何 恩，肖百川，李 欣

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所， 四川 成都 610036；2. 中國(guó)人民解放軍95899部隊(duì)， 北京 100085)

引 言

隨著軍用電子設(shè)備的迅猛發(fā)展，為提高電子元器件和設(shè)備的熱可靠性以及對(duì)各種惡劣環(huán)境條件的適應(yīng)能力，電子設(shè)備冷卻技術(shù)的研究得到普遍的重視和發(fā)展[1]。

由于傳統(tǒng)冷卻技術(shù)在性能上的限制，在高功率設(shè)備上的熱控制技術(shù)需要重點(diǎn)突破。在這樣的需求下，高功率電子設(shè)備液體冷卻技術(shù)的研究主要集中在微通道、液體噴射、液體相變冷卻等傳熱系數(shù)較高的技術(shù)[2]這幾個(gè)方面。液體相變冷卻是利用液體在沸騰過(guò)程中吸收大量汽化熱的一種高效方法。由于相變過(guò)程中伴隨著能量的釋放和吸收(如水在正常壓力下從相變過(guò)程中吸收的潛熱為2 000 kJ/kg)，其冷卻能力比自然冷卻要高1 000倍[3]。相變冷卻在傳熱、冷卻方面具有很好的性能。在高功率電子設(shè)備冷卻技術(shù)中，液體相變冷卻技術(shù)逐漸成為研究的熱點(diǎn)。

1 總體方案

1.1 工作原理

液體相變冷卻是沸騰換熱與汽液兩相對(duì)流換熱所組成的復(fù)合冷卻系統(tǒng)。如圖1[4]所示，未飽和液體工質(zhì)在泵的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)，液體被管壁加熱，達(dá)到一定溫度時(shí)壁面上開(kāi)始產(chǎn)生氣泡，此時(shí)液體主流尚未達(dá)到飽和溫度即沸點(diǎn)，處于過(guò)冷狀態(tài)。繼續(xù)加熱使液體達(dá)到飽和溫度，即進(jìn)入飽和核態(tài)沸騰區(qū)，出現(xiàn)沸騰蒸發(fā)，含汽量增加，加熱功率與吸熱功率達(dá)到平衡。最后以汽液兩相流的狀態(tài)流出蒸發(fā)器(電子模塊)，進(jìn)入汽液分離器，攜帶大量潛熱的蒸汽與處于飽和狀態(tài)的液體分離。蒸汽通過(guò)冷凝器，冷凝器的溫度低于沸點(diǎn)，蒸 汽流與冷凝器進(jìn)行熱交換釋放大量潛熱，蒸汽凝結(jié)為液態(tài)，與前面的飽和液體匯流并循環(huán)。

圖1 液體相變冷卻原理圖

1.2 試驗(yàn)樣機(jī)方案

試驗(yàn)樣機(jī)組成如圖2所示。系統(tǒng)由供液泵、蒸發(fā)冷板、冷凝器(風(fēng)冷)、汽液分離器、流量調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器以及各種管路等主要部件組成。

圖2 試驗(yàn)樣機(jī)組成

冷凝器采用空氣作為最終熱沉，布置于機(jī)柜最上部，汽液分離器放置在冷凝器下部，冷凝后的液體可以在重力作用下回流，蒸汽分離后，在壓差作用下進(jìn)入冷凝器進(jìn)行熱交換，汽液分離器內(nèi)的液體在底部聚集，也由泵吸入并循環(huán)。在泵的前部設(shè)置壓力表和加液閥。試驗(yàn)樣機(jī)采用電加熱器模擬電子設(shè)備發(fā)熱，在電加熱器的下面設(shè)置蒸發(fā)冷板，蒸發(fā)冷板的前后安裝視流鏡，以觀測(cè)流體相變情況。風(fēng)機(jī)安裝于冷凝器中心位置，采用離心風(fēng)機(jī)排風(fēng)。管路布置時(shí)，應(yīng)盡可能考慮重力因素以提高效率。樣機(jī)外形如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)樣機(jī)外形圖

試驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

1)最大熱耗散功率：3.6 kW；

2)熱源熱流密度：120 W/cm2；

3)流量：小于4 L/min；

4)泵功率：小于100 W；

5)系統(tǒng)最大耐壓：2 MPa。

冷卻劑選用R22氟利昂制冷劑，R22在商業(yè)空調(diào)中使用廣泛，安全可靠，采購(gòu)價(jià)格低廉。常溫25 ℃，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，液體蒸發(fā)溫度在-15 ℃ ～ -20 ℃之間，具有較低的低壓力控制要求。

2 試驗(yàn)測(cè)試

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)和方法

試驗(yàn)樣機(jī)本身集成了壓力表、流量表、熱電偶等儀器儀表，在樣機(jī)外部用5 kW電源進(jìn)行供電，并用溫度采集器對(duì)熱源和蒸發(fā)冷板的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)樣機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。試驗(yàn)中，采用電加熱器作為模擬熱源，如圖5所示。模擬熱源包括金屬塊、電加熱管，在金屬塊的外部包裹保溫材料，避免熱量散失。

圖4 試驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成框圖

圖5 模擬熱源

2.2 試驗(yàn)條件

1)冷卻液為氟利昂R22，對(duì)比測(cè)試對(duì)象為60#冷卻液；

2)流量為3 L/min，熱源熱功率為3.6 kW；

3)環(huán)境溫度為5 ℃、20 ℃兩種條件。

2.3 試驗(yàn)工況

工況1：環(huán)境溫度為5 ℃，系統(tǒng)空轉(zhuǎn)運(yùn)行；

工況2：環(huán)境溫度為5 ℃，3.6 kW熱源加載測(cè)試；

工況3：環(huán)境溫度為21 ℃，3.6 kW熱源加載測(cè)試；

工況4：采用60#冷卻液，環(huán)境溫度為9 ℃，3.6 kW熱源加載對(duì)比測(cè)試，如圖6所示。

圖6 60#冷卻液對(duì)比液冷設(shè)備

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)中，未飽和液體工質(zhì)在泵的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入圖5所示冷板內(nèi)，液體被冷板加熱，出現(xiàn)沸騰蒸發(fā)，含汽量增加，產(chǎn)生大量汽泡，在透明管內(nèi)觀察到大量汽液兩相流，隨著熱源功率增加，汽泡的數(shù)量迅速增加，如圖7所示。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

圖7 透明管內(nèi)觀察到汽液兩相流

相變冷卻試驗(yàn)樣機(jī)與60#冷卻液系統(tǒng)的性能對(duì)比分析如表2所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

表2 對(duì)比分析表

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)液體相變冷卻技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試以及水冷系統(tǒng)對(duì)比測(cè)試。兩相流冷卻技術(shù)的主要特點(diǎn)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(chǎn)品CPL、LHP、Vapor Chamber和PHP[5]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，液體相變冷卻通過(guò)潛熱進(jìn)行換熱，與傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)相比，具有以下明顯的性能優(yōu)勢(shì)：

1)體積和重量減小至少4倍；2)流量減小至少6倍，從而降低泵功率及減小管路直徑等；3)冷卻及散熱能力增強(qiáng)至少10倍，滿足高功率器件的熱控制問(wèn)題；4)熱源的平均溫度梯度能達(dá)到4度以內(nèi)，具有很好的均溫性。

[1] 趙惇殳. 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009: 1-2.

[2] 黃大革, 楊雙根. 高熱流密度電子設(shè)備散熱技術(shù)[J]. 流體機(jī)械, 2006, 34(9): 71-74.

[3] 趙惇殳. 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009: 133-134.

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[5] 陳陶菲, 徐德好, 柯攀. 往復(fù)式機(jī)械泵輔助兩相流冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2016, 32(2): 4-9.