馮亞利，黃勝利，高長松，鄭善偉

（中航光電科技股份有限公司，河南洛陽471003）

引 言

隨著電子設備的組裝密度和單器件的功率越來越高(如T/R組件、激光器等設備中單器件的熱流密度已超過100 W/cm2，以水為介質的傳統(tǒng)單相液體對流換熱系數一般為1 000～ 1 500 W/（m2·K），解決高熱流密度器件散熱問題的難度越來越大。兩相換熱方式具有更高的換熱效率，介質為水時傳熱系數為2 500～ 35 000 W/（m2·K）[1]，比傳統(tǒng)單相換熱高一個數量級，在解決高熱流密度器件的散熱問題方面具有顯著優(yōu)勢，因此，近年來該技術得到越來越多的關注和研究。

機械泵驅兩相流體回路（Mechanically Pumped Two-phase Loop, MPTL）是以機械泵作為驅動元件、以精密控溫型儲液器作為控溫元件、在蒸發(fā)段吸收發(fā)熱元件的熱量、在冷凝段釋放熱量的閉合回路控溫技術。該技術只需很小的輸入功耗就可讓整個回路具備很大的傳熱能力，且能夠對熱源進行精密控溫，可以解決小空間、高熱載、高精度、多熱源或復雜分布熱源的冷卻問題[2]。它最初應用于航天冷卻系統(tǒng)，俄羅斯航天中心和美國國家航空航天局分別對此技術進行了10多年的研究。鑒于該技術的優(yōu)勢，國內也開展了很多研究。文獻[3]利用金剛石微槽道結合泵驅兩相流體回路，論述了系統(tǒng)設計流程、微槽道蒸發(fā)器設計以及工質和循環(huán)泵選型，并對不同工況下的換熱性能進行了試驗驗證，得出其換熱熱流密度可達到271 W/cm2；文獻[4]搭建了試驗臺，對系統(tǒng)啟動的加熱增壓、機械泵啟動和熱載啟動進行了實驗分析，發(fā)現在啟動過程中會產生液體過熱現象且有較大的壓力沖擊，得出啟動溫度越低，產生的過熱度就越大的結論；文獻[5]利用SIND/FLUENT和Matlab/Simulink軟件分別對毛細驅動的平板型環(huán)路熱管和泵驅動兩相環(huán)路熱控系統(tǒng)建立動態(tài)模型，從各個方面進行比較分析，發(fā)現泵驅動回路比毛細驅動回路更穩(wěn)定，受重力的影響更小，并針對這2種兩相回路分別提出了雙通道和雙輻射器的改進方案。從目前的研究來看，對泵驅兩相冷卻系統(tǒng)的研究還不充分，尤其是結合實際工程應用需求的性能研究更少。本文基于某車載應用環(huán)境進行了泵驅兩相冷卻系統(tǒng)的設計，并通過試驗驗證了該系統(tǒng)的環(huán)境適應性、換熱性能及熱負荷變化對多支路流量分配的影響。

1 泵驅兩相冷卻試驗系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理

泵驅兩相冷卻系統(tǒng)主要由工質泵、蒸發(fā)器、冷凝器、儲液箱、連接管路、流體連接器、壓力傳感器、溫度傳感器、流量計、加排閥等組成，其原理如圖1所示。蒸發(fā)器內處于氣液兩相狀態(tài)的工質吸收熱量后產生相變汽化，干度增大，流經回熱器把熱量傳給從泵輸送出來的過冷液，干度降低，再通過冷凝器把熱量排散給外部冷卻裝置，干度進一步降低，達到過冷狀態(tài)。從冷凝器流出的過冷液再順序通過工質泵、回熱器，經過回熱器后降低過冷度再回流到蒸發(fā)器中。工質在回路中的循環(huán)流動由工質泵提供的動力來維持，如此往復循環(huán)實現高效換熱。系統(tǒng)中的冷凝器為板式液–液換熱器，需通過外部液冷系統(tǒng)提供冷卻液。試驗驗證泵驅兩相冷卻系統(tǒng)的實物如圖2所示。

圖1 原理圖

圖2 實物圖

1.2 工質選擇

泵驅兩相冷卻系統(tǒng)主要是依靠工質的相變來傳遞熱量的，因此工質的物理性質對系統(tǒng)的工作特性具有重要的影響。一般來說，循環(huán)工質應該具有良好的熱穩(wěn)定性和化學性，在工作溫度范圍內蒸汽壓力不宜過高也不宜過低，除了要考慮工質的安全性、與管殼和系統(tǒng)部件材料的相容性等一般性問題外，還要考慮工作溫度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、冷卻穩(wěn)定性、蒸發(fā)段等溫性和熱量傳遞特性等因素。故工質的選擇應遵循以下幾個方面的原則：

