冷却液汽化量对射流冷却系统散热性能的影响分析.pdf

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1、机械工程师黼墓G瓢A糍leAL羹粼l暑i鞘蒌嚣嚣冷却液汽化量对射流冷却系统散热性能的影响分析董进喜，赵航，杨明明(中航工业西安航空计算技术研究所，西安710119)摘要：射流冷却的换热是包含强迫对流、核态沸腾和蒸发散熟等多种换热形式共同作用的结果，冷却液流量的过多或过少都会影响到射流冷却技术的散热性能。文中基于射流冷却技拳的两相换热机理和换热理论分析模型．对换热过程中冷却液的汽化量进行分析，用汽化量和芯片表面温度的关系变化益线来作为评估射流冷趣系统散热性能变化的依据。通过对射流冷却换热过程中汽化量进行测

2、试计算表明，在射流冷却系统虑冷却液汽化质量范达到47％左右时，芯片表面温度最低，射流冷却系统换热性能最佳。通过该研究分析工作，为射流冷却技术在工程应用中流薰控制和散热优化提供技术基础。关键字：射流冷却：蒸发散热；汽化量；散热性畿中图分类号：TB66文献标志码：A文章编号：1002—2333(2017)09～0125—020引言在现代电子设备的高度集成化和高性能发展背景下，射流冷却技术因其具有超高的散热能力而备受关注。除了在高性能计算机、医疗设备、金属切削中应用外，还被认为是解决未来机载电子设备散热问题的

3、有效方案【”。射流冷却技术的散热过程主要依靠强迫对流、核态沸腾和蒸发散热这三种换热方式共同作用的结果。当电子设备内散热芯片表面温度不高时，冷却液在散热表面形成的液膜与散热表面直接接触，强迫对流换热是主要换热方式。随着散热芯片温度的升高，蒸发散热方式所占的比重越来越重要。冷却液形成的液膜出现沸腾现象，此时换热机理较为复杂，可认为三种换热方式同时作用。随着散热芯片温度的继续增加，将达到射流冷却的最高表面热流密度，即CHF【2】。从射流冷却技术的换热机理可知，冷却液的流量与射流冷却的换热效率不是简单的比例关系

4、。由于冷却液具有较高的蒸发潜热，为了充分发挥射流冷却的换热效率，要在充分降低散热芯片表面温度的同时，提高冷却液的蒸发换热比重，即汽化量。因此本文从射流冷却技术的换热理论出发，建立射流冷却技术的汽化量分析方法，进而搭建测试平台对射流冷却系统中的汽化量进行测试分析。1射流冷却技术的换热理论分析从射流冷却技术的换热机理可知，射流冷却技术的换热主要通过冷却介质的温升及蒸发潜热来将热量带走，因此，可用下面关系式进行计算：P^蟾6(A。_A。)=gl；p】^培Q=92。式中：A。为需被冷却表面的面积；A。为蒸汽覆盖

5、面积；6为液膜厚度；^，，为汽化潜热；q、为温升换热量；q：为蒸发换热量；p为冷却液流量。由上式分析可知，冷却液流量越大，系统能满足更大热流密度的潜力越大。但如果冷却液未能及时蒸发，未能充分利用其蒸发潜热，g：减小，射流冷却的换热量也会减小。另外，针对冷却液在散热表面形成液膜厚度，可采用下面公式进行估算删：6：。三；p。配。M，=者褂式中，玑为汽化速率。由上述关系式可知，液膜的厚度与汽化速率的二次方成反比。因此，汽化量减少时，会使得液膜增厚而阻碍射流冷却技术的换热效率。2射流冷却技术中汽化量的测试分析为

6、了进一步分析射流冷却技术中汽化量与换热性能的关系，搭建试验测试平台对射流冷却系统换热过程中的汽化量进行研究分析。由上述射流冷却技术的换热机理及理论分析可知，通过测冷却液的总流量和人口冷却液温度兀及出口温度孔，可以间接得到汽化量Q气为Q气=g—Q液人C。(疋一兀)(q‰一cp疋+c潜热)。根据上面的计算公式，搭建射流冷却测试平台方案如图1所示。压力表网址：wwwjxgcscom电邮：hrbengineer@163．com2017年第9期l125机械工程师黧鬻豢黼瓣戮鬃鬃蒸囊萋熏霉囊蘩黪蘩蘩蘩蒸繁雾i雾纛雾

7、{蓁§囊蠢麓匿G鞭蠡鬻{0是t墓鬻鑫{翳蘸基霆雾雾羹襄察瓣黧黧冁嚣黧蠹蒸囊囊蘩黪熬瓣黼辫然瓣藕黧§§饕射流冷却测试平台采用隔膜泵(BP一125)作为工作压力泵，其额定工作压力为o．8MPa，额定流量大小为1‰in，满足流量调节范围要求；采用质量流量计，测量范围为0～5．56g／s，精度为0．0lg／s，满足系统流量的测量精度要求，冷却液介质为3M氟素化合物Fc一72，散热芯片总功耗为120w，热流密度达到30w／cm2。具体测试实验平台如图2所示。在不同供液流量测量记录芯片表面温度、冷却液入口总流量、入

8、口温度和冷却液出口温度等物理参数，进而研究芯片表面温度和冷却液汽化量的变化。测试结果及分析所得数据如表1。表1射流冷却技术芯片表面温度及汽化量分析表由表1数据绘制汽化百分比与芯片表面温度的关系曲线，如图3所示。从图3曲线的趋势可知，冷却液汽化量较高时射流冷却中的强迫对流换热较弱，芯片表面温度升高，冷却液汽化量较低时射流冷却中的蒸发换热不足，芯片表面温度也升高。测试数据表明，射流冷却系统内冷却液汽化质量比达到47％左右时，芯片表面温度最低，射