電子設備液體相變冷卻技術(shù)研究

熱設計 2025-07-04

0 引言

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

由于傳統(tǒng)冷卻技術(shù)在性能上的限制,在高功率設備上的熱控制技術(shù)需要重點突破?在這樣的需求下,高功率電子設備液體冷卻技術(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)這幾個方面?液體相變冷卻是利用液體在沸騰過程中吸收大量汽化熱的一種高效方法?由于相變過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程中吸收的潛熱為2000kJ/kg),其冷卻能力比自然冷卻要高1000倍?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?

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流換熱所組成的復合冷卻系統(tǒng)?如圖1所示,未飽和液體工質(zhì)在泵的驅(qū)動下進入蒸發(fā)器內(nèi),液體被管壁加熱,達到一定溫度時壁面上開始產(chǎn)生氣泡,此時液體主流尚未達到飽和溫度即沸點,處于過冷狀態(tài)?繼續(xù)加熱使液體達到飽和溫度,即進入飽和核態(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?蒸汽通過冷凝器,冷凝器的溫度低于沸點,蒸汽流與冷凝器進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)?

1.2試驗樣機方案

試驗樣機組成如圖2所示?系統(tǒng)由供液泵?蒸發(fā)冷板?冷凝器(風冷)?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?

冷凝器采用空氣作為最終熱沉,布置于機柜最上部,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,在壓差作用下進入冷凝器進行熱交換,汽液分離器內(nèi)的液體在底部聚集,也由泵吸入并循環(huán)?在泵的前部設置壓力表和加液閥?試驗樣機采用電加熱器模擬電子設備發(fā)熱,在電加熱器的下面設置蒸發(fā)冷板,蒸發(fā)冷板的前后安裝視流鏡,以觀測流體相變情況?風機安裝于冷凝器中心位置,采用離心風機排風?管路布置時,應盡可能考慮重力因素以提高效率?樣機外形如圖3所示?

試驗樣機的設計指標如下:

1) 最大熱耗散功率:3.6kW;

2) 熱源熱流密度:120W/cm2;

3) 流量:小于4L/min;

4) 泵功率:小于100W;

5) 系統(tǒng)最大耐壓:2MPa?

6) 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,采購價格低廉?常溫25℃,1個標準大氣壓條件下,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 試驗測試

2.1試驗系統(tǒng)和方法

試驗樣機本身集成了壓力表?流量表?熱電偶等儀器儀表,在樣機外部用5kW電源進行供電,并用溫度采集器對熱源和蒸發(fā)冷板的溫度進行監(jiān)測?試驗樣機的系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示?試驗中,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?

2.2試驗條件

1) 冷卻液為氟利昂R22,對比測試對象為60#冷卻液;

2) 流量為3L/min,熱源熱功率為3.6kW;

3) 環(huán)境溫度為5℃?20℃兩種條件?

2.3試驗工況

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

工況2:環(huán)境溫度為5℃,3.6kW熱源加載測試;

工況3:環(huán)境溫度為21℃,3.6kW熱源加載測試;

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

2.4試驗結(jié)果及分析

試驗中,未飽和液體工質(zhì)在泵的驅(qū)動下進入圖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?測試結(jié)果見表1?

相變冷卻試驗樣機與60#冷卻液系統(tǒng)的性能對比分析如表2所示?

3 結(jié)束語

本文對液體相變冷卻技術(shù)進行了試驗樣機測試以及水冷系統(tǒng)對比測試?兩相流冷卻技術(shù)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(chǎn)品CPL?LHP?Vapor Chamber和PHP?試驗數(shù)據(jù)分析表明,液體相變冷卻通過潛熱進行換熱,與傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)相比,具有以下明顯的性能優(yōu)勢: