封閉有限空間內製冷劑噴霧冷卻換熱性能研究

《封閉有限空間內製冷劑噴霧冷卻換熱性能研究》是依託中國科學院理化技術研究所，由徐洪波擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：封閉有限空間內製冷劑噴霧冷卻換熱性能研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：徐洪波
• 依託單位：中國科學院理化技術研究所

項目摘要

由於電子元器件性能和集成度不斷提高、功率密度不斷增大、局部熱耗密度越來越大，散熱設計已經成為限制微電子技術發展的瓶頸。噴霧冷卻作為一種主動冷卻方式，具有換熱係數大、臨界熱流密度高、冷卻液體流量低、過熱度小、換熱更均勻等優勢，在解決高功率電子設備散熱領域被寄予厚望。本申請針對一種基於製冷循環的壓力式噴霧冷卻系統，研究噴嘴進口前氣液兩相和封閉有限空間對製冷劑霧化性能的影響，研究封閉有限空間內製冷劑噴霧冷卻的換熱性能，並測量觀察換熱和霧化之間的相互耦合效應，研究實際製冷系統中潤滑油對噴霧冷卻換熱性能和霧化性能的影響，建立描述封閉有限空間內製冷劑噴霧冷卻傳熱特性的理論模型，為基於製冷循環的壓力式噴霧冷卻系統的最佳化設計及其在大功率電子器件散熱中的廣泛套用奠定理論基礎。

結題摘要

本項目提出了基於製冷循環的噴霧冷卻系統，採用實驗與數值分析的方法對其強化換熱規律、潤滑油影響及系統特性進行研究。 首先搭建了壓力式噴霧冷卻系統實驗台，對其換熱性能進行了實驗研究，獲得了高達31000W/(m2K)的換熱係數；熱流密度為110W/cm2時，熱源表面溫度僅為31.5oC；在120W/cm2的熱流密度下，表面溫度標準差低於3oC。 然後進行了霧化過程和換熱過程分析。利用能量守恆推導出霧滴的初始溫度；對現有經驗公式進行合理簡化，獲得了液滴撞擊熱源表面時的速率和粒徑；忽略液膜的對流換熱，引入韋伯數簡化修正霧滴與熱源表面的對流換熱係數關聯式；借鑑二次成核理論，對核態沸騰換熱係數關聯式修正。以對流換熱和核態沸騰換熱為核心，建立了新的換熱係數關聯式，結果表明誤差在±20%以內。 基於上述噴霧冷卻實驗關聯式，建立了噴霧冷卻系統穩態數學模型和仿真軟體。在多種不同工況下，蒸發壓力、冷凝壓力、冷卻液流量誤差小於±10％，熱源表面溫度小於±2oC。結果表明該數學模型和仿真軟體能夠對噴霧冷卻系統性能進行較好的仿真分析。 最後進行了潤滑油對噴霧冷卻性能影響的研究。實驗結果表明潤滑油的加入不利於噴霧冷卻，相同流量下，含油率越高，換熱係數越低。