵泵送流體依賴于流體與電場的相互作用，利用流場中存在的庫侖力驅動流體流動。液體中的自由電荷來源于介電液體中電解質(zhì)分子的解離過程。在電場作用下，解離的正、負離子向相反極性的電極板移動，在電極板表面形成電荷層，即異號電荷層[5]。施加于流場中的庫侖力大小與異號電荷層大小成比例。而控制異號電荷層大小的最簡單方式便是控制電導泵電極的幾何形狀。多孔-圓環(huán)電極和尺寸不同的平嵌電極是2 種最典型的電導泵電極。非對稱電極設計使得異號電荷層大小不同，從而獲得凈庫侖力驅動流體流動。多孔電極電導泵性能與孔徑大小有關，孔徑越小，泵產(chǎn)生的靜壓越大[6-7]。然而小孔徑多孔電極電導泵在產(chǎn)生流動時存在多孔電極處局部阻力大的問題。為減小泵內(nèi)流動阻力，美國伍斯特理工學院的Seyed-Yagoobi教授團隊創(chuàng)新設計了平嵌電極泵[8-9]。實驗結果表明，平嵌電極電導泵的泵送方向為窄電極流向寬電極，且與多孔電極相比，平嵌電極更適合泵送薄液膜。在2015 年版的《NASA 技術路線圖》[10]中，電導泵作為主動流動生成與控制技術，將用于探索下一代航天器高功率電子元器件空間熱管理技術。于是，Seyed-Yagoobi 教授團隊在NASA 的資助下，開展了一系列電導泵技術研究，包括單相流、兩相流、液膜沸騰、重力變化及泵長時間運行等實驗研究[11-14]，并將研制的第一代電導泵于2017 年2 月至2018 年8 月在國際空間站上進行了在軌測試；第二代電導泵也有計劃實施在軌測試。

國內(nèi)對電流體動力學研究起步較晚[15]，相關的電流體泵研究也較少。北京工業(yè)大學于翮等基于MEMS 加工技術制作了電液動力微注入泵，在施加90 V 電壓時微泵可獲得最大靜壓268 Pa[16-17]；之后，又在電極材料的選擇、微注入泵設計等方面進行了改進，提升了微泵性能[18]。李斯盟等[19]制作了針-環(huán)和針-網(wǎng)電極注入泵，進行了注入泵靜態(tài)驅動性能實驗研究，結果表明：增加環(huán)電極寬度和減小電極間距均可提高針-環(huán)和針-網(wǎng)注入泵的驅動能力。注入泵存在的問題是，電極-液體界面的電化學反應會改變電極表面性質(zhì)，從而影響泵的穩(wěn)定性和壽命。目前國內(nèi)對電導泵的研究相對匱乏。最近，作者研究團隊對電導泵的研究進行了綜述[20]，同時設計了平嵌電極和多孔電極這2 種典型結構的電導泵，并搭建泵性能測試實驗平臺，對它們泵送介電液體的性能進行對比分析，以期推進電導泵應用于電子元器件微通道液冷等領域。

1 實驗裝置

平嵌電極和多孔電極電導泵的工作原理如圖1所示。在強電場作用下，解離離子在電極表面形成了不同尺寸的異號電荷層，流場在凈庫侖力的驅動下產(chǎn)生凈流動。典型電極電導泵的性能測試系統(tǒng)如圖2 所示，主要由電導泵、壓差計、流量計、儲液罐、閥門與連接管路組成。為防止燒壞直流高壓電源，電源系統(tǒng)中串聯(lián)了一個保護電阻。

圖1 典型非對稱電極結構示意Fig. 1 Schematic diagram of typical asymmetric electrode arrangement

