殷翔，劉騰，錢吉裕，孔祥舉，李力，夏源，曹鋒

（1.西安交通大學能源與動力工程學院，陜西西安710049；2.中國電子科技集團第14研究所，江蘇南京210039）

兩相冷卻與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的性能對比分析

殷翔1，劉騰1，錢吉裕2，孔祥舉2，李力2，夏源1，曹鋒1

（1.西安交通大學能源與動力工程學院，陜西西安710049；2.中國電子科技集團第14研究所，江蘇南京210039）

為研究兩相系統(tǒng)在電子元件冷卻領域的可行性和發(fā)展優(yōu)勢，建立以貼有電子元件的測試冷板為核心部件的系統(tǒng)數(shù)學模型，采用系統(tǒng)仿真方法研究兩相冷卻系統(tǒng)的熱力學行為，同時與傳統(tǒng)水冷在冷卻效果、換熱極限、系統(tǒng)循環(huán)流量方面作對比分析。

系統(tǒng)仿真；兩相冷卻；電子冷卻；蒸發(fā)器

1 引言

電子設備的日趨小型化和密集化使得電子元器件的功耗發(fā)熱非常集中，往往產生非常大的熱流密度。常規(guī)熱容冷卻方式（風冷、水冷等）的冷卻極限也只有10 W/cm2[1]，而電子元件發(fā)熱時常達100 W/cm2[2]，應用于軍用雷達上的電子元件直接發(fā)熱高達200 W/cm2。近年來，兩相蒸發(fā)冷卻因其高冷卻極限的特性受到眾多學者的青睞。

意大利人B.Pulvirenti和愛美達歐洲總部合作研究以HFE-7100為工質、狹窄流道內的蒸發(fā)冷卻，發(fā)展了蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)研究的理論基礎[3]；法國人A. Feldman以不同幾何尺寸內帶肋片的蒸發(fā)器為研究對象，得出高熱流密度下肋片的影響作用幾乎可以忽略[4]；美國Hannemann R等人提出一種以泵驅動冷卻高功率電子設備的多相流系統(tǒng)，主要強調多相流系統(tǒng)在效率、體積和重量上較常規(guī)冷卻方式的優(yōu)勢及其發(fā)展趨勢[5]；瑞士Thome JR等人采用數(shù)值方法研究指出兩相冷卻系統(tǒng)可使得電子芯片運行溫度比常規(guī)水冷低13K[6]；瑞士Marcinichen JB的泵驅動兩相冷卻系統(tǒng)，以R134a為工質對比水冷方式，水冷系統(tǒng)功耗是R134a系統(tǒng)功耗的13～16倍[7]，但其使用蒸發(fā)器為微通道且主要分析功耗優(yōu)勢而沒有其他方面的兩相冷卻系統(tǒng)的對比分析。在常規(guī)流道領域兩相冷卻在電子設備的冷卻效果系統(tǒng)性分析相對較少，我國兩相電子冷卻領域的核心技術研究也比較少，在電子冷卻領域依然普遍采用風冷、水冷等常規(guī)熱容冷卻方式，隨著電子設備的日趨發(fā)展，兩相冷卻系統(tǒng)的研究已迫在眉睫。

基于前人研究，本文著重采用數(shù)學建模，系統(tǒng)仿真的手段從不同熱力參數(shù)，對比研究兩相蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)相與傳統(tǒng)冷卻方式，為傳統(tǒng)水冷和兩相冷卻的使用與發(fā)展提供參考意義。

2 模型和計算方法

2.1 計算模型

采用電發(fā)熱單元貼合蛇形冷板的方法研究兩相冷卻和水冷的冷卻效果。測試冷板在封閉循環(huán)中起到蒸發(fā)器的作用，循環(huán)動力核心為工質泵，連接冷凝器成為一個完整的兩相系統(tǒng)封閉循。減振、干燥過濾器、質量流量計、儲液罐等部件在計算中忽略不計。

研究目的是對比兩相系統(tǒng)和傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)在電子設備冷卻方面的冷卻性能。本文電子元件是嵌在體積約其3倍的導熱金屬之上，蒸發(fā)冷板端貼有47×48×2 mm的擴熱銅板，從而增大直接接觸面積，盡量減小熱流密度，改善換熱性能。本文研究蛇形管流道長度為1000 mm。

2.2 工質泵數(shù)學模型

工質泵為兩相系統(tǒng)的動力部件，主要影響系統(tǒng)的循環(huán)流量，而工質泵進出口的壓差直接影響系統(tǒng)流量。工質泵在系統(tǒng)的仿真分析中的作用不可忽略。本文以丁國良[8]的制冷空調裝置仿真與優(yōu)化中壓差方程作為研究方程。

式中M——質量流量

Δp——泵進出口壓差

2.3 蒸發(fā)器數(shù)學模型

蒸發(fā)器是兩相蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的核心部件，其幾何結構直接影響了兩相冷卻的熱力學行為。若蒸發(fā)器入口未達到飽和液體，數(shù)學模型中需將蒸發(fā)器分單相區(qū)和兩相區(qū)處理。同時，考慮仿真研究的可實現(xiàn)性，對系統(tǒng)作簡化處理：（1）發(fā)熱元件對管壁面的傳熱視為等熱流密度；（2）忽略管壁徑向溫度的變化，忽略管壁熱阻；（3）忽略過冷換熱段的壓降。

數(shù)值仿真思想是對流道的微分和積分處理，對于第i個微單元（如圖1），能量控制方程有

圖1 第i微單元能量傳遞

式中qri——第i微單元的換熱量

mr——質量流量

hiout——第i個微單元的出口焓值

hiin——進口焓值αi為換熱系數(shù)

在單相換熱段，采用文獻[9]DittusBoelter的關聯(lián)式計算對流換熱系數(shù)

對于兩相區(qū)，換熱系數(shù)采用Wang的關聯(lián)式[10]

單相換熱段占總換熱份額小且流動較為穩(wěn)定，壓降忽略不計；兩相區(qū)因流動復雜性，壓降不可忽略，采用文獻[8]的壓降關聯(lián)式

2.4 冷凝器數(shù)學模型

本文研究冷凝器冷卻方式為風冷，如圖2為冷凝段換熱示意圖。考慮仿真分析可實現(xiàn)性，對冷凝器模型作以下簡化處理：（1）空氣與制冷劑換熱方式為逆流；（2）管內徑向各參數(shù)均勻；（3）各個回路分流均勻；（4）忽略翅片和換熱管熱阻。由于冷凝器換熱方式與蒸發(fā)器相似，控制方程也與蒸發(fā)器相似，這里不贅述。不同的是兩相區(qū)的換熱系數(shù)α，有

式中x——當?shù)馗啥?/p>

翅片冷凝器冷凝壓降忽略過冷區(qū)的壓降損失，在兩相區(qū)的流動阻力包括沿程阻力和局部阻力兩部分，如下計算

式中ψr——兩相區(qū)阻力換算系數(shù)

ζ——沿程阻力系數(shù)

Zm——每流程平均管數(shù)

圖2 冷凝段換熱示意圖

N——總管數(shù)

冷凝器換熱管微元段內，空氣側的能量守恒方程

微元段內空氣側換熱方程

取制冷劑側微單元換熱量為qicon，則冷凝器總換熱方程為

(3)飽和鹵水處理后的鹽巖所增加質量與鹽巖強度成負相關，通過對其分析得出同樣的含夾層條件下的鹽巖，含水率越高，強度越低。

2.5 兩相冷卻系統(tǒng)數(shù)學模型

兩相蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的數(shù)學模型即是由工質泵、蒸發(fā)器、冷凝器數(shù)學模型耦合而成且，假設系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)運行。同時，令

式中X為相關研究參數(shù)，下標pu為泵，eva為蒸發(fā)器，con為冷凝器。

2.6 可靠性驗證

本文在環(huán)境溫度15℃，質量流量為0.087 kg/s工況下，采用R22為工質的工況下，同時分析了仿真結果和實驗結果。圖3反應了不同熱負載下，蒸發(fā)器出口溫度仿真與實驗值的對比情況?？傮w上，蒸發(fā)器出口溫度均隨著熱負載的增加而增加，但仿真結果普遍偏高約1～2℃。原因可能是壓力因素造成的，系統(tǒng)的實際壓降要比仿真結果來的大，故而當?shù)貕毫χ灯?，飽和溫度值偏小。仿真結果與實驗結果的總體趨勢一致，仿真分析具有一定可靠性。

