陳陶菲，徐德好，柯 攀

(1. 南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039； 2. 東南大學能源與環(huán)境學院, 江蘇 南京 210096)

往復式機械泵輔助兩相流冷卻系統(tǒng)試驗研究*

陳陶菲1，徐德好1，柯 攀2

(1. 南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039； 2. 東南大學能源與環(huán)境學院, 江蘇 南京 210096)

文中介紹了一種機械泵輔助兩相流系統(tǒng)(Mechanically Pumped Cooling Loop, MPCL),為使MPCL系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，研制了一種往復式兩相流冷卻系統(tǒng)，并對系統(tǒng)不同充液率、啟動時間和運行性能進行了研究，獲取了最佳充灌率。研究發(fā)現，不均勻熱源和驅動力不足將降低系統(tǒng)的性能。試驗方案從改善熱源和提高機械泵驅動能力2方面予以了改進。熱源改善后，啟動時間縮短，運行性能得到提升。在熱源改善的基礎上，提高機械泵的驅動能力，可使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫度降低，溫度波動變小。系統(tǒng)運行時可加大熱載荷，在熱載荷變化時，系統(tǒng)不會產生溫度脈沖。總之，系統(tǒng)的熱性能得到大大改善。試驗表明，MPCL系統(tǒng)啟動平穩(wěn)，運行安全可靠。系統(tǒng)等效導熱系數提高，溫度一致性也較好。該系統(tǒng)試驗研究結果可作為后續(xù)研究的基礎。

往復式機械泵輔助兩相流系統(tǒng)；溫度一致性；熱導性能

引 言

隨著電子技術的發(fā)展，電子設備的組裝密度和單器件的熱流密度越來越高，熱控設計難度越來越大。傳統(tǒng)的單相流冷卻已無法滿足后續(xù)電子設備發(fā)展的需求，為此產生了大量相變冷卻方式。

兩相流冷卻技術的主要特點是熱傳輸阻力小，均溫性好。兩相流冷卻的主要形式包括傳統(tǒng)的熱管及其衍生產品CPL、LHP、Vapor Chamber和PHP。文獻[1]和[2]研究了噴射泵驅動的兩相流冷卻系統(tǒng)；文獻[3]成功地通過機械泵驅動的單相流散熱系統(tǒng)HRS完成了火星探測器上的熱管理；文獻[4]和[5]研究了混合的兩相回路冷卻系統(tǒng)HTPL；文獻[6]和[8]研究了AMS-02的熱控系統(tǒng)(Tracker Thermal Control System, TTCS)，這種TTCS系統(tǒng)是唯一一個用在航天飛行器上的機械泵驅動的兩相流冷卻系統(tǒng)，為防止兩相流循環(huán)系統(tǒng)內驅動泵發(fā)生汽蝕現象，應在泵的入口處對工質進行液化處理或控制儲液罐溫度以保證工質處于液態(tài)。如果工質液化不徹底，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性就會受到影響。

為解決此類問題，本文研制了一種往復式兩相流冷卻系統(tǒng)，以保證機械泵輔助兩相流系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

1 往復式兩相流冷卻系統(tǒng)原理

往復式兩相流冷卻系統(tǒng)主要包括冷凝段A、冷凝段B、蒸發(fā)段、往復驅動泵及驅動擋板，其原理見圖1。

圖1 兩相MPCL試驗系統(tǒng)原理圖

1.1 運行方式

蒸發(fā)段位于2個冷凝段中間，由往復驅動泵驅動系統(tǒng)內工質在蒸發(fā)段和2個冷凝段之間作往復運動，利用工質的相變實現系統(tǒng)冷卻。

1.2 主要特點

該往復式兩相流冷卻系統(tǒng)通過兩相工質在系統(tǒng)內作往復運動實現熱量傳遞，兩相工質與驅動器件無接觸，永遠不會發(fā)生汽蝕現象，從而保證了系統(tǒng)的快速啟動，可靠性高。

