在加速度过载状态下微槽换热表面喷雾冷却性能实验研究

季益斌 蒋彦龙 胡文超

摘  要：文章主要通过实验方法研究在加速度过载状态下，不同过载量值、不同喷雾流量以及不同喷雾高度情况下，微槽换热表面的喷雾冷却效果。结果表明，当加速度量值增加时，喷雾性能有所提高，继续增加时，喷雾性能增加有限。此外，无论是在加速度状态下还是在静止状态下，喷雾流量和喷雾高度对喷雾性能的影响都是相同的。随着喷雾流量的增加，喷雾性能提高;随着喷雾高度的增加，喷雾性能降低。

关键词：喷雾冷却;热流密度;加速度;喷雾流量;喷雾高度

中图分类号：TKl24    文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2015）35-0057-04

1  背景概述

1.1  发展现状

随着航空高集成电路技术的迅速发展，作为航空有效载荷的电子设备，性能越来越高的同时，耗能和散热问题也越来越突出。目前新一代民用电子设备的热流密度已经高达106～107 W/m2，当前最高端的处理器热输出量超过250 W/cm2，使得超过55%的电子器件的失效是由于温度过高引起的，散热问题已成为制约发展的瓶颈。空气对流、强迫对流、热管散热等传统电子散热方法已逐渐不能满足技术发展需求，针对未来我国机载高功率密度能量散热问题，必须寻求全新技术，才能解决我国机载武器及电子设备高热流密度快速散热瓶径。

喷雾冷却具有换热系数大、过热度小、临界热流密度高和低冷却液流量等特点，喷雾冷却能在很小过热度的条件下产生极高的热流密度，这就确立了其在高热流密度散热环境中应用的重要地位。但是在应用于高功率密度器件温控时，必须保证整个发热壁面都处于工作温度范围内，即需要保证散热面温度均匀度，如果局部温度偏高，可能导致整个系统因局部过热而温控失效，机载环境下影响喷雾均匀性的主要因素是飞行器机动过载。

从20世纪80年代初期开始，国外的一些研究机构和美国高校就开展了将喷雾冷却技术应用于电子器件的研究，开展了大量的换热性能分析、热设计和样机制作方面的研究工作，积累了众多的实践经验和实验结论。NASA将闭式喷雾冷却回路系统技术列为未来五年热控系统的研究重点之一，其下属的Glenn Resear ch Center对喷雾冷却技术进行了大量的地面试验研究，并在KC-135微重力试验台上进行飞行试验，验证和研究了其在微重力条件下的运行能力、传热性能和特性。Universal Energy Syst公司在美国空军实验室的资助下研究的高功率半导体激光器阵列（500 W/cm2高热流密度能量源）的闭式喷雾冷却技术，如图1所示。

1.2  相关研究

然而到目前为止，对喷雾冷却的换热机理及影响因素并没有完全认识，因此大量的工作还是基于实验分析换热机理的基础上开展的。主要实验研究集中在以下方面。

1.2.1  喷射倾角方面

L.Ortiz和J.E.Gonzalez[1]研究了稳态情况下不同喷雾角度对换热性能的影响。Y.X.Guo和Z.F.Zhou等人[2]经实验研究认为随着喷雾角度的增加，换热表面的温度梯度先增加后降低，而J.Schwarakof等人[3]则认为当倾斜角度为40 °时系统换热性能最好。

1.2.2  表面粗糙度与表面强化方面

Silk等人[4-5]研究了表面强化的作用。表面强化的作用比采用更薄液膜的作用更重要，前者使固液接触面积增大，蒸发效率更高，使系统在更低热源表面温度时的换热系数增加。

1.2.3  重力影响方面

Yoshida等人[6-7]研究了微重力和高重力情况下的喷雾冷却，指出尽管在重力作用下向上的热源比向下的好一些（以水为介质），但是在核态沸腾状态，重力作用并不明显。Silk等人[8]通过对多个文献的总结表明，重力对喷雾冷却几乎无影响，气泡生长率和形状几乎不受重力影响，但如何移走微重力下形成的大雾滴非常必要。

国内有关电子器件喷雾冷却的起步较晚，研究也多采用实验手段分析。主要研究机构有中国空间技术研究院、中国科学院工程热物理研究所、航空计算研究所、清华大学、上海大学、中国科学技术大学等，上海理工大学、东北大学和西安交通大学也有关于喷雾冷却的研究，但并不是主要针对电子器件领域，而是针对冶金行业或医疗行业等。

