本文關鍵詞：緊湊型噴霧冷卻系統(tǒng)強化換熱的研究　出處：《中國科學技術大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：電子元器件的功率密度逐年增長,隨之而來的熱量堆積和溫度增高必然會影響電子設備的穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命。因此,如何在有限的空間中實現(xiàn)高效散熱已經(jīng)成為高性能、高集成電子器件發(fā)展的瓶頸。噴霧冷卻是一種新興、高效的散熱方式,相較于傳統(tǒng)熱控方法,具有散熱能力強、控溫響應快、接觸熱阻小、流量需求少和過熱度低等優(yōu)點,在電子元器件熱控方面具有廣闊的應用前景。本文重點研究實用化的緊湊型噴霧冷卻系統(tǒng),進而分析噴霧冷卻在緊湊系統(tǒng)中的換熱特性和影響參數(shù),并探索適用于緊湊噴霧冷卻系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定的換熱強化方法。首先,本文對緊湊型噴霧冷卻系統(tǒng)的核心部件——霧化噴嘴的緊湊化和陣列化進行了研究。針對緊湊型噴霧冷卻系統(tǒng)的特點,提出了一種新型緊湊霧化噴嘴的設計方案,并對該新型噴嘴的霧化特性展開了實驗研究,分析噴嘴的噴霧錐結構、優(yōu)化噴霧場液滴分布等參數(shù)。研究結果表明,該噴嘴可以滿足緊湊型噴霧冷卻系統(tǒng)對噴霧特性的要求。以該新型噴嘴為基礎,根據(jù)不同應用系統(tǒng)與使用環(huán)境的特點,研制出相應的緊湊型噴嘴陣列,包括適用于較大面積熱源的板式多噴嘴陣列、適用于大熱流的環(huán)狀多噴嘴陣列和適用于分散熱源的線性多噴嘴陣列。該部分研究為緊湊腔體與集成系統(tǒng)的研究提供基礎。利用板式多噴嘴陣列,建立了針對計算機芯片的緊湊型噴霧冷卻系統(tǒng),并對其換熱特性進行了系統(tǒng)研究。該系統(tǒng)采用板式多噴嘴陣列構成厚26mm的緊湊型噴霧腔體,以實現(xiàn)冷卻30mm×30mm方形模擬芯片的發(fā)熱表面。研究結果表明,利用該系統(tǒng)可以在噴霧冷卻單相階段實現(xiàn)高于90W/cm2的散熱能力,被冷卻表面的溫度不均勻性隨著表面熱流的升高而升高,提高體積流量對散熱熱流提高顯著,而噴霧高度存在最佳范圍。利用環(huán)狀多噴嘴陣列,建立了模擬反應堆中子靶的超高功率噴霧冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用環(huán)狀多噴嘴陣列組成的大型扁薄腔體,冷卻內(nèi)徑450mm、外徑470mm的環(huán)狀熱源。通過優(yōu)化多噴嘴陣列排布和點熱源面分散方式,在發(fā)熱表面低于140℃的條件下,成功實現(xiàn)了 80kW的大功率熱源的冷卻,滿足大熱流中子靶的冷卻要求。該研究結果也表明,緊湊型噴霧冷卻系統(tǒng)不僅可以用于電子元器件等功率相對較低的場合的散熱,也可以實現(xiàn)高功率、大面積熱源的散熱。在緊湊噴嘴和緊湊腔體研究的基礎上,建立了針對插件式集成機箱的緊湊式噴霧冷卻系統(tǒng),并對該系統(tǒng)的換熱特性和換熱強化展開了系統(tǒng)研究。在該系統(tǒng)中,利用實驗方法研究流量、噴霧傾斜角和表面結構等因素對HFE7100、PF5060這兩種工質(zhì)的換熱及其強化特性的影響。實驗結果表明,PF5060和HFE7100作為工質(zhì)獲得的最大熱流分別為79.1W/cm2和81.6W/cm2;流量顯著影響換熱,而溫度不平衡性主要與流量和流阻相關;噴霧瞬態(tài)冷卻響應迅速,傾斜角影響響應的時間;脈沖加熱時,溫度平衡迅速,平衡時間受表面熱流影響;采用合理的傾斜角能夠提高系統(tǒng)的換熱性能,實驗條件下,采用75°傾斜角可以獲得最佳的散熱效果,其原因在于在該傾斜角下,噴霧冷卻的工質(zhì)利用率和流體管理都得以改善;采用強化表面同樣能提高散熱熱流,實驗條件下,直肋表面強化特性優(yōu)于混合肋和方針肋表面,其原因在于強化表面能夠增加接觸面積、延長接觸時間、改善液膜流動。最后,為了分析該系統(tǒng)的實用性和適用性,本文提出針對噴霧冷卻系統(tǒng)的綜合評估方法。為了進一步探索緊湊空間中高效、穩(wěn)定的換熱強化方法,本文在完成噴霧冷卻系統(tǒng)緊湊化的基礎上,研究了高醇類表面活性劑對噴霧冷卻換熱的影響。本文選用正庚醇(1-heptanol)、正辛醇(1-octanol)、異辛醇(isooctanol)和正癸醇(n-decanol)等四種高醇類表面活性劑,研究結果表明,表面活性劑對噴霧冷卻瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)換熱都具有明顯的增強作用。在瞬態(tài)換熱中,可以使表面溫度在極短時間內(nèi)下降得更加明顯,并達到更高的瞬態(tài)熱流;在穩(wěn)態(tài)換熱中,表面活性劑對兩相階段的換熱強化更為明顯。研究同時發(fā)現(xiàn),表面活性劑對噴霧冷卻換熱的強化存在最佳的濃度,正庚醇與正辛醇在質(zhì)量濃度為0.3‰時強化效果最好,而異辛醇和正癸醇的最佳強化濃度分別為0.5‰和0.1‰。由于高醇類表面活性劑相對于傳統(tǒng)的離子型添加劑具有添加量少、無腐蝕、不結晶、不易堵塞等優(yōu)點,該研究結果對噴霧冷卻的實用化和換熱強化具有重要意義。最后從工質(zhì)物性方面研究了高醇類表面活性劑對噴霧特性的影響,并進一步分析了表面活性劑對噴霧冷卻換熱的強化機理。利用實驗方法研究了表面活性劑的濃度與飽和蒸汽壓、表面張力、接觸角和動力粘度等各項物性之間的關系,得到相應關系式;同時分析了表面活性劑對噴霧錐結構和液滴參數(shù)的影響。研究結果表明,表面活性劑降低了溶液蒸汽壓,但是低溫下變化不明顯;表面張力受表面活性劑濃度影響明顯,符合特勞貝準則,而接觸角的變化趨勢與之相似;動力粘度隨活性劑種類和濃度變化均不明顯。同時通過PDA測試發(fā)現(xiàn),表面活性劑對液滴數(shù)目影響明顯,包括噴霧錐的卷吸區(qū)擴大、主流區(qū)外移;對噴霧主流區(qū)張角沒有明顯影響;液滴直徑在中心區(qū)域減小,在邊緣區(qū)域局部增大;加入活性劑后液滴速度的變化不明顯。結合物性關系式,實驗得出了預測液滴直徑和液滴速度的關聯(lián)式,并根據(jù)該關聯(lián)式分析了表面活性劑在噴霧冷卻換熱中強化的機理。
