司春強(qiáng)，邵雙全，田長(zhǎng)青，劉小朋，肖楊

（1-國(guó)內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100069；2-中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190）

0 引言

高功率電子產(chǎn)品的微型化、集成化、高速化導(dǎo)致其散熱量和熱流密度急劇增加，散熱問(wèn)題成為限制其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。噴霧冷卻作為一種高效的散熱技術(shù)具有低過(guò)熱度、小流量、高熱流密度、高換熱系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)[1]，已經(jīng)在金屬加工、微電子、激光等設(shè)備中進(jìn)行應(yīng)用。

現(xiàn)有基于泵循環(huán)的噴霧冷卻系統(tǒng)在應(yīng)用中存有不足，一種基于制冷循環(huán)的噴霧冷卻系統(tǒng)被提出[2]。實(shí)驗(yàn)研究表明，該系統(tǒng)具有較大的換熱系數(shù)、低冷卻液流量、表面溫度分布均勻、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)[3]，能夠滿足散熱器件對(duì)散熱裝置的散熱能力和體積需求，有利于在散熱領(lǐng)域進(jìn)行廣泛的應(yīng)用。但是，由于制冷系統(tǒng)的引入，不可避免的在冷卻液中引入了潤(rùn)滑油。潤(rùn)滑油會(huì)對(duì)冷卻液的粘度、表面張力產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響冷卻液的流動(dòng)和換熱特性。

本文通過(guò)搭建基于制冷循環(huán)的噴霧冷卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，借鑒有關(guān)于含油制冷劑管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱特性的相關(guān)理論[4,5]，探索潤(rùn)滑油在噴霧冷卻過(guò)程中的物性變化及其對(duì)噴霧冷卻性能的影響，為噴霧冷卻技術(shù)理論完善和應(yīng)用拓展提供一定的基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要包含基于制冷循環(huán)的噴霧冷卻系統(tǒng)和測(cè)油系統(tǒng)，如圖1所示。噴霧系統(tǒng)主要由噴嘴、噴霧室和基本的制冷系統(tǒng)組成。變頻壓縮機(jī)將冷卻工質(zhì)以高溫高壓氣體狀態(tài)排出，經(jīng)冷凝器以液態(tài)狀態(tài)進(jìn)入儲(chǔ)液器，冷卻液經(jīng)流量計(jì)、過(guò)冷器、節(jié)流閥進(jìn)入噴嘴，冷卻液經(jīng)噴嘴霧化、節(jié)流后噴射到熱源表面；換熱后，冷卻工質(zhì)以氣液兩相狀態(tài)從噴嘴流出，與來(lái)自調(diào)節(jié)閥A的高溫氣體混合后，以過(guò)熱蒸氣狀態(tài)被壓縮機(jī)吸入，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。節(jié)流閥用于控制進(jìn)入噴嘴的冷卻液的狀態(tài)和壓力，調(diào)節(jié)閥用于部分旁通壓縮機(jī)排氣以保證壓縮機(jī)吸氣的過(guò)熱度。模擬熱源由圓柱形紫銅底座和加熱棒組成，熱電偶測(cè)點(diǎn)如圖2所示，六個(gè)T型熱電偶分前（F）后（B）左（L）右（R）四個(gè)方向排布，前方沿軸向均勻布置3個(gè)熱電偶，進(jìn)入深度是6 mm，熱電偶間距及熱電偶與換熱面的間距均為 3 mm,其余三個(gè)方向各布置一個(gè)熱電偶，與換熱面的距離是3 mm，進(jìn)入深度分別是5 mm（L），4 mm（B），3 mm（R）用于測(cè)量溫度和計(jì)算加熱量。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

圖2 模擬熱源

測(cè)油系統(tǒng)主要由氮?dú)馄?、?chǔ)油罐、流量計(jì)等組成。氮?dú)馄刻峁└邏旱獨(dú)猓跉怏w壓力作用下，潤(rùn)滑油從油罐底部經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入噴霧冷卻系統(tǒng)與冷卻液混合，一起經(jīng)過(guò)過(guò)冷器、節(jié)流閥、噴嘴后噴射的熱源表面，然后隨冷卻工質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)。調(diào)節(jié)閥B用于調(diào)整潤(rùn)滑油的流量和壓力，轉(zhuǎn)子流量計(jì)用于粗測(cè)補(bǔ)油量。調(diào)節(jié)閥C和測(cè)油孔用于測(cè)量冷卻液中實(shí)際含油量，測(cè)量方法采用Chang等[6]提到的稱重法。

待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、換熱過(guò)程穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)量油的含量，具體步驟如下：