2  喷雾冷却实验测试装置

2.1  换热面导流面组件

热源组件的作用是为喷雾冷却提供加热功率可控的散热面。其主体是由三根电加热棒插入到导热铜块中组成。实验过程中，电源控制加热棒输出热量，经铜块导热，最终从散热面散热。导热铜块顶部表面为平面、槽面和针孔换热面，投影面积为14 mm×14 mm;颈部两两对称布置有六个温度测点，到散热面的垂直距离从上到下依次为7 mm、17 mm、25 mm;底部为三个加热棒的预留孔洞，长×直径=60 mm×6 mm。加热棒与铜块间用导热硅脂粘合，采用并联联接，并联电阻为166.7 Ω，每根加热棒的最大功率为100 W，则散热面理论上所能达到的最大热流密度为153.06 W/cm2。实验采用DH1716A-13型直流稳压稳流电源，最大输出电压/电流为250 V/5A。考虑到实验的安全性，电源电压将不大于226 V，对应最大输出功率为293.8 W。为使热量尽可能多地流向散热面，减少无效热损失，导热铜块周围将包覆玻璃棉毡，导热系数约为0.04 W/（m·K），如图2所示。另一方面，铜块及保温材料周围覆盖有不锈钢外壳，铜块与外罩间接触缝隙填充绝缘硅胶，以防水电接触。外罩上表面有一定的倾斜角度，方便冷却工质及时排出。

2.2  实验装置

喷雾冷却实验装置示意图如图3所示。实验采用开式系统，主要由三部分组成：

①供液和喷雾系统：储水槽、过滤器、泵、安全阀、压力缓冲器、流量计、喷嘴、收集水槽等;

②热源组件：电加热棒、变压电源、铜块、保温材料、不锈钢外罩、密封件等;

③数据采集系统：压力传感器、热电偶、数据采集仪、压力表、流量计等。

系统开始运行时，止回阀处于关闭状态，接通水泵电源，喷雾冷却工质在泵的作用下，自储水槽经过滤器过滤多余杂质后进入系统管路。由于止回阀关闭，止回阀前的压力将不断上升。当压力超过规定值（0.9 MPa）时，安全阀打开，工质流回储水槽。打开止回阀，过量的冷却工质继续通过安全阀流回储水槽，另一部分工质则经过压力表、流量计、过滤器、压力传感器、热电偶后，最终由喷嘴喷射到换热面。换热后的冷却工质流入收集水槽。因为本实验中冷却工质采用常温水，系统没有安装水温控制装置，为保证工况的准确性，收集水槽中的水并没有直接送回储水槽，而需要经过一定的冷却沉淀才可以循环使用。

本实验借助加速度试验台，该实验台的主体结构示意图如图4所示，实验装置安装图如图5所示。整套装置安装在深度约为2.5 m的圆柱形坑内，系统工作时只有旋转台及其附属件转动，其余为不动件。上方矩形通道与地面相接，用于系统管道和连接线的走线。进水管道延中轴腔向下到达旋转平台，延台面到达管道接口，回水管道走向相反。本实验不采用回水，所以在回水管道接口处安装截止阀，阀门关死。收集水槽与旋转台间用8个M25的螺栓连接。旋转台两端重量不等有可能造成旋转过程中台面的上下晃动，因此在旋转台的另一端将安装配重件，重量与水槽构件相符。试验台上的传感器引线与集线箱上的接线柱相连，总线将延中轴腔和矩形通道到达数据采集和控制系统。实验通过离心机控制柜控制旋转加速度和电机的启停。

3  实验分析

3.1  加速度对不同换热面喷雾冷却换热特性的影响

本文在给定喷嘴及喷嘴高度条件下，对三个不同换热表面系统处于4 g的加速度时的喷雾冷却换热性能进行实验研究。流量0.3 gal/h，喷嘴距散热面10 mm，槽道延离心转台径向放置时，换热面表面温度与热流密度间的关系图，如图6所示，由图6可知，维持相同表面温度时，槽面热流密度最高，喷雾冷却效果最好。

3.2  加速度对槽状加热面喷雾冷却换热特性的影响

由于槽面相较于其他换热表面，喷雾冷却效果更好。后续主要针对微槽表面结构在不同流量和不同高度下的喷雾冷却特性进行研究。在给定喷嘴及喷嘴高度条件下，对系统处于0 g、2 g和4 g的加速度时的喷雾冷却换热性能进行实验研究。0.65 gal/h喷嘴距散热面10 mm，槽道延离心转台径向放置时，换热面表面温度与热流密度间的关系图，如图7所示。

由图7可知：

①在静止状态下，喷雾冷却换热效果最差，但随着加速度的增大，热流密度-表面温度变化曲线基本保持不变。这是由于在喷雾冷却过程中，部分液滴在撞击散热面后全部或部分附着于壁面形成液膜，阻碍了液滴与壁面间的冷却换热。

②在加速度情况下，由于离心力的作用，液膜的扰动和流动性增强，且过量工质的排除速度加快，造成了换热能力的增强。当加速度达到一定值，这种强化作用也将达到最大值。由此，考虑到系统工作的稳定性和安全性，以下实验中的离心状态均采用2 g的加速度值。

3.3  高度对槽状加热面喷雾冷却换热特性的影响

在维持入口压力为0.9 MPa不变的条件下，流量0.5 gal/h，改变喷嘴与散热面的距离，可得到在不同喷雾高度下的热流密度-表面温度曲线，如图8所示。

分析图8可知：

①随着高度的增加，喷雾冷却换热能力随之下降;

②不同高度下，离心状态均比静止状态的换热效果好;

③随着加热功率从小到大变化时，增强的效果更加明显。

分析实验现象产生的原因：随着高度的增加，液滴到达壁面后的溅射现象减少，液膜的扰动也随之减弱，更容易造成壁面工质的滞留。由几何关系可以得到，随着高度的增加，散热面接收到的有效工质流量减小，这些都导致了喷雾冷却换热能力随高度的增加而下降。这里需要注意，本组实验选用的是0.5 gal/h的喷嘴。当喷嘴流量过大的时候，可能会出现不同的结果。

3.4  不同流量的喷嘴对槽状加热面喷雾冷却换热特性的      影响

喷嘴高度为10 mm，选用流量为0.65 gal/h、0.50 gal/h、0.30 gal/h的喷嘴，可得不同流量下喷雾冷却换热曲线，如图9所示。

分析图9可知，同一流量下，离心作用均能够增强换热;在一定的加热功率范围内，随着流量的增加，喷雾冷却换热效果越好，但当加热功率到达一定值后，流量的增加并不能有效地增图7加速度对换热的影响强换热，甚至可能带来相反的效果，离心条件下状况相似。如0.65 gal/h和0.50 gal/h喷嘴的换热曲线，当加热功率高于105 W/cm2时，0.50 gal/h喷嘴的换热效果更好，所能达到的临界热流密度更大。这是因为，如果流量过大，散热表面上液膜厚度增大，随着表面温度的升高，换热进入相变换热区，而过厚的液膜将阻碍汽泡的生成，核态沸腾随之减弱，换热变差，甚至在离心状态下，这种阻碍效果也不能得到缓解。

4  实验结论

过载对喷雾冷却的影响主要体现在喷射出的单相或两相液体在换热表面由于过载因素影响而分布不均，从而产生局部过热。本文将喷雾冷却装置与加速度试验台相结合，分析了槽状表面离心条件下加速度值、高度、流量对喷雾冷却换热的影响。研究结果如下：

①加速度对喷雾冷却换热的影响：离心状态较静止状态下的换热效果好，但加速度达到一定值后，换热效果并不会随着加速度值的增加而一直增加，也将达到最大值。

②高度对喷雾冷却换热的影响：就非过流量喷嘴而言，随着高度的增加，换热效果变差;离心状态下也存在相同的规律。

③流量对喷雾冷却换热的影响：在一定加热功率范围内，随着流量的增加换热效果变好;当加热功率超过一定值，流量的增加并不能增强换热，甚至带来相反的效果;离心作用在相应流量下均能增强换热，但同样有过量工质阻碍换热的现象发生。所以喷雾冷却应选择合适流量的喷嘴。

参考文献：

[1] L.Ortiz，J. E. Gonzalez. Experiments on steady-state high heat

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[2] J. Schwarakof et al.， Effect of spray angle in spray cooling thermal

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[3] Y. X. Guo and Z. F. Zhou et al.， Optimal Heat Transfer Criterion

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