圖3 不同熱負荷下的實驗驗證

3 結果討論

3.1 兩相冷卻和水冷工質溫度對比

在相同溫度情況下，水的熱容和導熱系數(shù)均比制冷劑要高。同取溫度為50℃，水的熱容是制冷劑的2.94倍，導熱系數(shù)是制冷劑的8.95倍，同樣的單相傳熱水冷效果勢必要好得多。但是隨著管長、熱負荷等參數(shù)的增大，冷卻水的溫度是成正比例增加的。本文研究中，流道長度均取1000 mm。如圖4（a）、4（b），水的溫度沿管長正比例增長，而制冷劑的溫度先升高，至飽和溫度基本穩(wěn)定而略有降低。產生這種現(xiàn)象的主要原因是，制冷劑過冷進入蒸發(fā)器，對流換熱使得溫度升高，至飽和狀態(tài)進入兩相區(qū)，理論上，流體溫度保持在飽和溫度不變。但由于壓降的產生，制冷劑壓力略有降低，對應的當?shù)仫柡蜏囟嚷杂薪档停蚨鴷霈F(xiàn)在兩相區(qū)制冷劑溫度略有下降的現(xiàn)象。

圖4（a）、4（b）可以看出，低熱流密度下（q= 5.1 W/cm2），兩相冷卻優(yōu)勢不是很明顯，蒸發(fā)器出口水的溫度是制冷劑的1.06倍。而當熱流密度增高至15.9 W/cm2時，圖4（b）可以明顯看出，水的溫度要比制冷劑溫度明顯提高，且初始蒸發(fā)點提前19%，水溫高于制冷劑溫度的轉折點提前50%。同時，蒸發(fā)器出口水的溫度是制冷劑的1.45倍。從傳熱學角度，沸騰換熱的換熱系數(shù)要比單相換熱高，由q=hAΔT，可知，蒸發(fā)器壁面溫度、電子元件溫度的穩(wěn)定值，兩相冷卻要比水冷好的多。

傳熱學上，當換熱系數(shù)相同時，流體的溫度直接影響這管道壁面溫度，影響著貼合在蒸發(fā)器上的電子元件溫度值。記傳統(tǒng)水冷與兩相冷卻的蒸發(fā)器出口溫度比值為β，圖5反應了不同熱流、不同工作溫度下，β值的變化情況?？梢钥闯?，β值是始終大于1的，在低熱流密度條件和較高工作溫度下，β值較小，兩相冷卻的優(yōu)勢不是很明顯；隨著工質溫度的降低，β值越來越大。也就是說，即使水的熱容和導熱性能要比制冷劑好的多，即使在低工質溫度工況下，傳統(tǒng)水冷也是不具有任何優(yōu)勢的。尤其是在熱流密度較高的情況下，β值甚至高達1.3～2.3。兩相冷卻要比傳統(tǒng)水冷更能維持蒸發(fā)器較低的溫度。鑒于兩相冷卻管路壓力及系統(tǒng)復雜性、不穩(wěn)定性，在考慮成本的前提下，可以在低熱流驅使和被冷卻對象溫度要求不是很高時，采用傳統(tǒng)水冷；即熱流密度低于5 W/cm2采用傳統(tǒng)水冷，更高時采用兩相冷卻。

圖4 不同熱負荷流體溫度隨管長分布圖

圖5 β變化分布圖

3.2 兩相冷卻和水冷換熱量對比

系統(tǒng)的單位質量換熱量直接影響著系統(tǒng)的設計和使用。單位質量換熱量過小的冷卻方式，即便冷卻效果很好，其經(jīng)濟性也是較低的。本文在相同質量流量和冷卻效果條件下，分析傳統(tǒng)水冷和兩相冷卻的單位換熱量。圖6反應了相同冷卻效果下，不同質量流量下帶走熱量的能力（即換熱能力）。隨著質量流量的增加，水冷和兩相冷卻的換熱能力都有所提高，但是兩相冷卻的增長幅度要明顯高于傳統(tǒng)水冷。同樣的質量流量從0.01 kg/s增大至0.2 kg/s時，水的換熱能力增加不到4000 W，而兩相冷卻的極限換熱能力增加了3300 W，增加幅度是傳統(tǒng)水冷的約8.25倍。達到相同的冷卻效果，兩相冷卻的系統(tǒng)循環(huán)流量要比傳統(tǒng)水冷小的多，對設備的要求也就會小的多。同樣，相同質量流量下，兩相冷卻的換熱能力也遠高于傳統(tǒng)水冷，這種優(yōu)勢在所需換熱能力較大時表現(xiàn)更為明顯。而隨著電子元件的日趨小型化，其熱流密度越來越大，從換熱能力角度上，兩相冷卻的優(yōu)勢也是傳統(tǒng)水冷所不可觸及的。