[Abstract]:The power density of electronic components increases year by year, and the consequent heat accumulation and temperature increase will inevitably affect the stability, reliability and service life of electronic devices. Therefore, how to achieve efficient heat dissipation in limited space has become a bottleneck for the development of high performance and high integrated electronic devices. Spray cooling is a new and efficient way of heat dissipation. Compared with the traditional thermal control method, spray cooling has the advantages of strong heat dissipation, fast response to temperature control, little contact heat resistance, less flow demand and low superheat. It has broad application prospects in the field of electronic components thermal control. This paper focuses on the research of a practical compact spray cooling system, and then analyzes the heat transfer characteristics and influencing parameters of spray cooling in compact system, and explores an effective and stable heat transfer enhancement method suitable for compact spray cooling system. First, the compactness and array of atomization nozzles, the core components of the compact spray cooling system, are studied in this paper. Aiming at the characteristics of the compact spray cooling system, a new compact atomizing nozzle design is put forward, and the atomization characteristics of the new nozzle are studied experimentally. The spray cone structure and the droplet distribution of spray nozzle are analyzed. The results show that the nozzle can meet the requirements for the spray characteristics of the compact spray cooling system. Based on the new type of nozzle, according to the different characteristics of the application system and the use of the environment, developed a compact array of nozzles corresponding, including plate for large area heat source multi nozzle array, suitable for high heat flux annular multi nozzle array and is suitable for the heat supply line of multi nozzle array. This part of the study provides a basis for the research of compact cavity and integrated system. A compact spray cooling system for computer chips is established by using a plate type multi nozzle array, and the heat transfer characteristics of the system are systematically studied. The system uses a plate type multi nozzle array to form a compact spray cavity with thick 26mm, in order to achieve the heating surface of the cooling 30mm x 30mm square analog chip. The results show that the system can realize the cooling capacity is higher than that of 90W/cm2 in spray cooling by cooling the surface of the single stage, the nonuniformity of temperature increases with the increase of surface heat flux, volume flow on heat transfer is significantly improved, and the best range of spray height. A super high power spray cooling system for the neutron target of a simulated reactor is established by using a circular multi nozzle array. A large flat and thin cavity composed of annular multi nozzle array is used to cool the annular heat source with the inner diameter of 450mm and the outer diameter of 470mm. By optimizing the layout of multi nozzle array and dispersing the point heat source surface, the cooling of the high-power heat source of 80kW is successfully realized under the condition that the heating surface is less than 140 degrees, so that the cooling requirement of the large heat flux neutron target can be satisfied. The research results also show that compact spray cooling system can not only be used for heat dissipation of relatively low power such as electronic components, but also can achieve high power and large area heat dissipation. Based on the research of compact nozzle and compact cavity, a compact spray cooling