圖2 電導泵性能測試系統(tǒng)Fig. 2 Testing system for the EHD conduction pumping

6 對平嵌電極電導泵設計圖與實物如圖3 所示，泵外殼由亞克力材質(zhì)制成，內(nèi)部流體通道為方腔結構，通道邊長8 mm；電極采用具有高導電性的金屬銅制作，銅制高壓、接地電極板經(jīng)拋光處理后，嵌入方腔底部；蓋板與電導泵主體部分通過螺栓固定，蓋板與電導泵主體相接觸的部位通過玻璃膠進行密封處理。設計中采用了文獻[8]中的電極寬度、電極間距和電極對間距尺寸，接地電極寬度L1為3 mm，高壓電極寬度L2為9 mm，電極間距L3為3 mm，電極對間距L4為15 mm。

圖3 6 對平嵌電極電導泵設計圖及實物Fig. 3 Design and actual object of EHD conduction pump with six pairs of flushed electrodes

如圖4 所示，多孔電極電導泵的電極采用316 不銹鋼制成，電極間距與電極對間距由聚四氟乙烯（PTFE）制成。多孔高壓電極流體通道處圓孔直徑為1.5 mm，接地電極中心流體通道直徑為8 mm，電極兩側的螺栓通道孔直徑分別為3 mm 與6 mm。多孔電極厚度為0.6 mm，電極間距與圓環(huán)電極厚度均為3 mm，電極對間距為15 mm。

圖4 3 對多孔電極電導泵實物Fig. 4 Actual object of EHD conduction pump with three pairs of perforated electrodes

測試中，流量計處管道內(nèi)徑為5 mm，流量計與壓差計測量誤差分別為±0.2 cm/s 和±2 Pa。實驗在室溫下進行，泵送的介電液體為在EHD 領域具有重要應用前景的HFE-7100[21]，其物性參數(shù)參見表1。

表1 介電液體HFE-7100 的物性參數(shù)[21]Table 1 Physical properties of dielectric liquid HFE-7100[21]

2 實驗過程、結果與分析

電導泵性能測試實驗之前，首先檢查線路是否連接完好；隨后打開儲液罐閥門，使系統(tǒng)管路中充滿介電液體。正式實驗開始前，先開啟高壓直流電源，令電導泵運行一段時間，排盡管路中的氣體后關閉電源及儲液罐閥門。每次實驗均待壓差計、流量計與萬用表示數(shù)穩(wěn)定后，記錄流量、壓差和電流數(shù)據(jù)。

為確定電導泵電極間無電荷注入現(xiàn)象發(fā)生，且系統(tǒng)中的介質(zhì)流動和壓力均由電荷傳導機制產(chǎn)生，實驗中將萬用表串聯(lián)在系統(tǒng)中，測試電導泵的電流-電壓特性。平嵌電極電導泵電壓-電流特性曲線如圖5 所示，電壓和電流近似呈正比關系，可確認無電荷注入現(xiàn)象發(fā)生。通過觀察流量計示數(shù)的正負，可判斷平嵌電極電導泵的流動方向為由窄電極流向寬電極。6 對平嵌電極電導泵性能隨施加電壓的變化如圖6 所示：隨著施加電壓的增大，電導泵性能逐漸提高，當施加電壓為10 kV 時，平嵌電極電導泵產(chǎn)生的流量為194.5 mL/min，平均流速165.1 mm/s，動壓為40.3 Pa，泵耗電量僅為0.069 W。關閉電導泵左右兩側閥門進行靜壓測試，結果如圖7 所示，平嵌電極電導泵在施加10 kV 電壓時產(chǎn)生的最大靜壓為72.1 Pa。

圖5 平嵌電極電導泵的電流-電壓特性曲線Fig. 5 Current-voltage curve of flushed electrode EHD conduction pumping

圖6 平嵌電極電導泵性能隨施加電壓的變化Fig. 6 Performance of flushed electrode EHD conduction pumping against the applied voltage

圖7 平嵌電極電導泵產(chǎn)生的靜壓隨施加電壓的變化Fig. 7 Static pressure produced by the flushed electrode EHD conduction pumping against applied voltage