2 試驗系統(tǒng)設計

依據上述原理搭建了試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)模型如圖2所示。下面對試驗平臺各主要部分進行介紹，包括機械泵的組成和運行控制、蒸發(fā)器和冷凝器的設計、工質的選擇、溫度采集方案和熱電偶的布置。其中蒸發(fā)段即為需要控溫的器件，冷凝段可采用風冷或水冷進行二次冷卻。

圖2 兩相MPCL試驗系統(tǒng)試驗模型

系統(tǒng)的啟動過程大致為：整個系統(tǒng)運行起來后，機械泵(即直線推桿和波紋管)驅動管內的工質。工質在蒸發(fā)段吸收熱量轉為氣態(tài)，之后依靠機械泵將冷凝A段液態(tài)工質推進到蒸發(fā)段，原蒸發(fā)段的氣體流到冷凝B段進行冷凝液化，液化完成后由機械泵推到蒸發(fā)段進行蒸發(fā)。工質往復運行，將蒸發(fā)段熱量帶走。

2.1 機械泵的組成和運行控制

為了實現往復式運動，將直線推桿和波紋管組合成往復式機械泵。波紋管有2個，通過驅動擋板隔開，直線推桿通過推動驅動擋板來實現兩邊波紋管的拉伸和壓縮。該組合方式可實現冷卻工質與機械泵的完全隔離，保證機械泵運行的可靠性。

機械泵的驅動和往復控制主要由穩(wěn)壓穩(wěn)流電源和歐姆龍定時器完成?？赏ㄟ^電流控制，確定機械泵驅動的速度；可依據機械泵驅動的速度，確定正向和反向的運動時間，控制機械泵的往復運動。

2.2 管徑計算

根據脈動熱管的相關理論[9]，在真空狀態(tài)下，管徑只有足夠小，在充液后，表面張力才能使氣塞和液塞共存。最大管徑的計算公式為

(1)

式中：σ為液體工質的表面張力；ρ為液體工作介質密度；g為重力加速度。

由式(1)可以得出：當系統(tǒng)的最小管徑為8 mm(管路的最小內徑為8 mm)、工質為丙酮時，充液后，液態(tài)工質在管內是連續(xù)分布、汽液分層的。

2.3 蒸發(fā)器和冷凝器的設計

在本實驗系統(tǒng)中，蒸發(fā)器和冷凝器都采用冷板。蒸發(fā)器采用電阻模擬熱源，其示意圖如圖3所示。冷凝器有2個，通過同一個二次冷卻裝置進行散熱，如圖4所示。

圖3 蒸發(fā)器示意圖

圖4 冷凝器示意圖

2.4 工質的選擇

工質是傳熱的載體，因此試驗時選擇適當的工質尤為重要。工質選擇一般會考慮工作溫度區(qū)間、傳熱特性、工質與管材的相容性、安全性和經濟性等。初步選擇丙酮作為試驗的工質。丙酮在常溫常壓(25℃，1個大氣壓)下的物理性質見表1。

表1 丙酮在常溫常壓下的熱物理性質

從表1可以看出，丙酮能夠較好地滿足試驗的要求，所以本試驗的工質將采用丙酮。丙酮具有低毒性和良好的揮發(fā)性，因此接觸皮膚后應該及時用水沖掉，保持試驗室通風。

2.5 溫度采集系統(tǒng)

溫度采集系統(tǒng)主要由銅-康銅 T型熱電偶、安捷倫數據采集儀和工控機組成，其原理如圖5所示。

圖5 MPCL系統(tǒng)的溫度采集方案

測點的分布如圖6所示。其中測點1和4對稱布置在冷凝器入口(也是出口)處，用來采集從波紋管出來的工質溫度。可以通過觀察這2處的溫度來分析冷凝器的冷卻能力。測點5和2布置在蒸發(fā)器的入口(也是出口)處，主要用來監(jiān)測工質進入和流出蒸發(fā)器的溫度。測點6、7和8布置在蒸發(fā)器上，用來采集蒸發(fā)器的溫度，通過與測點2和5處的溫度差值來計算蒸發(fā)器的當量換熱系數。測點3布置在冷凝器1上，其位置和測點1相對。測點3處的溫度采集比較重要，通過和測點2處的溫度比較，來分析管路中工質的流動情況。

