超声对无沸腾区浸液式喷雾冷却的影响研究

引 言

随着电子元器件集成度提高，传统散热方式无法解决高热通量的有效散热[1-2]。喷雾冷却具有工质与表面温差小、没有沸腾滞后性、可实现均匀的冷却壁面温度、工质需求量少等优点，在高热通量散热条件下具有广阔的应用前景[3-4]。

为保证电子元器件的可靠性和稳定性，热沉表面温度宜控制在85℃以下[5]，这将导致以水为代表的冷却工质在常压下仅能以无沸腾状态换热。其换热机制表现为：无沸腾区喷雾冷却时表面温度较低，在加热面上会形成一层液膜，液膜在喷雾冲击力作用下，不断向加热面的边缘移动，此时流体温度因吸热而升高[6]。由于液膜很薄，在喷雾击打下，边界层减薄，与常规强制对流换热相比喷雾强制对流换热能力更强[7]；无沸腾区同时存在薄液膜蒸发换热，在高热通量和低流量的情况下，薄液膜的蒸发换热作用显著[8]；随着喷雾流量增加，表面传热系数线性增加，无沸腾区喷雾液膜相对较厚，致使蒸发换热可以忽略[9]。

在喷雾冷却过程中，工质种类[10-11]、工质流量[12-13]、喷嘴类型[14-15]、表面粗糙度[16-17]等影响因素受到广泛关注。在无沸腾区换热中，Rybicki等[18]发现喷嘴的雾化特性可以通过改变液膜的形态和速度而影响喷雾冷却效果。吴正人等[19]通过仿真计算发现当压力增大时，液膜厚度在大体趋势上变薄，提高了喷雾换热能力。Pautsch等[20]采用全反射光学技术测量喷雾压力和液膜厚度的关系发现：喷雾压力增大，更高的液滴速度冲击液膜表面，液膜流速增加，液膜减薄，进而换热得到强化。谢宁宁等[21]研究发现对于压力旋流喷嘴，在一定范围内，喷雾流量和压力呈线性关系，调整喷雾压力和高度可改变喷嘴的雾化特性。Cheng等[22]测量压力旋流喷嘴的雾化特性发现：随着流量增大，液滴速度及主流区面积都有所增大，液滴直径和液滴数径向分布越均匀；随着喷雾高度增加，液滴直径和径向速度增加，液滴数减少，粒径、速度和液滴分布越趋于均匀。

对于无沸腾区密集流喷雾冷却，改变喷雾压力和喷雾高度是有效但单一的调节手段，即冷却性能进一步强化存在较大局限性。近年来，Wang等 [23]以水为工质开展了无沸腾区浸液式喷雾冷却实验研究，发现在较低热通量下，浸液式喷雾表面温度相比单纯的喷雾冷却下降了10.4%，传热系数提高了19.5%，即在同等条件下浸液式喷雾的散热效率更高。Patrick等[24]研究发现浸液式冷却能突破单相、两相冷却瓶颈，使得高功率电子元件能有效散热。

浸液工况为喷雾冷却性能的进一步提升提供了更多的可能性，浸液超声喷雾冷却即是一种有效途径。超声在液体中传播时，存在着声流和空化机制，有助于促进换热[25]。Wong等[26]研究发现，在低热通量条件下超声强化单相对流传热，超声声压低于空化阈值时，超声波对传热产生的影响可以忽略。Legay等[27]研究发现空化泡的破裂会引起附近液体的湍动和微扰，从而使得热边界层减薄，同时热沉表面附近的流体扰动还会增加汽泡脱离表面的频率，从而提高传热系数。张东伟等[28]研究表明超声空化核心的链式破裂具有减薄边界层、增强换热的效果。Kiani等[29]研究表明传热强化效果随声强增加，随超声换能器与加热段距离减小而增强；超声频率对换热效果影响很小[26]。Kim等[30]研究表明多个超声波换能器容易出现干涉，导致强化效果减弱；当液体经煮沸除去不凝性气体后，仅在加热表面产生局部空化，强化效果会相对减弱。总体上，超声强化倍率在1.18～6之间，个别文献甚至达到10[27]。

但是，高热通量下超声在喷雾冷却强化换热方面未见报道。喷雾特性有助于热沉表面附近形成大量二次成核点，在超声作用下成核点会形成空化泡且溃灭时在近壁面处产生喷注现象，同时超声在液体中传播时会形成声流，进一步提升液滴冲击热沉表面的速度，超声和喷雾冷却从机制上存在较高的契合度。为了获得无沸腾区浸液式超声喷雾冷却特性，本文设计并搭建了以H2O为冷却剂的闭式喷雾冷却实验平台，研究喷雾高度、喷射压力、热通量以及超声对浸液式喷雾冷却换热性能的影响。

1 实验系统

实验装置如图1（a）所示，闭式循环喷雾冷却实验台主要由五个部分组成，分别是喷雾腔、加热系统、供液系统、超声发生系统以及测控系统。其工作原理如图1（b）所示，工质在恒温水浴中冷却，降至设定温度后通过过滤器进入水泵加压，一部分工质由喷嘴喷射至加热表面，另一部分通过冷却盘管冷却浸液水温。换热结束后的工质流入恒温水浴中进行冷却，如此重复循环。

图1

图1   喷雾冷却系统

Fig.1   Spray cooling system