3 對多孔電極電導泵的電壓-電流特性曲線如圖8 所示，其電壓-電流處于準歐姆區(qū)，表明此時泵中凈電荷密度的產(chǎn)生僅依靠介電液體HFE-7100 中電解質(zhì)的解離-結合機制。多孔電極電導泵泵送流向為液體由圓環(huán)電極流向多孔電極。多孔電極電導泵性能隨施加電壓的變化如圖9 所示：當施加10 kV電壓時，泵所產(chǎn)生的流量為438.2 mL/min，動壓為173.0 Pa，泵耗電量為0.083 W。3 對多孔電極電導泵在施加10 kV 電壓時產(chǎn)生的最大靜壓為363.5 Pa（見圖10）。

圖8 多孔電極電導泵的電流-電壓特性曲線Fig. 8 Current-voltage curve of perforated electrode EHD conduction pumping

圖9 多孔電極電導泵性能隨施加電壓的變化Fig. 9 Performance of perforated electrode EHD conduction pumping against the applied voltage

圖10 多孔電極電導泵產(chǎn)生的靜壓隨施加電壓的變化Fig. 10 Static pressure produced by the perforated electrode EHD conduction pumping against applied voltage

綜上可知，相比平嵌電極電導泵，多孔電極電導泵具有更好的性能。從圖1 所示的2 種典型非對稱電極結構設計即可看出，相比于平嵌電極設計，多孔電極處的異號電荷層使得流場中具有更大的軸向凈庫侖力，更有利于驅動流體產(chǎn)生軸向凈流。

表2 對比了本文與文獻[7]中多孔電極電導泵的性能，它們的差異原因可能是電導泵流體通道面積和自由電荷在電極表面的附著面積不同：1.59 mm孔徑的多孔電極表面積約為81.71 mm2，其中41%為流體通道（約為33.5 mm2）；而本文設計的1.50 mm孔徑的多孔電極表面積為50.27 mm2，其中流體通道面積為20.44 mm2。1.59 mm 孔徑的多孔電極投影面積大，自由電荷附著面積大，故可產(chǎn)生更大的壓差；但同時其投影面積過大，導致通道內(nèi)流體流動阻力較大，因而產(chǎn)生的流量較小。

表2 本文及文獻[7]中多孔電極電導泵性能對比Table 2 Performance of the perforated electrode EHD conduction pumpings between this paper and result of Ref. [7]

3 結束語

本文設計了2 種典型電極結構電導泵——平嵌電極和多孔電極電導泵，并搭建電導泵性能測試平臺，實驗研究了這2 種電導泵的動態(tài)、靜態(tài)驅動特性，介電液體為HFE-7100。實驗結果顯示：

1）在測試電壓10 kV 以內(nèi)，2 種泵的電壓-電流特性曲線均處于準歐姆區(qū)，泵內(nèi)無電荷注入發(fā)生，泵內(nèi)自由電荷主要來源于電解質(zhì)的解離過程。

2）動態(tài)驅動特性：施加10 kV 電壓時，6 對平嵌電極電導泵產(chǎn)生流量194.5 mL/min，動壓40.3 Pa；3 對孔徑1.50 mm 的多孔電極電導泵產(chǎn)生流量438.2 mL/min，動壓173.0 Pa。

3）靜壓驅動特性：施加10 kV 電壓時，6 對平嵌電極電導泵產(chǎn)生最大靜壓72.1 Pa；3 對多孔電極電導泵產(chǎn)生最大靜壓363.5 Pa。

4）多孔電極電導泵比平嵌電極電導泵具有更好的性能。原因在于，在多孔電極處形成的異號電荷層具有更大的軸向庫侖力，更有利于驅動流體產(chǎn)生軸向凈流動或獲得更大的靜壓。

未來的研究中將利用電導泵作為系統(tǒng)動力源，進行高熱流密度電子元器件強化散熱應用研究，探索電導泵技術在航天器高功率電子元器件熱管理、高熱流密度芯片散熱等領域的應用。