system for plug-in integrated chassis is established, and the heat transfer characteristics and heat transfer enhancement of the system are systematically studied. In this system, the influence of flow rate, spray angle and surface structure on heat transfer and enhancement characteristics of HFE7100 and PF5060 two kinds of working fluids is studied by experimental method. The experimental results show that the maximum heat flux of PF5060 and HFE7100 as working fluids obtained were 79.1W/cm2 and 81.6W/cm2; traffic significantly affect the heat and temperature imbalance and main flow and flow resistance; spray cooling transient response speed, inclination angle response time; pulse heating, temperature balance rapidly, balance time the effect of surface heat flux; reasonable tilt angle can improve the heat transfer performance of the system, under the experimental conditions, using the 75 degree angle can obtain the best cooling effect. The reason lies in the tilt angle, the utilization rate of working fluid and fluid management of spray cooling can be improved; the reinforcement can also increase the heat transfer surface under the experimental conditions, straight rib surface strengthening rib and rib characteristics are better than the mixed policy surface, the reason is that the surface strengthening can increase the contact area and prolonging contact time, improve the film flow. Finally, in order to analyze the practicability and applicability of the system, a comprehensive evaluation method for spray cooling system is proposed in this paper. In order to further explore the efficient and stable heat transfer enhancement method in compact space, based on the completion of the compact spray cooling system, the effect of high alcohol surfactant on spray cooling heat transfer is studied. This paper selects n-heptanol (1-heptanol) and octanol (1-octanol), 2-ethyl-hexanol (isooctanol) and n-decanol (n-decanol) and other four kinds of high alcohol surfactants, the results show that the surfactant to the spray cooling transient and steady-state heat transfer has made obvious enhancement. In the transient heat transfer, the surface temperature will decrease more obviously in a very short time and achieve higher transient heat flow. In steady state heat transfer, the heat transfer enhancement of the surfactant on the two-phase phase is more obvious. The study also found that the surfactants on spray cooling heat transfer enhancement of the existence of the best concentration, n-heptanol and n-octanol at the concentration of 0.3 per 1000 strengthening effect is the best, the best strengthening concentration varies of octanol and decanol was 0.5 per thousand and 0.1 per thousand. Due to the advantages of high alcohol surfactants, such as less amount, no corrosion, no crystallization and no blockage, compared with the traditional ionic additives, the research results are of great significance for the practical application and heat transfer enhancement of spray cooling. Finally, the effect of high alcohols surfactants on the spray characteristics was studied, and the surface active agent was further analyzed.
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TK124;TK172

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