間歇式噴霧冷卻換熱性能研究進展

（上海理工大學 制冷技術研究所，上海 200093）

隨著電子元器件微型化和高度集成化迅速發(fā)展，電子元器件的發(fā)熱功率急劇增加，這些熱量如果不及時疏散出去，可能會降低系統(tǒng)的可靠性，導致設備的失效。噴霧冷卻技術是借助高壓氣體或者冷卻工質(zhì)自身的壓力通過噴嘴將冷卻工質(zhì)霧化成20～100 μm的微液滴，強制噴射到被冷卻物體熱表面，通過強制對流、液膜蒸發(fā)、核態(tài)沸騰以及二次核化等傳熱方式，帶走大量熱量，從而對散熱面進行有效冷卻的技術。噴霧冷卻因其優(yōu)良的散熱特性，已被廣泛應用于超級計算機的冷卻、高功率二極管激光器陣列、天基雷達和皮膚外科手術等[1-5]方面。

間歇式噴霧冷卻是在傳統(tǒng)式噴霧冷卻的基礎上，主要通過兩種形式實現(xiàn)間歇式噴霧冷卻[6-8]，一種是使用模糊邏輯控制噴射時間和噴射頻率；另一種方法是進行閉環(huán)反饋控制，溫度傳感器將實時表面溫度輸入到控制器中，控制器相應地開啟或關閉噴霧器，實現(xiàn)間歇式噴霧冷卻。間歇式噴霧冷卻相比傳統(tǒng)式噴霧冷卻，一個最大的優(yōu)點就是工質(zhì)能夠充分利用，讓工質(zhì)有足夠的時間發(fā)生相變，解決噴霧過程中因液膜厚度過大和蒸汽與液滴的逆向運動導致?lián)Q熱效率降低的問題，減少工質(zhì)不必要的浪費，可以實現(xiàn)更好的換熱效果。

針對間歇式噴霧冷卻的研究，國內(nèi)外有一些相關文獻發(fā)表，國內(nèi)學者們進行簡單的實驗研究了噴霧參數(shù)對間歇式噴霧冷卻換熱影響，主要停留在連續(xù)噴霧冷卻的換熱機理研究，國外對間歇式噴霧冷卻開展較多實驗研究，并具體分析一些影響因素及換熱特性和換熱機理，鑒于間歇式噴霧冷卻的影響因素很多，本文基于國內(nèi)外學者的理論和實驗研究為基礎，從工質(zhì)類型、噴霧參數(shù)和表面特征的角度，結(jié)合占空比、頻率及噴霧周期，綜述了這些因素對間歇式噴霧冷卻換熱的影響，并闡述換熱機理和換熱特性，為今后的研究指明了方向。

1 工質(zhì)類型對間歇式噴霧冷卻換熱影響

在噴霧冷卻實驗過程中，許多液體都用來作為冷卻工質(zhì)，如納米流體、制冷劑和含有表面活性劑的溶液等。冷卻工質(zhì)類型的不同，它們的化學性質(zhì)和物理性質(zhì)也會有差異，如揮發(fā)性、沸點、導熱系數(shù)、表面張力和固液接觸角等等[9]，因此對噴霧冷卻的換熱效率也會有所差異。在改變冷卻工質(zhì)類型的相關研究中，大家所期待的是能夠?qū)ふ乙环N冷卻工質(zhì)，能夠極大地提高噴霧冷卻的散熱效率，同時也要符合節(jié)能環(huán)保的主題，用量少、污染低、散熱高，對電子元器件不會造成損害。為了實現(xiàn)這個想法，一些學者采用間歇式噴霧冷卻，通過改變工質(zhì)類型，研究間歇式噴霧冷卻的換熱性能及其影響。