圖6 測點的分布

3 試驗基本步驟

在試驗臺搭建完成后，進行試驗的準備工作，包括檢漏、抽真空和充液(指充灌一定比例的工質)。

在順時針循環(huán)中，機械泵驅動工質順時針流動時，工質經過冷凝器A到達蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器端熱量通過兩相傳熱被帶走，在蒸發(fā)器的出口處，會有一定比例(比例大小根據熱負載不同而有所不同)的氣態(tài)工質在經過冷凝器B時被冷凝成液態(tài)釋放出熱量。當機械泵驅動工質逆時針循環(huán)時，冷卻過程和順時針類似。這樣循環(huán)往復，不斷地通過工質將蒸發(fā)器的熱量傳遞到冷凝器處排散出去。

試驗進行了多組比較，包括不同充灌率、不同發(fā)熱功率和不同循環(huán)周期，溫度采集系統(tǒng)記錄了各狀態(tài)下的溫度曲線變化。

4 試驗結果討論

4.1 不同充灌率下的啟動

由機械泵驅動的兩相流系統(tǒng)不存在CPL和LHP啟動失敗的問題，但是仍然存在著一個循序漸進的啟動過程。因此，其啟動的基本特點(如穩(wěn)定性、啟動時間和啟動條件)值得深入研究。

圖7～圖11是在不同充灌量(充灌量分別為140 ml、180 ml、200 ml、220 ml和260 ml，對應的充灌率分別為43%、55%、61%、67%和79%)情況下的啟動情況，初始熱負載是100 W，推桿周期是6 s。測點3測試的是冷凝器入口的溫度，溫度曲線上下波動，表示推桿推動管內的工質來回運動，溫度波動的周期和推桿運動周期保持一致。測點7和測點6測試的是蒸發(fā)器的溫度，兩者對稱布置，當曲線趨于水平時，說明系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)。測點8測試的是蒸發(fā)器上加熱片的溫度，所以溫度最高。

圖7 灌液140 ml時的啟動曲線

圖8 灌液180 ml時的啟動曲線

圖9 灌液200 ml時的啟動曲線

圖10 灌液220 ml時的啟動曲線

圖11 灌液260 ml時的啟動曲線

MPCL系統(tǒng)啟動的主要性能指標有溫度脈動、啟動時間、往復周期和穩(wěn)態(tài)溫度。從圖7～圖11的曲線可以看出，以測點8的溫度為準，充灌量為140 ml和260 ml時，啟動時蒸發(fā)器上的溫度脈動較大。若充灌率過大，機械泵推動的流體慣性就大，直線推桿換向時流體和波紋管擋板沖擊會引起系統(tǒng)內流體的強烈波動。若充灌率過小，流體的影響就小，熱流影響就會相對增大，熱流的影響會使蒸發(fā)器溫度升高，當達到一定溫度后，工質相變率增加，蒸發(fā)器溫度就會下降。所以充灌率過小和過大都會導致強烈的溫度脈動，從而使啟動過程不穩(wěn)定。

將充灌體積和啟動時間的關系描繪成如圖12所示的曲線，可以看出在200 ml的充灌體積時，充液率約為61%，啟動時間是最短的。系統(tǒng)的啟動是熱流擾動和機械泵驅動綜合作用的結果。當充灌體積大時，機械泵驅動作用強，但是熱流擾動作用弱；當充灌體積小時，機械泵驅動作用弱，但是熱流擾動作用強。對于本試驗系統(tǒng)，在充灌率為61%時，機械泵和熱流的綜合擾動作用是最大的。