1）工質應適用于工作溫度區(qū)，并有適當的飽和蒸汽壓；

2）化學性能穩(wěn)定，惰性；

3）無毒，不可燃，環(huán)境友好；

4）沸點和臨界溫度合適，粘度小，導熱系數大，汽化潛熱大；

5）與常見材料相容；

6）冰點低，介電常數大，價格低。

工質與接觸材料的相容性是最重要的考慮因素，因工質與接觸材料不相容和熱性能不穩(wěn)定都會產生不凝性氣體，使換熱性能變壞，甚至使系統(tǒng)無法工作。目前，還沒有完整的理論來計算材料的相容性，主要以相容性及壽命的研究為主。

根據上述原則，結合實際工程應用，常用的工質主要有R22，R134a，R245fa，氨等。綜合考慮幾種常見工質的飽和蒸汽壓力、汽化潛熱以及系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，并結合系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度（?55°C～ 70°C），擬選用R134a作為工質。R134a工質的化學性能穩(wěn)定，與絕大多數材料均相容，是公認的環(huán)保型氟利昂材料，其飽和蒸汽壓、汽化潛熱等均合適。

1.3 干度和流量

干度及流量設計需要考慮多方面的因素。如果流量過大，則泵功耗就較大；如果流量太小，則會出現元器件過熱的情況。對于熱流密度較小的情況，系統(tǒng)流量只要滿足總的傳熱量即可；對于高熱流密度散熱的情況，需要考慮干度對換熱性能的影響。為滿足機械泵長壽命的使用要求，儲液箱流出的工質應接近全液態(tài)（即干度接近0），以防止泵的汽蝕。為了保證蒸發(fā)器的流道壁面能完全潤濕以提高換熱效率，根據管內R134a流動沸騰實驗的相關研究結果，在直徑為1.1 mm的通道內，當干度< 0.5時，管內R134a的流動沸騰以核態(tài)沸騰為主導，且流動沸騰換熱系數與干度無關；當干度> 0.5時，管內會出現局部燒干的現象[6–7]。

對于兩相系統(tǒng)的換熱，存在如下關系式：

式中：q為換熱量，W；m為質量流量，kg/s；Cp為比熱，J/（kg·°C）；Tsat為工質的飽和溫度，°C；Tin為蒸發(fā)器入口的溫度，°C；X為出口干度；γ為汽化潛熱，kJ/kg。據式（1）可以得到：

按照R134a的物性參數，驗證系統(tǒng)的換熱量為1 000 W?？紤]換熱性能及流阻，出口干度取0.25。根據設計經驗，蒸發(fā)器入口過冷度取3°C，則可以得到質量流量。此流量可以在一定范圍內適應外部負載的變化，如功率增大，則蒸發(fā)器出口干度增大，功率減小則干度減小。根據式（2）計算得m=0.017 kg/s，換算成體積流量為0.86 L/min。

1.4 蒸發(fā)器設計

為提高換熱性能和散熱熱流密度，設計蒸發(fā)器（冷板）時流體通道采用微小通道結構（圖3）。蒸發(fā)器材料為鋁合金，微小通道的設計寬度為0.5 mm，深度為4 mm，通過真空擴散焊或真空釬焊方式實現通道的密封。

圖3 蒸發(fā)器通道結構

1.5 工質泵選型

工質泵是兩相冷卻系統(tǒng)的動力源，是核心部件，應用在兩相冷卻系統(tǒng)中。與常用的單相循環(huán)泵不同，工質泵應具備以下特性：

1）耐壓能力強，能在工作溫度范圍內工質飽和蒸汽壓下正常工作；

2）具有一定的兩相工質驅動能力，在入口工質過冷度較小時，能正常工作；

3）具有流量小、揚程大的特點，能為系統(tǒng)提供較大的驅動力；

4）所用材料與工質的兼容性很好。

基于上述需求，驗證系統(tǒng)選用齒輪泵作為工質泵，支持干運轉，同時泵內所有密封件采用與工質兼容的三元乙丙橡膠。

1.6 管路及流體連接器

工質泵、冷凝器和儲液箱之間的管路選用銅管焊接形成回路。為便于蒸發(fā)器的安裝及驗證，工質泵與蒸發(fā)器以及蒸發(fā)器與冷凝器之間的管路選用特氟龍軟管，內層為PTFE軟管，內壁光滑，外層為304不銹鋼編織層，能夠與R134a介質兼容。液相管路采用1/4英寸（1英寸= 25.4 mm）的管路，管路外徑為12.4 mm，管路內徑為6.4 mm；氣相管路采用3/8 英寸的管路，管路外徑為16 mm，管路內徑為9.7 mm。

根據Qv=Av（Qv為體積流量，A為管路的截面積，v為工質的流速），計算得工質在液相管路內的流速為0.39 m/s。假設液相工質全部汽化，以純氣相計算工質在氣相管路內的流速為3.68 m/s。

考慮系統(tǒng)的可維護性及安裝操作性，在蒸發(fā)器與供/回液管路之間采用自密封流體連接器。系統(tǒng)內部存在一定的飽和壓力，因此要求流體連接器具備帶壓插拔功能且密封材料應與工質兼容。基于上述要求，選用某鋼珠鎖緊且支持帶壓插拔的流體連接器TSRP/A–6產品。該流體連接器密封圈材料為三元乙丙橡膠，可在不大于1.7 MPa的壓力下進行插拔操作而不會出現介質泄漏。