Zhou等[10]研究了不同制冷劑對間歇式噴霧冷卻的噴霧特性和換熱機理影響，使用三種揮發(fā)性的制冷劑（R134a，R407C和R404A）。研究發(fā)現(xiàn)R404A噴霧產(chǎn)生最窄的噴霧寬度和最小冷卻點，具有控制冷卻面積的優(yōu)勢。它也產(chǎn)生最小的液滴直徑和最大的液滴速度，而R134a噴霧產(chǎn)生最大的直徑和最小的速度，R404A產(chǎn)生最大的液滴下降速率和最低的噴霧溫度，原因是其R404A 最高的揮發(fā)性和最低的飽和溫度。然而，在下降過程中，研究發(fā)現(xiàn)無量綱噴霧溫度是自相似的，與制冷劑無關，可以用指數(shù)方程來描述，其表達式如下所示：

式中：Td是液滴平均溫度(℃)；Td.min是液滴最小溫度(℃)；Tsat標準大氣壓下的飽和溫度(℃)；z是軸向距離(mm)；d是噴嘴內(nèi)徑(mm)。

Panao等[11]使用HFE—7100和丙酮作為冷卻工質(zhì)，用于間歇式噴霧冷卻的換熱研究，流體的熱物理性質(zhì)如表1所示。

表1 流體熱物理性質(zhì)Tab.1 Thermophysical properties of fluids

對HFE—7100和丙酮分別作為冷卻工質(zhì)進行換熱實驗研究，從不可逆性比的角度定量分析：

式中：Sgen,△m為蒸發(fā)質(zhì)量流量（W…(m…K)–2）；Sgen,qw為噴射表面熱流量（W…(m…K)–2）；φ為不可逆性比。

發(fā)現(xiàn)丙酮壁面熱流產(chǎn)生不可逆性比HFE—7100壁面熱流產(chǎn)生不可逆性更明顯，該現(xiàn)象與工質(zhì)的蒸發(fā)潛熱有關，丙酮的汽化熱比HFE—7100大79%左右。同時不可逆性分布比有助于解釋這些流體之間的差異。從能量和?效率的聯(lián)合分析表明HFE—7100和丙醇在能量效率方面與占空比有相似的作用，但丙酮對?的破壞最小。不可逆性分配比例見圖1所示，縱坐標φ為不可逆性比，橫坐標DC(%)為占空比，不管占空比如何，丙酮得到的不可逆性比值都在1以下，這表明由蒸發(fā)潛熱產(chǎn)生的不可逆性比壁面熱流產(chǎn)生的影響更小。

圖1 HFE—7100和丙酮的不可逆性分配比例Fig.1 Irreversible distribution ratio of HFE—7100 and acetone

值得注意的是，工質(zhì)越能促進相變，意味著冷卻潛力也就越好，相變能力與換熱潛力呈正相關，說明在間歇式噴霧冷卻系統(tǒng)的設計中工質(zhì)蒸發(fā)潛熱起著重要作用。

Sivanand等[12]使用液氮在不同溫區(qū)進行了間歇性噴霧冷卻換熱實驗研究。液氮是一種惰性、無色、無腐蝕性、不可燃、溫度極低的液體，液氮易獲得，價格低廉，因其無毒，可以在開式裝置中使用，當冷卻表面溫度很低時（70～100 K），也能用液氮作噴霧工質(zhì)來降低表面溫度。實驗發(fā)現(xiàn)使用液氮為冷卻工質(zhì)，能夠很快消除熱表面溫度分布不均勻的情況，當表面溫差越明顯時，越易達到臨界熱流密度,平均傳熱系數(shù)也越大。

Karpov等[13]對垂直表面進行多噴嘴脈沖式噴霧冷卻進行了換熱實驗研究。水的汽化潛熱比乙醇要大，純水的傳熱強度卻明顯低于純乙醇，且水和乙醇的逸度和相變熱也不同。使用乙醇水二元混合溶液作為冷卻工質(zhì)實驗發(fā)現(xiàn)，合適濃度的乙醇水混合溶液能夠增加臨界熱流密度，不同逸度和相變熱的乙醇水溶液能實現(xiàn)不同的熱交換，顯著地增加蒸發(fā)率，使換熱能力大幅度提高。脈沖噴霧冷卻的換熱效率隨著乙醇濃度的增加和噴霧的脈沖持續(xù)時間的減小而增大，當?shù)竭_一定濃度時，再增加溶液濃度，換熱系數(shù)不增反降，說明存在最佳濃度和周期時間。不同溶液的最佳值不一樣，需要進一步的實驗研究，以便于實際的應用。