圖12 充灌體積與啟動時間關系

在成功啟動后，系統(tǒng)進入了初始穩(wěn)態(tài)。在不同的充灌體積下，系統(tǒng)的初始穩(wěn)態(tài)溫度有所不同，這里的穩(wěn)態(tài)溫度指的是蒸發(fā)器(測點7)的溫度。圖13反映了初始穩(wěn)態(tài)溫度和充灌體積的關系。在充灌量為140～220 ml時穩(wěn)態(tài)溫度相差不大。

圖13 充灌體積和初始穩(wěn)態(tài)溫度的關系

在充灌量過大或者過小的情況下，穩(wěn)態(tài)溫度會明顯升高。這是因為充灌率小時，工質體積小，工質汽液比大，超出飽和溫度，導致系統(tǒng)過熱而被燒干；充灌率大時，工質多，汽液比小，液體無法汽化，僅為單相液體傳熱，換熱系數大大降低，也導致工質溫度升高。

在綜合考慮啟動過程的溫度脈動、啟動時間和初始穩(wěn)態(tài)溫度的情況下，在本試驗方案中，充灌率為61%(充灌量為200 ml)時啟動性能是最優(yōu)的。

4.2 穩(wěn)定運行特性分析

在任何一個冷卻系統(tǒng)中，熱負載都是變化的，因此冷卻系統(tǒng)對于熱負載的適應能力是很重要的。適應能力的評判標準是當平衡破壞后再次達到平衡的過渡時間和整個轉變過程的穩(wěn)定性。

圖14為充灌量為200 ml時，在系統(tǒng)達到平衡后，每次增加功率50 W時溫度的變化曲線。放大圖形顯示可以看出，圖上過渡時間約為20～30個采樣點(每2 s采集1次數據，實踐中就是40～60 s，為便于后面對試驗進行描述，均使用采樣點數據作為時間)。在這個變化過程中，溫度是穩(wěn)定上升的，沒有出現溫度脈沖現象。其原因是在目前的工作狀態(tài)下，蒸發(fā)器內既有液態(tài)的工質(且這些液態(tài)工質處于過冷態(tài))，也有氣態(tài)的工質，由于液態(tài)工質的熱慣性相對較大，過冷態(tài)的工質需要吸收一定熱量才能達到飽和態(tài)，所以不可能出現溫度脈沖。溫度脈沖對電子設備有很大的潛在危害，甚至能直接燒壞電路芯片，但是在汽液混合的兩相流系統(tǒng)內，不會出現這樣的情況。由于蒸發(fā)器內存在相變冷卻，在短時間內汽化潛熱會吸收很大部分熱量，因此增加的熱量會在短時間內被帶走，達到一種新的平衡。

圖14 200 ml熱負載變化的溫度曲線

在120 s處加負載100 W時，蒸發(fā)器溫度穩(wěn)步上升。在430 s處增加負載50 W時，測點8的溫度上升較大，而測點6和7的溫度變化不大。在570 s處再次增加負載50W時，平衡后，測點8的溫度已經超過90 ℃。加熱片的安全溫度不超過100 ℃，為了安全起見，沒有繼續(xù)加負載。650 s后曲線升起后又突降，其原因是繼續(xù)增加負載后，發(fā)現溫度超過了安全值，立即采取了關電措施。測點8是貼在加熱片上的，每次增加負載后，測點8的溫度響應快，溫度上升大。由于蒸發(fā)器具有熱慣性，因此測點6和7的溫度曲線變化平緩。在整個過程中，測點3的曲線波動越來越大，說明系統(tǒng)內的工質擺動起來，發(fā)生了強烈的兩相變化。

MPCL系統(tǒng)的最大熱負載為200 W，最大熱流密度為9.26 W/cm2，溫度脈動大，系統(tǒng)的傳熱效果較差，有待改進。傳熱效果差的原因主要在于熱源的損壞和布置不合理以及機械泵的驅動能力不足。

