泵驱两相流冷却系统充注量影响研究.docx
泵驱两相流冷却系统充注量影响研究摘要：合理的充注量是泵驱两相冷却系统正常运行的重要条件。文中搭建了泵驱两相流冷却系统并开展了充注量试验研究。试验结果表明，系统允许的最大充注量受系统热负荷的影响，系统内需保有不小于系统热负荷产生的蒸气体积的气相空间。当热负荷增加时，最大允许充注量将相应减少，减小的体积为新增热负荷对应的蒸气体积的大小。当系统充注量超过允许值时，系统工作点将发生偏离，出现传热恶化、压力跃升等现象。关键词：两相流冷却；充注量；热负荷O引言随着电子技术的进步，复杂电子设备的热负荷和芯片的单点热流密度越来越大。同时，复杂严酷的使用环境和复杂的装载平台也使其朝着高密度组装和集成化封装设计发展。电子设备热设计面临着越来越严峻的挑战。研究表明，在70。CC(TC的温度范围内，电子元器件的工作温度每增加1。其可靠性就会下降5%山。然而，传统冷却方式在热流密度上已接近散热问题的极限，在体积、重量、耗电等资源需求方面也越来越难以满足装备高密度组装的设计需求，因此亟需新型热控技术来满足复杂电子设备的散热需求。其中，由机械泵驱动的两相流冷却技术成为新的研究热点。泵驱两相流冷却技术利用相变工质潜热带走发热器件的热量，可解决热流密度高达2kWcm2器件的散热问题。与传统液冷相比，两相流冷却有着传热效率高、所需流量小、温度一致性高等显著优势。对两相冷却系统而言，充注量是影响系统工作性能的重要参数。以往的充注量研究一般都是针对压缩循环等制冷系统或热管等展开的，对由泵驱动的两相冷却系统的充注量研究较少。本文利用齿轮泵、蒸发器、冷凝器、可调热源和定量充灌回收装置组成小型泵驱两相冷却系统，研究充注量对系统运行性能的影响，为后续泵驱两相系统的设计提供参考。1两相冷却系统原理与试验装置1.1两相冷却系统工作原理典型的两相系统包含蒸发器、冷凝器、储液罐、供液泵等设备，如图1所示。在两相冷却系统工作过程中，相变工质在供液泵的驱动下进入蒸发器吸热气化，由液相进入两相态，气液混合物通过管路进入冷凝器，在冷凝器的作用下进入过冷态，并再次进入供液泵。供液泵与冷凝器之间设置有储液罐，用以调节由负荷变化导致的液位变化。图2是两相冷却系统压蜡图。2-3过程为过冷工质在供液泵的驱动下进入蒸发器，并在蒸发器内吸热，达到饱和点；3-4过程为工质在蒸发器内相变，进入两相态；4-1过程为气液相态的工质在冷凝器内冷凝，重新进入过冷态；12过程为过冷态的工质在供液泵的作用下，克服沿程流阻，重新进入蒸发器换热，完成一个循环。热源II1气液相液相储液罐)冷凝器A蒸发器图1两相流冷却系统原理图1.2试验平台按照上述典型的两相系统，搭建了用于验证充注量影响的两相试验系统。试验系统的原理如图3所示，图中P和T分别代表压力传感器和温度传感器。热测试设备（数采、热窗偶、综合测试机柜）图3充注量试验系统原理图在试验系统中，蒸发器采用铝合金冷板。冷板内设置蛇形流道,冷板上方焊接热电阻来模拟热源，通过热电偶对每个热源进行温度采集，通过调压器对热负荷大小进行控制。在蒸发器进出口通过压力传感器和温度传感器采集蒸发器进出口的压力与供回液温度，整个采集过程如图4所示O蒸发冷板回液图4蒸发器冷板数据采集布置供液泵、冷凝器和储液罐集成为小型两相冷却机组，其中冷凝器为风冷式管翅换热器，供液泵为小型变频齿轮泵。整个系统通过定量充灌回收设备来改变系统的充注量。考虑安全性及换热效率，选择系统干度W0.5。整个试验系统如图5所示。图5充注量试验系统1. 3试验步骤试验按如下步骤进行：1）系统抽真空；2）利用定量充灌回收设备开始充灌，并开启齿轮泵进行试运行，观察到流量连续稳定时止;3）启动小型两相流机组与电加热，将系统热负荷分别调整为500肌1000W,1500W,2000W,系统稳定后记录各参数；4）关闭电加热，关停齿轮泵，利用充灌液设备按设定值增加充注量；5）重复步骤3和步骤4,直至系统参数偏离正常工况点；6）关闭电加热，关停齿轮泵。2试验结果分析1.1 充注量对系统性能的影响图6是充注量对系统温度的影响曲线。从图6可以看出，从系统能够正常运行开始，随着充注量的增加，系统温度先基本持平，后逐渐升高。