潤滑油對噴霧冷卻性能影響

司春強(qiáng)，邵雙全，田長青，劉小朋，肖楊

（1-國內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計研究院，北京 100069；2-中國科學(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)簡單、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)[3]，能夠滿足散熱器件對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滑油。潤滑油會對冷卻液的粘度、表面張力產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響冷卻液的流動和換熱特性。

本文通過搭建基于制冷循環(huán)的噴霧冷卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺，借鑒有關(guān)于含油制冷劑管內(nèi)流動沸騰換熱特性的相關(guān)理論[4,5]，探索潤滑油在噴霧冷卻過程中的物性變化及其對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)入儲液器，冷卻液經(jīng)流量計、過冷器、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，與來自調(diào)節(jié)閥A的高溫氣體混合后，以過熱蒸氣狀態(tài)被壓縮機(jī)吸入，進(jìn)入下一個循環(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)吸氣的過熱度。模擬熱源由圓柱形紫銅底座和加熱棒組成，熱電偶測點(diǎn)如圖2所示，六個T型熱電偶分前（F）后（B）左（L）右（R）四個方向排布，前方沿軸向均勻布置3個熱電偶，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,其余三個方向各布置一個熱電偶，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）用于測量溫度和計算加熱量。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

圖2 模擬熱源

測油系統(tǒng)主要由氮?dú)馄俊τ凸?、流量計等組成。氮?dú)馄刻峁└邏旱獨(dú)?，在氣體壓力作用下，潤滑油從油罐底部經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計進(jìn)入噴霧冷卻系統(tǒng)與冷卻液混合，一起經(jīng)過過冷器、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)整潤滑油的流量和壓力，轉(zhuǎn)子流量計用于粗測補(bǔ)油量。調(diào)節(jié)閥C和測油孔用于測量冷卻液中實(shí)際含油量，測量方法采用Chang等[6]提到的稱重法。

待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、換熱過程穩(wěn)定后進(jìn)行測量油的含量，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）將取樣罐與測油孔連通，打開取樣罐上的閥門和調(diào)節(jié)閥C，并計時；

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

4）將取樣罐放置 5分鐘后緩慢打開閥門，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）計算工質(zhì)中油的含量：

2 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)中通過熱電偶獲得測點(diǎn)溫度，將傅里葉導(dǎo)熱定律用于一維導(dǎo)熱過程，計算實(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)壓力下所對應(yīng)的冷卻液的飽和溫度。

分別對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：

通過計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 潤滑油對壓降的影響

潤滑油的加入，會對冷卻液的表面張力、粘度等物性產(chǎn)生影響[7]，而冷卻液物性的變化會影響到冷卻液經(jīng)過噴嘴這一過程的壓力降，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，測量噴嘴的流量，并以無油時噴嘴的流量為標(biāo)準(zhǔn)，和其進(jìn)行比較，得到相對于無油時噴嘴的流量系數(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%，流量從無油時流量的0.99減小到 0.85，這和嚴(yán)嘉等[8]在水平微肋管內(nèi)的油對流動阻力的影響結(jié)果一致。根據(jù)Zurcher[9]的研究結(jié)論，油的存在會增加流動的阻力損失，尤其是冷卻液溫度低時，含油量的增加會使得冷卻液的運(yùn)動粘度增加明顯，進(jìn)而影響流量。一般制冷系統(tǒng)中，潤滑油含量在 2%左右，而這一含油量所對應(yīng)的流量系數(shù)值約為0.95，因此由于潤滑油帶來的流量的減小可以忽略。

圖3 含油量對流量系數(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 潤滑油對表面溫度的影響

結(jié)果表明，和無油的冷卻液相比，隨著含油量的增加，熱源表面溫度略有降低。這是因?yàn)闈櫥偷脑黾?，冷卻液運(yùn)動粘度增加，使得冷卻液霧滴在熱源表面的流動沸騰過程得到強(qiáng)化。如圖4（a）所示，在熱流密度為35 W/cm2時，和無油工況相比，含油量增加到7.2%時，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，表面溫度降低程度有所增加，但是和無油工況比，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，流動沸騰換熱有限所致。比較兩圖發(fā)現(xiàn)，熱流密度高時，溫度降低明顯。在本實(shí)驗(yàn)中，潤滑油的存在，可以在帶來表面溫度細(xì)微的降低。從散熱器件表面溫度控制需求出發(fā)，證明潤滑油對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，和無油噴霧冷卻過程相比，隨著含油量的增加，系統(tǒng)的換熱系數(shù)呈增加趨勢。圖5（a）表明，熱流密度為 35 W/cm2時，當(dāng)含油量增加到7.2%時，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，當(dāng)含油量增加到7.2%時，換熱系數(shù)增加約4000 W/m2·K。主要是因?yàn)闈櫥偷囊霑沟美鋮s液物性發(fā)生變化，運(yùn)動粘度增加，流動沸騰增強(qiáng)。在一定范圍內(nèi)增加潤滑油的百分比，可以對換熱起到一定的強(qiáng)化作用，存在的潤滑油有利于系統(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，對潤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，含油量的增加會使得冷卻液流經(jīng)噴嘴時的阻力增加，流量減??；對于一般制冷系統(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，這一現(xiàn)象在熱流密度越高時越明顯。潤滑油的存在使得流動沸騰得到強(qiáng)化，雖然熱流密度較高時，會使得表面張力增加，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換熱系數(shù)提高要小，使得換熱過程得到強(qiáng)化。

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

上述研究結(jié)果表明，冷卻液中存在潤滑油，會增大冷卻液流經(jīng)噴嘴過程中的阻力，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。

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