4.2.1 熱源的損壞和布置不合理

由于加熱片不能承受超過100 ℃的溫度，因而在試驗中不斷被燒壞，致使蒸發(fā)器受熱不均。同時，在試驗時，加熱片是貼在蒸發(fā)器的上表面的，而系統(tǒng)充液后，液態(tài)丙酮會在蒸發(fā)器內部的下表面，熱量需傳導至下表面才能加熱液態(tài)丙酮，因而實際的熱流密度會更低。由測試可知，上下兩表面的溫差為10 ℃左右。顯然，讓熱源緊貼在蒸發(fā)器的底部，傳熱效果會更好。

4.2.2 機械泵的驅動能力不足

機械泵的驅動能力可以通過波紋管推動的相對體積來表示。系統(tǒng)的總體積為328 ml，波紋管的總體積約為57 ml，在實際運行時，一邊壓縮，另一邊伸長，估算波紋管的伸縮率為60%，則波紋管推動的體積僅為34.2 ml，可以計算出波紋管的相對驅動能力為10.4%。所以在有熱負載時，蒸發(fā)器內蒸汽和高溫液體不能被完全置換出來，這部分高溫液體會在蒸發(fā)器內隨著機械泵的來回驅動循環(huán)加熱蒸發(fā)器。因此在熱負載達到一定程度時，傳熱效果迅速惡化，溫度偏離平衡，出現了過高溫度。

5 結束語

本文設計了一種新型往復式機械泵驅動兩相流系統(tǒng)，并通過分析系統(tǒng)在不同充灌率下的啟動和運行性能，確定了影響系統(tǒng)冷卻性能的因素。從試驗數據可以看出，系統(tǒng)的啟動受充灌量、機械泵的驅動能力和熱負載的影響。在其他條件不變的情況下，充灌量為200 ml(充灌率為61%)時，啟動溫度脈動小，時間最短，穩(wěn)態(tài)溫度較低。在不同的充灌率下，系統(tǒng)的最大熱負載為200 W，最大熱流密度為9.26 W/cm2，溫度波動大，傳熱效果較差。其原因是機械泵驅動能力不足，熱源運行不穩(wěn)定且布置不合理。因此該試驗方案需要從改善熱源和提高機械泵驅動能力2方面進行改進。

該技術的主要優(yōu)勢在于：系統(tǒng)簡單，體積小，重量輕，可靠性高；環(huán)境適應性好，可以在機載振動、沖擊下應用；能耗低，比普通液冷裝置低一個數量級；是一種極具潛力的傳熱方式，在星載和機載電子設備熱設計領域有廣闊的應用前景。

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陳陶菲(1977-), 女, 高級工程師, 主要從事雷達結構總體研究工作。

Experiment of Reciprocating Mechanically Pumped Cooling Loop

CHEN Tao-fei1，XU De-hao1，KE Pan2

(1.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China；2.SchoolofEnergyandEnvironment,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

A completely new MPCL(Mechanically Pumped Cooling Loop) system is introduced in this paper and the experimental platform is set up to make MPCL operate more stably and reliably. In the preliminary experiment, when the system is filled with different filling rates, the start-up time and operation performances are studied. The optimal filling rate is obtained. Meanwhile it is concluded that uneven heat source and insufficient drive capability of the pump lead to the poor performance of the system. So the experimental scheme is optimized from these two aspects. The start-up time is shortened and the operation performance of the system is improved after the heat source is optimized. Based on the optimized heat source, the drive capability of mechanical pump is improved. The system has shorter start-up time, lower steady-state temperature and smaller temperature fluctuation. The system can have larger heat load when it operates and has no temperature pulse when the heat load changes. In a word, the heat transfer capability of the system is improved greatly. According to the experiment, the MPCL system can start up smoothly and operate safely. The equivalent heat transfer coefficient of the system gets very large and temperature uniformity of the system is very good. The experimental result has laid foundation for further study.

reciprocating mechanically pumped cooling loop; temperature uniformity; heat transfer capability

2016-02-25

TK124

A

1008-5300(2016)02-0004-06