1.7 高熱流模擬熱源

為驗證系統(tǒng)的散熱熱流密度，模擬高熱流密度的熱源是進行試驗驗證的關鍵。設計時采用變截面方式放大熱流密度，發(fā)熱電阻采用電磁場帶隙（Electromagnetic Band Gap, EBG）電阻，最大功率為800 W，在變截面轉接塊與電阻以及變截面轉接塊與蒸發(fā)器之間涂抹導熱硅脂。變截面轉接塊采用紫銅材料，它與蒸發(fā)器的接觸面為1 cm2，最大可模擬800 W/cm2的熱耗，其外形結構如圖4所示。可通過調節(jié)電源功率實現不同熱流密度的模擬熱耗。

圖4 模擬熱源

2 試驗驗證

驗證測試平臺主要包括泵驅兩相冷卻系統(tǒng)、溫度巡檢儀、直流電源、液冷源等，其原理如圖5所示。溫度巡檢儀用于采集蒸發(fā)器表面不同點的溫度；直流電源為模擬熱源供電，可通過調節(jié)電源功率實現不同功率的模擬熱源；液冷源為泵驅兩相冷卻系統(tǒng)冷凝器提供冷卻液。

圖5 驗證平臺原理

2.1 熱流密度驗證

采用單個高熱流密度模擬熱源，通過調節(jié)電源功率，改變模擬熱源的熱流密度，待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，記錄蒸發(fā)器前端的工質溫度以及蒸發(fā)器接近熱源處的表面溫度，結果見表1。

由表1中的數據可知，系統(tǒng)實現的最高熱流密度達到了312.3 W/cm2。隨著熱流密度的增加，蒸發(fā)器表面的溫度與蒸發(fā)器出口工質溫度的差值逐漸增大。這主要是由于驗證時采用單熱源，功率不斷增大，但供液流量未變，使得溫差逐漸增大。

表1 不同熱流密度測試數據

2.2 均溫性驗證

在蒸發(fā)器表面不同位置貼裝模擬熱源，并布置多個溫度采集點，如圖6所示。調節(jié)不同發(fā)熱功率，驗證蒸發(fā)器表面的溫度均勻性。記錄的試驗結果見表2。

圖6 多熱源蒸發(fā)器

表2 均溫性測試數據

從表2可以看出，不同發(fā)熱功率（熱流密度0.4～5.5 W/cm2）各測試點的最大溫差均在1°C之內，最大溫差為0.6°C，均溫性較好。其主要原因是蒸發(fā)器內的循環(huán)工質為飽和液態(tài)，吸熱蒸發(fā)至兩相流，以蒸發(fā)相變吸收熱量為主，蒸發(fā)器流體通道內流體溫度梯度很小。

2.3 流量分配驗證

驗證系統(tǒng)有2條負載回路，驗證其中一條支路負載變化時對系統(tǒng)流量分配的影響。支路1的負載功率維持在200 W不變，調節(jié)支路2的負載功率，使之逐步增大，記錄的相關數據見表3。

從表3可以看出，隨著支路2負載功率的逐步增大，支路2的流量逐步減小，而支路1的流量卻逐步增大。這是因為支路2的負載功率增大時，支路2蒸發(fā)器內的工質汽化量增大，導致流阻增大，進而影響了支路1和支路2的流量分配，在總供液流量基本不變的情況下，使支路2的流量減小，支路1的流量增大。

表3 流量分配測試數據

2.4 其他性能驗證

為驗證泵驅兩相冷卻系統(tǒng)的環(huán)境適應性，按照GJB 150—2009的相關要求和方法進行了高溫工作、低溫工作、低氣壓、振動、沖擊等環(huán)境下的性能驗證。在驗證過程中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，且系統(tǒng)換熱性能及密封性能均滿足系統(tǒng)設計要求。在振動過程中蒸發(fā)器表面的最高溫度比振動開始前降低了5.3°C。其原因為振動時系統(tǒng)內部工質存在一定的振蕩，破壞了熱邊界層，強化了蒸發(fā)器與工質之間的換熱。

3 結束語

本文針對用于高熱流密度器件散熱的泵驅兩相冷卻系統(tǒng)進行了系統(tǒng)以及主要組成部件的設計，并開展了熱流密度、均溫性、流量分配以及振動、沖擊等性能試驗，得出如下結論：

1）結合微小通道技術的泵驅兩相冷卻系統(tǒng)可實現不低于312 W/cm2的熱流密度，均溫性較好，溫差小于1°C；

2）對于多支路系統(tǒng)，某一支路的負載功率變化會影響系統(tǒng)的流量分配，進而影響散熱性能；

3）環(huán)境、機械性能試驗表明該系統(tǒng)具有較強的環(huán)境適應能力。

泵驅兩相冷卻技術涉及沸騰換熱和兩相流動，傳熱過程復雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性及換熱性能受多種因素的影響，尤其是負載功率變化對系統(tǒng)流量分配的影響仍存在諸多的不確定性，是制約該技術在工程中推廣應用的重要因素，也是后續(xù)研究的重要內容。