3.3 相同冷卻效果系統(tǒng)循環(huán)流量對比

在相同的冷卻效果下、相同工作溫度下，系統(tǒng)的循環(huán)流量直接決定著系統(tǒng)各個部件的熱力設計，較大的循環(huán)流量需要較大的驅動核心提供驅動力，同時，當系統(tǒng)循環(huán)流量增大時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會變得較差。實驗室在不同性能、不同大小的工作系統(tǒng)上均發(fā)現(xiàn)，當系統(tǒng)流量高過某一值時，系統(tǒng)將會產生較大的振動和不穩(wěn)定性。圖7反應了相同換熱效果下，所需系統(tǒng)循環(huán)流量的對比情況。同樣的熱負載下，傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)的循環(huán)流量要比兩相冷卻大的多。隨著熱負載的增加，系統(tǒng)循環(huán)流量均有所增加，冷卻水系統(tǒng)循環(huán)流量增加幅度要比兩相冷卻系統(tǒng)大的多；另一方面，蒸發(fā)器出口干度對系統(tǒng)循環(huán)流量的影響也是比較大的。這是因為，不同出口干度情況下，制冷劑的潛熱利用程度不同。文獻[11]指出，沸騰換熱的換熱系數(shù)在干度0.8附近才會出現(xiàn)陡降現(xiàn)象，因此，適當?shù)目刂普舭l(fā)器出口干度，可以在低循環(huán)流量下滿足較好的冷卻性能。當被冷卻對象熱流密度達32 W/cm2時，達到相同冷卻效果，傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)所需循環(huán)流量將是兩相冷卻系統(tǒng)的26倍之多。因而，相同冷卻效果情況下，兩相冷卻系統(tǒng)的體積將比傳統(tǒng)水冷的設備體積小的多，所消耗功率也會小得多。瑞士Marcinichen JB的研究指出，傳統(tǒng)水冷泵的功耗是其兩相冷卻試驗臺的13倍。本文分析也正在實驗上得以驗證。

圖6 換熱能力對比圖

圖7

4 結論

本文針對兩相冷卻系統(tǒng)的熱力學性能和傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)作對比分析，著重采用數(shù)學建模，系統(tǒng)仿真的研究方法，得到以下結論：

（1）同樣工況下，傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)相比兩相冷卻，系統(tǒng)熱流密度從5.1 W/cm2增加至15.9 W/cm2，蒸發(fā)器出口溫度從1.06倍增加至1.46倍。當工作溫度更低時，這種差異甚至擴大到2.3倍。兩相冷卻系統(tǒng)對電子元件降溫能力要比傳統(tǒng)水冷大的多。

（2）兩相冷卻系統(tǒng)與傳統(tǒng)水冷的冷卻極限均隨著質量流量的增加而增加。同工況下，質量流量從0.01 kg/s增加至0.2 kg/s，兩相系統(tǒng)的冷卻極限增加幅度是傳統(tǒng)水冷的近8.25倍。

（3）兩相冷卻系統(tǒng)和傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)循環(huán)流量隨熱負載增加而增加，增加幅度有所不同，尤其在熱負載較大情況下，傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)所需循環(huán)流量更大。當熱負載增加至32 W/cm2時，傳統(tǒng)水冷的系統(tǒng)循環(huán)流量是兩相系統(tǒng)的近26倍。

（4）當熱流密度小于5 W/cm2，可考慮傳統(tǒng)冷卻方式技術成熟性使用傳統(tǒng)冷卻方式。熱流密度較高時，兩相冷卻系統(tǒng)將展現(xiàn)非常大的應用前景。

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Performance Contrast and Analysis of the Two-phase Cooling System and the Traditional Cooling System

YIN Xiang1,LIU Teng1,QIAN Ji-yu2,KONG Xiang-ju2,LI Li2,XIA Yuan1,CAO Feng1
（1.School of Energy and Power Engineering,Xi′an Jiaotong University,Xi′an 710049,China;2.The No.14 Institution of China Electronics Technology Group Corporation,Nanjing 210039,China）

In order to investigate the possibility and developing advantages of the two-phase cooling system in the field of electronic elements,the systematic mathematic model equipped with test evaporator as the core component,which was pasted with electronic components,was established.Moreover,the system simulation method was taken to analyze the thermo dynamical performance and the advantages from different cooling effect，different limit of the heat transfer and different mass flux of the cycle.

system simulation;two-phase cooling;electronic cooling;evaporator

TH45

A

1006-2971（2015）03-0012-06

殷翔（1991-），男，博士研究生，西安交通大學壓縮機研究所，研究方向為兩相蒸發(fā)冷卻數(shù)值分析及實驗研究。E-mail：happyyx1991@gmail.com

2014-08-10