1）用天平（精度0.001 g）稱量取樣罐的質(zhì)量m0；

2）將取樣罐與測(cè)油孔連通，打開(kāi)取樣罐上的閥門(mén)和調(diào)節(jié)閥C，并計(jì)時(shí)；

3）5秒鐘后關(guān)閉調(diào)節(jié)閥C和取樣罐上的閥門(mén)，并稱重，記作m1；

4）將取樣罐放置 5分鐘后緩慢打開(kāi)閥門(mén)，放出冷卻工質(zhì)氣體；

5）待冷卻工質(zhì)釋放干凈后稱量取樣罐質(zhì)量，記作m2；

6）計(jì)算工質(zhì)中油的含量：

2 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)熱電偶獲得測(cè)點(diǎn)溫度，將傅里葉導(dǎo)熱定律用于一維導(dǎo)熱過(guò)程，計(jì)算實(shí)驗(yàn)中的熱流密度及換熱表面溫度：

式中 Tsur為熱沉表面平均溫度，Ti為換熱表面不同點(diǎn)的溫度。

用于表征換熱能力的換熱系數(shù)定義如下：

式中 Tsat為噴霧室內(nèi)蒸發(fā)壓力下所對(duì)應(yīng)的冷卻液的飽和溫度。

分別對(duì)熱流密度和表面溫度進(jìn)行誤差分析。熱流密度誤差表示為：

表面溫度的誤差可以表示為：

通過(guò)計(jì)算可得熱流密度及表面溫度的誤差分別為2.4%和3.1%，含油量的誤差為0.3%。

3 性能研究

3.1 潤(rùn)滑油對(duì)壓降的影響

潤(rùn)滑油的加入，會(huì)對(duì)冷卻液的表面張力、粘度等物性產(chǎn)生影響[7]，而冷卻液物性的變化會(huì)影響到冷卻液經(jīng)過(guò)噴嘴這一過(guò)程的壓力降，進(jìn)而影響到噴嘴的流量系數(shù)。在加熱量恒定（95 W/cm2）的條件下，逐漸增加冷卻液中的含油量，測(cè)量噴嘴的流量，并以無(wú)油時(shí)噴嘴的流量為標(biāo)準(zhǔn)，和其進(jìn)行比較，得到相對(duì)于無(wú)油時(shí)噴嘴的流量系數(shù)(ψ)與含油百分比(φ)的關(guān)系，如圖3所示。結(jié)果表明，隨著含油百分比(φ)的增加，流經(jīng)噴嘴的阻力增加，流量減小。含油量從1.1%增加到6.3%，流量從無(wú)油時(shí)流量的0.99減小到 0.85，這和嚴(yán)嘉等[8]在水平微肋管內(nèi)的油對(duì)流動(dòng)阻力的影響結(jié)果一致。根據(jù)Zurcher[9]的研究結(jié)論，油的存在會(huì)增加流動(dòng)的阻力損失，尤其是冷卻液溫度低時(shí)，含油量的增加會(huì)使得冷卻液的運(yùn)動(dòng)粘度增加明顯，進(jìn)而影響流量。一般制冷系統(tǒng)中，潤(rùn)滑油含量在 2%左右，而這一含油量所對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)值約為0.95，因此由于潤(rùn)滑油帶來(lái)的流量的減小可以忽略。

圖3 含油量對(duì)流量系數(shù)的影響

3.2 表面溫度

保持噴嘴進(jìn)出口壓力恒定，逐漸增加冷卻液中的含油量，研究不同熱流密度下的表面溫度隨含油量的變化規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

圖4 潤(rùn)滑油對(duì)表面溫度的影響

結(jié)果表明，和無(wú)油的冷卻液相比，隨著含油量的增加，熱源表面溫度略有降低。這是因?yàn)闈?rùn)滑油的增加，冷卻液運(yùn)動(dòng)粘度增加，使得冷卻液霧滴在熱源表面的流動(dòng)沸騰過(guò)程得到強(qiáng)化。如圖4（a）所示，在熱流密度為35 W/cm2時(shí)，和無(wú)油工況相比，含油量增加到7.2%時(shí)，表面溫度降低小于0.3oC。圖4（b）表明，在熱流密度為90 W/cm2時(shí)，表面溫度降低程度有所增加，但是和無(wú)油工況比，較低值小于0.5oC。兩種熱流密度條件下，熱源表面溫度降低很小，主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中，換熱表面積較小，流動(dòng)沸騰換熱有限所致。比較兩圖發(fā)現(xiàn)，熱流密度高時(shí)，溫度降低明顯。在本實(shí)驗(yàn)中，潤(rùn)滑油的存在，可以在帶來(lái)表面溫度細(xì)微的降低。從散熱器件表面溫度控制需求出發(fā)，證明潤(rùn)滑油對(duì)噴霧冷卻的的散熱性能有促進(jìn)作用。

3.3 換熱系數(shù)