以热负荷500W时为例，充注量为2kg时，热源的平均温升约为19,而平稳区内温升约为10,也就是说其对流换热系数下降了约l2o-500W-1000W504540353025201510500.861.021.141.321.481.621.741.822.00充注量kg图6不同充注量对系统温度的影响在两相系统运行的过程中，气液相体积比例总体基本稳定，在蒸发端液体不断转换为气体，在冷凝端气体转换为液体。随着充注量的增加，系统内液相体积增加，气相体积减小，液态工质不断挤压气态工质的空间。当气相体积小于带走系统热负荷所需的蒸发空间时，蒸发受到抑制，换热系数下降，系统温升增加。图7是充注量对供回液温升的影响曲线。从图7可以看出，随着充注量逐步增加至超出合理范围，系统供回液的温升由平稳维持在2以内开始急剧上升。20U。、本鸣案回基_5!I1-111-I0.861.021.141.321.481.621.741.822.00充注量kg图7不同充注量对供回液温升的影响在两相系统正常运行的情况下，冷却工质相变换热，供回液温度基本保持不变。随着系统充注量的增加，工质的蒸发空间逐渐减小至不足以完全带走系统的热负荷，蒸发受到抑制，剩余热量由工质显热带走，因此供回液温升急剧升高。图8是充注量对系统流阻特性的影响曲线。从图8可以看出：在合理充灌区内，流量相同时，系统流阻基本保持不变；随着充注量提升并超过合理区间上限，系统流阻反而会快速下降。()0.861.021.141.321.481.621.741.822.(X)充注量kgO5OR.21In1LLfvAiCjS涮屡回基图8不同充注量对系统流阻的影响图9是充注量对供液过冷度的影响曲线。在两相系统中，为了获得更优的均温性能，通常会控制冷板入口的过冷度，以保证冷板入口段的均温性。从图9可以看出：当充注量在合理的范围内时，入口过冷度基本不受充注量变化的影响；当充注量超出允许范围时，系统压力出现明显跃变，导致供液过冷度增加。25O。、®父员200.861.021.141.321.481.621.741.822.00充注量kg图9不同充注量对过冷度的影响2. 2合理充注量影响因素分析由以上分析可知，系统过充会导致两相工作点偏离，性能恶化,因此需要对系统的合理充注量这一影响因素进行分析。在正常运行的两相循环系统中，蒸发器内工质靠气化吸热带走热量,在相同的温度下，工质的气化潜热是不变的，对于不同的热负荷，蒸发消耗的工质及蒸发器内产生的气体体积也是不同的，合适的充注量既要使系统能够稳定运行，无断流现象，又要保证系统内有足够的带走热负荷所需的蒸发空间。因此，在特定的系统中，充注量上限受系统最大热负荷的影响。从图6可以看出，随着热负荷的增加，系统合理的充注量上限在逐渐减少，即温度跃升点在前移。以热负荷500W和200OW两个工况为例，热负荷从500W增加至200OW时，系统温升跃变时的充注量由1.48kg减少至1.14kgo此时供液温度为30,工质的密度为1188kgm3,最大充注量体积减小了1OOOX(1.48-1.14)/1188=0.28L0供液温度为30时，工质从饱和液体蒸发为饱和气体的熔差为171kjkg,热负荷从500W增加至200OW时，工质需多蒸发的质量为100OX(2-0.5)/171=8.8g,此时工质的气相密度为37kgm3,则多产生的气体体积为1000X8.8/(37X1000)=0.24L,与减小的充注体积基本相同。热负荷增加了1500W,导致系统允许的最大充注量减少了0.24L,这0.24L就是新增的1500W热耗所对应的蒸发空间。从上述分析可以看出，在特定的系统中，最大充注量受系统热负荷的影响，热负荷增加时，系统的合理充注量随之减少，减小的体积为新增热耗对应的蒸发空间。系统在进行充注量设计时，可根据系统最大热负荷来计算允许的最大充注量。3结束语本文研究了泵驱两相冷却系统充注量对系统运行特性的影响。通过构建典型泵驱两相系统，对不同充注量下系统的运行参数进行了试验研究，并对最大充注量与系统热负荷之间的关系进行了理论分析,得出以下结论：1）在两相系统最大充注量下，系统内需保有不小于系统热负荷产生的蒸气体积的气相空间。当热负荷增加时，系统允许的最大充注量将减少，减小的体积为新增热负荷对应的蒸发体积。2）当系统过充时，系统的运行参数将偏离原设计点，温度、供回液温升、流阻及过冷度均有不同程度的恶化，可作为判断系统充注是否合理的参考。
