润滑油对喷雾冷却性能影响

司春强，邵双全，田长青，刘小朋，肖杨

（1-国内贸易工程设计研究院，北京 100069；2-中国科学院理化技术研究所，北京 100190）

0 引言

高功率电子产品的微型化、集成化、高速化导致其散热量和热流密度急剧增加，散热问题成为限制其进一步发展的瓶颈。喷雾冷却作为一种高效的散热技术具有低过热度、小流量、高热流密度、高换热系数等优点[1]，已经在金属加工、微电子、激光等设备中进行应用。

现有基于泵循环的喷雾冷却系统在应用中存有不足，一种基于制冷循环的喷雾冷却系统被提出[2]。实验研究表明，该系统具有较大的换热系数、低冷却液流量、表面温度分布均匀、系统结构简单、调节方便等优点[3]，能够满足散热器件对散热装置的散热能力和体积需求，有利于在散热领域进行广泛的应用。但是，由于制冷系统的引入，不可避免的在冷却液中引入了润滑油。润滑油会对冷却液的粘度、表面张力产生影响，进而影响冷却液的流动和换热特性。

本文通过搭建基于制冷循环的喷雾冷却系统实验台，借鉴有关于含油制冷剂管内流动沸腾换热特性的相关理论[4,5]，探索润滑油在喷雾冷却过程中的物性变化及其对喷雾冷却性能的影响，为喷雾冷却技术理论完善和应用拓展提供一定的基础。

1 实验原理及装置

实验装置主要包含基于制冷循环的喷雾冷却系统和测油系统，如图1所示。喷雾系统主要由喷嘴、喷雾室和基本的制冷系统组成。变频压缩机将冷却工质以高温高压气体状态排出，经冷凝器以液态状态进入储液器，冷却液经流量计、过冷器、节流阀进入喷嘴，冷却液经喷嘴雾化、节流后喷射到热源表面；换热后，冷却工质以气液两相状态从喷嘴流出，与来自调节阀A的高温气体混合后，以过热蒸气状态被压缩机吸入，进入下一个循环。节流阀用于控制进入喷嘴的冷却液的状态和压力，调节阀用于部分旁通压缩机排气以保证压缩机吸气的过热度。模拟热源由圆柱形紫铜底座和加热棒组成，热电偶测点如图2所示，六个T型热电偶分前（F）后（B）左（L）右（R）四个方向排布，前方沿轴向均匀布置3个热电偶，进入深度是6 mm，热电偶间距及热电偶与换热面的间距均为 3 mm,其余三个方向各布置一个热电偶，与换热面的距离是3 mm，进入深度分别是5 mm（L），4 mm（B），3 mm（R）用于测量温度和计算加热量。

图1 实验系统原理图

图2 模拟热源

测油系统主要由氮气瓶、储油罐、流量计等组成。氮气瓶提供高压氮气，在气体压力作用下，润滑油从油罐底部经转子流量计进入喷雾冷却系统与冷却液混合，一起经过过冷器、节流阀、喷嘴后喷射的热源表面，然后随冷却工质进入压缩机。调节阀B用于调整润滑油的流量和压力，转子流量计用于粗测补油量。调节阀C和测油孔用于测量冷却液中实际含油量，测量方法采用Chang等[6]提到的称重法。

待系统运行稳定、换热过程稳定后进行测量油的含量，具体步骤如下：

1）用天平（精度0.001 g）称量取样罐的质量m0；

2）将取样罐与测油孔连通，打开取样罐上的阀门和调节阀C，并计时；

3）5秒钟后关闭调节阀C和取样罐上的阀门，并称重，记作m1；

4）将取样罐放置 5分钟后缓慢打开阀门，放出冷却工质气体；

5）待冷却工质释放干净后称量取样罐质量，记作m2；

6）计算工质中油的含量：

2 数据处理

实验中通过热电偶获得测点温度，将傅里叶导热定律用于一维导热过程，计算实验中的热流密度及换热表面温度：

式中 Tsur为热沉表面平均温度，Ti为换热表面不同点的温度。

用于表征换热能力的换热系数定义如下：

式中 Tsat为喷雾室内蒸发压力下所对应的冷却液的饱和温度。

分别对热流密度和表面温度进行误差分析。热流密度误差表示为：

表面温度的误差可以表示为：

通过计算可得热流密度及表面温度的误差分别为2.4%和3.1%，含油量的误差为0.3%。

3 性能研究

3.1 润滑油对压降的影响

润滑油的加入，会对冷却液的表面张力、粘度等物性产生影响[7]，而冷却液物性的变化会影响到冷却液经过喷嘴这一过程的压力降，进而影响到喷嘴的流量系数。在加热量恒定（95 W/cm2）的条件下，逐渐增加冷却液中的含油量，测量喷嘴的流量，并以无油时喷嘴的流量为标准，和其进行比较，得到相对于无油时喷嘴的流量系数(ψ)与含油百分比(φ)的关系，如图3所示。结果表明，随着含油百分比(φ)的增加，流经喷嘴的阻力增加，流量减小。含油量从1.1%增加到6.3%，流量从无油时流量的0.99减小到 0.85，这和严嘉等[8]在水平微肋管内的油对流动阻力的影响结果一致。根据Zurcher[9]的研究结论，油的存在会增加流动的阻力损失，尤其是冷却液温度低时，含油量的增加会使得冷却液的运动粘度增加明显，进而影响流量。一般制冷系统中，润滑油含量在 2%左右，而这一含油量所对应的流量系数值约为0.95，因此由于润滑油带来的流量的减小可以忽略。

图3 含油量对流量系数的影响

3.2 表面温度

保持喷嘴进出口压力恒定，逐渐增加冷却液中的含油量，研究不同热流密度下的表面温度随含油量的变化规律，结果如图4所示。

图4 润滑油对表面温度的影响

结果表明，和无油的冷却液相比，随着含油量的增加，热源表面温度略有降低。这是因为润滑油的增加，冷却液运动粘度增加，使得冷却液雾滴在热源表面的流动沸腾过程得到强化。如图4（a）所示，在热流密度为35 W/cm2时，和无油工况相比，含油量增加到7.2%时，表面温度降低小于0.3oC。图4（b）表明，在热流密度为90 W/cm2时，表面温度降低程度有所增加，但是和无油工况比，较低值小于0.5oC。两种热流密度条件下，热源表面温度降低很小，主要是因为实验中，换热表面积较小，流动沸腾换热有限所致。比较两图发现，热流密度高时，温度降低明显。在本实验中，润滑油的存在，可以在带来表面温度细微的降低。从散热器件表面温度控制需求出发，证明润滑油对喷雾冷却的的散热性能有促进作用。

3.3 换热系数

在喷嘴进口压力、蒸发压力、热流密度恒定的工况下，逐步增大冷却液中的含油量，研究系统的换热系数，结果如图5所示。

图5 换热系数变化曲线

结果表明，和无油喷雾冷却过程相比，随着含油量的增加，系统的换热系数呈增加趋势。图5（a）表明，热流密度为 35 W/cm2时，当含油量增加到7.2%时，换热系数增加约3000 W/m2·K；图5（b）表明，热流密度为 90 W/cm2时，当含油量增加到7.2%时，换热系数增加约4000 W/m2·K。主要是因为润滑油的引入会使得冷却液物性发生变化，运动粘度增加，流动沸腾增强。在一定范围内增加润滑油的百分比，可以对换热起到一定的强化作用，存在的润滑油有利于系统的换热性能的提高。

4 结论

本文基于制冷循环的喷雾冷却系统，搭建了实验台，对润滑油在喷雾冷却系统中的影响进行研究，结果分析：

（1）在低冷却液流量条件下，含油量的增加会使得冷却液流经喷嘴时的阻力增加，流量减小；对于一般制冷系统中的含油量标准，因含油量引起的流量降低可以忽略。

（2）随着冷却液中含油量的增加，热源表面温度呈微小下降趋势，这一现象在热流密度越高时越明显。润滑油的存在使得流动沸腾得到强化，虽然热流密度较高时，会使得表面张力增加，不利于雾滴破碎成更小的颗粒，但是相比热流密度增加带来换热系数提高要小，使得换热过程得到强化。

（3）随冷却液中含油量的增加，换热系数呈增大趋势，在含油量达到7.2%时，换热系数增加了3000W/m2·K。

上述研究结果表明，冷却液中存在润滑油，会增大冷却液流经喷嘴过程中的阻力，减小流量，但根据本系统的应用情况，可以忽略；含有一定量的润滑油可以降低热源表面温度，提高换热能力，使得系统的散热能力得到提高，更有利于在高功率电子产品的散热领域应用。

[1] Chow L C, Sehembey M S, Pais M R. High heat flux spray cooling [J]. Heat Transfer, 1997, 8: 291-318.

[2] 司春强, 邵双全, 田长青, 徐洪波. 高功率固体激光器喷雾冷却技术[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22 (12):2789-2794.

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