在噴嘴進(jìn)口壓力、蒸發(fā)壓力、熱流密度恒定的工況下，逐步增大冷卻液中的含油量，研究系統(tǒng)的換熱系數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 換熱系數(shù)變化曲線

結(jié)果表明，和無(wú)油噴霧冷卻過(guò)程相比，隨著含油量的增加，系統(tǒng)的換熱系數(shù)呈增加趨勢(shì)。圖5（a）表明，熱流密度為 35 W/cm2時(shí)，當(dāng)含油量增加到7.2%時(shí)，換熱系數(shù)增加約3000 W/m2·K；圖5（b）表明，熱流密度為 90 W/cm2時(shí)，當(dāng)含油量增加到7.2%時(shí)，換熱系數(shù)增加約4000 W/m2·K。主要是因?yàn)闈?rùn)滑油的引入會(huì)使得冷卻液物性發(fā)生變化，運(yùn)動(dòng)粘度增加，流動(dòng)沸騰增強(qiáng)。在一定范圍內(nèi)增加潤(rùn)滑油的百分比，可以對(duì)換熱起到一定的強(qiáng)化作用，存在的潤(rùn)滑油有利于系統(tǒng)的換熱性能的提高。

4 結(jié)論

本文基于制冷循環(huán)的噴霧冷卻系統(tǒng)，搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)潤(rùn)滑油在噴霧冷卻系統(tǒng)中的影響進(jìn)行研究，結(jié)果分析：

（1）在低冷卻液流量條件下，含油量的增加會(huì)使得冷卻液流經(jīng)噴嘴時(shí)的阻力增加，流量減??；對(duì)于一般制冷系統(tǒng)中的含油量標(biāo)準(zhǔn)，因含油量引起的流量降低可以忽略。

（2）隨著冷卻液中含油量的增加，熱源表面溫度呈微小下降趨勢(shì)，這一現(xiàn)象在熱流密度越高時(shí)越明顯。潤(rùn)滑油的存在使得流動(dòng)沸騰得到強(qiáng)化，雖然熱流密度較高時(shí)，會(huì)使得表面張力增加，不利于霧滴破碎成更小的顆粒，但是相比熱流密度增加帶來(lái)?yè)Q熱系數(shù)提高要小，使得換熱過(guò)程得到強(qiáng)化。

（3）隨冷卻液中含油量的增加，換熱系數(shù)呈增大趨勢(shì)，在含油量達(dá)到7.2%時(shí)，換熱系數(shù)增加了3000W/m2·K。

上述研究結(jié)果表明，冷卻液中存在潤(rùn)滑油，會(huì)增大冷卻液流經(jīng)噴嘴過(guò)程中的阻力，減小流量，但根據(jù)本系統(tǒng)的應(yīng)用情況，可以忽略；含有一定量的潤(rùn)滑油可以降低熱源表面溫度，提高換熱能力，使得系統(tǒng)的散熱能力得到提高，更有利于在高功率電子產(chǎn)品的散熱領(lǐng)域應(yīng)用。

[1] Chow L C, Sehembey M S, Pais M R. High heat flux spray cooling [J]. Heat Transfer, 1997, 8: 291-318.

[2] 司春強(qiáng), 邵雙全, 田長(zhǎng)青, 徐洪波. 高功率固體激光器噴霧冷卻技術(shù)[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2010, 22 (12):2789-2794.

[3] 司春強(qiáng),邵雙全,田長(zhǎng)青.高功率固體激光器用一體化制冷噴霧冷卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)激光,2011,38(1):1-5.

[4] Lloyd J R, Limbach S. Effect of oil contamination on the surface tension of R-12 and R-134a [C]. ASME-HTD,National Heat Transfer conference, 1995,8:157-163.

[5] Spindler K M, Hahne H E. Influence of a low viscosity oil on the pool boiling heat transfer of the refrigerant R507 [J]. Internationla Journal of Refrigeration, 2001,24(1): 25-40.

[6] Chang Y S, Kim M S, Ro ST. Performance and heat transfer characteristics of hydrocarbon refrigerants in a heat pump system [J]. International journal of refrigeration, 2000, 23(3): 232-242.

[7] Zhu M S, Fu Y D, Han L Z. An experimental study of PVT properties of CFC alternative HFC2134a [J]. Fluid phase equilibria, 1992, 80 (1) :149-156.

[8] 嚴(yán)嘉, 童明偉, 楊鵬. HC290含油工質(zhì)在水平微肋管內(nèi)沸騰換熱特性及壓降的實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 制冷學(xué)報(bào), 2005,1: 5-10.

[9] Zurcher O, Thome J R, Favrat D. Development of a diabetic two-phase flow pattern map for horizontal now boiling [J]. International journal of heat and mass transfer,2002, 45(1): 291-301.