《循环喷雾冷却实验系统设计及喷雾冷却实验研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《循环喷雾冷却实验系统设计及喷雾冷却实验研究.doc（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、西安电子科技大学硕士学位论文循环喷雾冷却实验系统设计及喷雾冷却实验研究姓名：赵亮申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：贾建援20100101摘要随着电子元器件功率密度不断增大，传统自然对流、强迫对流、热管散热等传统电子散热方法已逐渐不能满足今后电子技术发展的需求。喷雾冷却技术以其散热能力高、冷却过程中温差小、工质需求量小等优点受到研究者广泛关注。因为喷雾冷却换热机理复杂，影响因素众多，目前还需要进行更多的理论及实验研究。研究比较目前喷雾冷却系统，发现喷雾冷却的冷却液在工程应用中的循环利用是一关键问题，实现循环系统的产品化是应用喷雾冷却技术的前提，针对冷却液循环利用这一工程应用问题，提出
2、利用微通道换热器实现喷雾冷却的冷却液循环利用的方案。设计并加工出了微通道换热器、喷雾腔等实验装置，并对其设计思路，装配方式进行了详细的阐述。对实验系统其它关键组成部分如喷嘴、泵、冷却剂进行了比较性选择，搭建起了循环喷雾冷却实验系统，为喷雾冷却换热机理实验研究及工程应用打下基础。本文以循环喷雾冷却系统为实验平台，以水为工质，对三个实心圆锥压力雾化喷嘴在恒热流密度、恒入口水温条件下进行了不同进口压力和喷射高度情况下的无沸腾喷雾冷却实验研究。实验结果表明：在实验工况下，质量流量大于，可以实现热源表面平均温度低于。当喷雾区域与热源表面相内切时，热源表面平均温度相对较低。在喷雾高度为，时液膜中心会产生一
3、个直径大约毫米的圆型凸面，通过实验测量发现，热源表面中心温度相对四周较高，在两个高度时分别平均高出，。关键词：喷雾冷却循环喷雾冷却系统微通道换热器无沸腾西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担
4、一切的法律责任。本人签名：西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学：学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密，在解密后适用本授权书。日期应：三：日期臣；！第一章绪论第一章绪论喷雾冷却技术研究背景随着计算机、通讯、军用、航空航天及民用市场等领域的需求，电子
5、技术得到迅猛的发展。电子器件的封装密度不断地提高，其热流密度不断地增大，电子产品向微型化方向不断发展，功率更大而外形尺寸日益缩小，电子产品已经渗透到各个领域，其应用环境不断扩大，所使用的热环境差异很大。电子产品的这些发展趋势使得电子设备过热的问题越来越突出。电子设备的过热是电子产品失效的主要原因之一，超过的电子器件的失效是由于温度过高引起的。严重的限制了电子产品性能及可靠性的提高，也降低了设备的工作寿命。研究资料表明，半导体元件的温度升高，可靠性降低。因此电子设备内的温升必须予以控制，而运用良好的散热措施来有效地解决这个问题则是关键。但是随着封装密度的不断提高以及电子产品向微型化发展，传统的冷
6、却装置（如风冷、水冷）虽能满足温度控制的需求，但其散热能力远远无法满足未来发展要求。比如激光二极管阵列、大功率航空航天电子元件等，要求相应冷却系统具备高热流密度的冷却能力（）。如何将芯片产生的大量的热量有效的排散掉，并将芯片温度保持在较低水平已成为一个亟待解决的问题。计算机芯片，航空电子设备、功率电子设备、光电器件以及近年来发展迅速的微瑚电子机械系统、生物芯片等都存在类似的广泛而迫切的散热冷却需要】，如何带走芯片级、系统级的电子设备所散发出的热量，成为提高电子设备设计可靠性的一个重要因素。喷雾冷却技术就是一种可应用于上述环境的，具有广阔应用前景的高效散热新技术。研究表明，用水作为冷却工质，在开
7、放条件下，临界热流密度（）可达【。近年来，斟喷雾冷却技术具有很高的换热效果而备受关注。喷雾冷却技术喷雾冷却（）是将冷却液在外加能量的作用下通过雾化装置（主要装置是喷嘴）雾化为非常细小的液滴（平均直径在量级左右）喷射到换热表面，通过雾化液滴的对流和相变换热带走热量以达到冷却的目的。喷雾冷却比冲击射流和池式沸腾有更高的换热系数和临界热流密度（），具有换热系数大、温度均匀性好、过热度小、临界热流密度高和低冷却液流量等特点，是一种非常有效的冷却方式。循环喷雾冷却实验系统设计及喷雾冷却实验研究图不同换热方式的换热系数图给出了几种典型换热方式的换热系数范围【】。由图可以看到喷雾冷却相比其他换热方式具有极高
8、的换热系数。喷雾冷却技术已经应用在工业界很多年，从一个世纪以前就将喷雾冷却技术应用到了冶金行业，并且从二十世纪六十年代后期开始进行理论研究【刀，目前在电子设备的应用成果范例之一是该技术已经应用于对号超级计算机的电子芯片冷却中【。喷雾冷却还被应用于其它一些军事和民用消费品行业，包括微波防御系统、高级激光器、功率开关【、金属切削、金属淬火】、射线医疗器械、高热流密度的激光二极管以及（航空）电子设备【】等，它还被认为是解决未来飞机和飞船中的散热问题的方案之一【。尽管喷雾冷却已经在铸造和金属切割等领域广泛应用，但其具有很高的表面温度（超过温度，膜态沸腾温度）。近年来随着高功率密度电子器件的发展，要求在
9、高热流密度下保持加热而较低的温度水平（一般小于），喷雾冷却技术再次受到广泛的关注，成为一个新的研究热点。喷雾冷却换热机理喷雾冷却是通过对流换热、液膜表面蒸发、核态沸腾、以及液膜表面的二次核态沸腾进行传热。喷雾冷却具有高换热性的机制在于，液滴冲击强化了液体的对流，从而增强了加热面到液膜表面的传热，使液体蒸发；由于高速液滴冲击液膜表面，液膜中的汽泡无法长大到接近液膜厚度，加热表面核态沸腾产生的第一章绪论汽泡在微液膜完全蒸发之前，破碎成很小的汽泡，这增加了微液膜蒸发的净时间，从而大大增大了换热系数；由冲击液滴带入的蒸汽泡，称为二次核态沸腾，它有助于喷雾冷却的传热增强；高动量的液滴，能够逆向穿过蒸汽流
10、，到达受热面，进行冷却。当热源表面温度低于冷却液饱和温度时（单相喷雾冷却），表面液膜换热主要以液膜内部的微对流换热为主要换热方式。这时液膜底层与热源接触面几乎不产生气泡，由冲击液滴带入的气泡及冲击液滴本身主要增加了对液膜的扰动，增强了对流换热的效果。当热源表面温度高于环境下的冷却剂饱和温度时，液膜底层与热源接触面开始出现核态沸腾，此时冲击液滴使液膜中的气泡不能完全生长将其击碎为很小的气泡以增强换热效果，同时液膜表面蒸发现象加剧，二次成核及核态沸腾在此时起着很大的作用。在这种情况下影响整个系统换热效果的冈素除液膜的蒸发外还包括液膜与热源表面的对流、液膜中的气泡及雾滴对液膜的扰动及核沸腾等因素。由
11、于各种因素在换热时所起到的作用研究者还为达成一致，女】认为液膜对喷雾冷却系统的换热性能起主导地位。并将液膜结构分为两层湍流层研究：】认为低质量流量的喷雾中，沉积在热源表面的薄液膜的蒸发是最主要的传热机理，表面的润湿性是传热薄液膜蒸发的决定性囚素，但没有比较薄液膜核沸腾与蒸发两者的具体影响力大小；而、，和】等人认为只有小部分液膜通过蒸发换热，而大多数换热由气、液、固之间的对流产生。此等【】还认为在高热流密度和低流量的情况下，薄液膜的蒸发换热更加重要。因此这种状态下的喷雾冷却换热机理是重点研究内容。国内外研究现状近年来各同学者就喷雾冷却进行了大量的研究，主要以实验研究为主、理论研究及数值模拟相对较
12、少。虽然各国学者针对喷雾冷却技术的研究十分活跃，但都处于起步阶段，由于其换热机理的复杂性，以及诸多的影响因素，还未能揭示出喷雾冷却过程的本质。因此当前的工作主要还是研究分析喷雾冷却换热机理及影响因素。国外研究现状热源表面因素等人以为冷却剂在保持喷嘴距热源高度不变（）的情况下，主要研究了不同表面强化结构对喷雾冷却性能的影响。他们所研究的强化结构有方块凸起结构、棱锥结构、鳍状微槽道结构、多微孔结构以及微孑与鳍状籀环喷雾冷却实验系统设计厦喷雾冷却实验研究结构的组合结构等。如图所示（）方块凸起结构（”棱锥结构（）鳍状结构（）多微孔结构）组台结构图表面强化结构图他们对鳍状微槽道结构倾斜喷射情况的研究认为
13、：各种表面形貌都比平面结构换热性能好，其中多微孔结构的性能最高，鲢状微槽道结构次之，之后是方块凸起结构，棱锥结构最差：对于方块凸起结构和鳍状微槽道结构“凸起”或“鳍”越高越好，并且“凸起”之间或“鳍”之间的问隙越窄越好；对于多微孔结构，当孔的直径与孔间距相当时系统挠热性能晟佳。喷射角度方向因素发现当换热表面从水平方向遥渐转向垂直方向时，换热效果随着换热面与水平面夹角的增加而降低。与水平向上和垂壹指向的情况比较，换热表面水平向下时，换热效果最差；换热表面水平向上和垂直放置时，两种换热效果相当。”，蚓，一”和等人都有关于喷嘴对热源倾斜喷射的实验研究，但所得结论各不相同，前三个人分别认为当倾斜角度为
14、。、。和。时系统豹最大，而认为当倾斜角度为。时系统换热性能最好。他们的研究条件不同使得所得结论不同，如冷却荆特性、喷嘴特性以及喷雾面积是否覆盖全部热源等。喷射距离因素和随过实验手段，针对圆形喷嘴对正方形热源喷雾冷却的情况，试图寻找到喷嘴与热源的是佳距离。他们认为雾滴体积通量（而不是平均速率）是影响喷雾冷却系统换热性能的主要因素。得出结论：在喷嘴垂直热源喷射时，当圆形喷雾区域正好与方形热源的边缘相切时系统的最大。原因是；这样的喷射方式既可以充分利用喷嘴喷出的所有葬滴，又可咀使尽可能大的热源表面接收到雾滴。同时他们通过实验手段证实了上述结论（以下称准则）的正确性。封闭蕞统因素”在封闭系统实验中发现全韶液滴蒸发的最低壁面温度是工质质量流量的线性函数，液滴蒸发率随压力的降低显著减小，每个热流密度第一章绪论都对应一个最佳的工作压力，热流