通過總結(jié)學者們的研究了解到，在間歇式噴霧冷卻中，使用不同的冷卻工質(zhì)就是為了滿足大功率電子元件散熱要求，讓整個冷卻系統(tǒng)具有良好、穩(wěn)定的換熱冷卻能力，不同的冷卻工質(zhì)在熱流密度、表面的蒸發(fā)潛熱和表面溫區(qū)的表現(xiàn)有差異。一般而言，冷卻工質(zhì)的相變能力越大，冷卻潛力也就越大，冷卻工質(zhì)的物理和化學性質(zhì)差異，確實能夠直接影響間歇式噴霧冷卻液滴特征，從而間接性影響換熱特性。從目前對間歇式噴霧冷卻換熱性能研究中，發(fā)現(xiàn)冷卻工質(zhì)類型還是比較少的，對表面活性劑，混合不同冷卻工質(zhì)的研究欠缺。今后可以增加這方面研究。

2 噴霧參數(shù)對間歇式噴霧冷卻換熱影響

在間歇式噴霧冷卻的換熱研究過程中，噴霧參數(shù)包括噴霧高度、噴霧壓力、噴嘴直徑、噴霧傾角及流量等等[14]也會對換熱效率產(chǎn)生重要的影響，雖然在噴霧冷卻中做了大量相關的研究，但在間歇式噴霧冷卻中，相關的研究還是有限，為了尋求最佳的匹配方式，使對電子元件的冷卻效率達到最大化，筆者先以現(xiàn)有的研究，結(jié)合間歇式噴霧冷卻特點，總結(jié)噴霧參數(shù)在系統(tǒng)的具體影響和換熱特性。

周華琴[15]進行脈沖式噴霧冷卻實驗研究發(fā)現(xiàn)，壓力為0.46 MPa，噴頭距加熱表面為60 mm，噴射周期50 ms工況下的，最佳占空比為0.65的脈沖噴霧冷卻比連續(xù)噴霧冷卻換熱系數(shù)提高 10%。壓力為0.50 MPa，同樣的噴射周期和噴霧高度下，最佳占空比0.67的脈沖式噴霧冷卻比連續(xù)噴霧冷卻換熱系數(shù)提高了4%。對比分析可知0.46 MPa下的脈沖噴霧冷卻效果和換熱系數(shù)明顯優(yōu)于0.5 MPa下的，而且前者的最佳占空比也小于后者，產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因為0.46 MPa下噴霧的流量較0.5 MPa的下降了，相應停噴時刻的液膜的厚度也變薄了，換熱增強了，這一結(jié)果與Meingast等[16-17]實驗研究得出的結(jié)論相似。噴射壓力、流量對間歇式噴霧冷卻換熱效果比連續(xù)式噴霧冷卻影響較大。

Sivanand等[18]進行封閉式間歇式噴霧冷卻實驗研究，噴射壓力分別為0.2，0.4及0.6 MPa，在0.2 MPa時，噴霧密度較低，類似于平坦的噴霧，在0.4 MPa時，由于不穩(wěn)定性，噴霧不能保持圓錐形狀，中心部分液滴分布比較密集，當壓力達到0.6 MPa時，噴霧變成真正的圓錐形，并且中心部分液滴分布非常小。在設置相同噴射溫度時，隨著噴射壓力的增大，液滴越小，表面熱流密度也越大。

Zhou等[19]將脈沖噴霧冷卻用于激光手術中進行實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)噴射距離對間歇式噴霧冷卻有很大影響，研究了10，30，50及70 mm的噴射距離，發(fā)現(xiàn)冷卻到相同溫度下，噴射距離越大，所需要的脈沖時間越久，噴淋寬度越顯著，液滴分布也越均勻。模擬熱源表面冷卻速率表明，液滴大小和速度隨噴霧距離變化而變化，與噴霧距離相比，噴霧持續(xù)時間對冷卻性能影響不大。也發(fā)現(xiàn)在冷卻前期，噴射距離越大，冷卻效率也越大，后期由于形成液膜層，傳熱效率主要受熱傳導影響。

Wang等[20]在不同的噴霧距離和背壓下進行脈沖式換熱特性研究，發(fā)現(xiàn)降低壓力總能降低最小表面溫度（＞50 ℃），當噴射距離較短，為5 mm噴射時，能顯著提高最大熱流密度約1.9倍，在噴射距離較長，超過20 mm時，最小表面溫度減少。當壓力超過20 kPa，最大熱流密度先增加然后持續(xù)降低；當壓力低于20 kPa時，最小表面溫度增加，造成最大熱流密度急劇減少。因此，為了獲得低的最小表面溫度和高的最大熱流密度，應該使用合適的噴霧高度和壓力。

Panao等[21]研究了具有間歇式多噴嘴噴霧冷卻的高能電子熱管理，研究發(fā)現(xiàn)，縮短連續(xù)噴霧冷卻持續(xù)時間，可以更好地分配質(zhì)量流率，從而產(chǎn)生更大的傳熱系數(shù)以及更高的冷卻效率，質(zhì)量流量主要受熱傳遞的影響，而不是因多噴嘴配置引起的差異，同時間歇式噴霧冷卻有更多的相變對流換熱。

噴霧參數(shù)對間歇式噴霧冷卻的換熱起著重要的作用，有些情況下，甚至超過占空比、周期對噴霧冷卻換熱的影響。不管在間歇式噴霧冷卻還是傳統(tǒng)噴霧冷卻過程中，噴嘴到熱表面距離都不能太大和太小，只有最優(yōu)的距離，才會出現(xiàn)極高的熱流和傳熱系數(shù)，達到最佳的散熱。噴射壓力也是與系統(tǒng)匹配的才行。噴射壓力與流量有密切聯(lián)系，在間歇式噴霧冷卻中，噴射壓力越大，同樣噴嘴的條件下，流量也越大，液膜也越來越厚，越不利于換熱，然而一些學者持相反意見，認為壓力越大，液滴密度越小，越有利于換熱，因此需要更多的實驗驗證。鑒于目前的研究關于噴霧參數(shù)對間歇式噴霧冷卻并不是特別多，如噴霧傾角、噴嘴結(jié)構(gòu)等，而且目前研究的范圍很小，今后可以進一步展開研究。

3 表面特征對間歇式噴霧冷卻換熱性能研究

表面特征對于噴霧冷卻的換熱極其重要,噴霧冷卻的目的就是促進表面散熱，降低表面溫度，防止電子元器件因過熱而導致失效[22]，熱表面特征包括初始表面溫度和表面結(jié)構(gòu)，在間歇式噴霧冷卻研究中，現(xiàn)有的文獻沒有關于表面結(jié)構(gòu)對噴霧冷卻換熱影響，因此，本文集中總結(jié)冷卻表面初始溫度對間歇式噴霧冷卻的換熱情況，結(jié)合占空比、周期及頻率更進一步分析間歇式噴霧冷卻換熱性能及機理。

Panao等[23]研究了脈沖噴霧冷卻的熱流體特性，發(fā)現(xiàn)當霧滴沖擊到表面上時，在濕潤條件下，壁面溫度減小，傳熱系數(shù)增加，當溫度升高到萊頓弗羅斯特區(qū)時，隨著溫度的升高，傳熱系數(shù)減少，清楚地表明其依賴于在沖擊時噴霧液滴所經(jīng)歷的熱傳遞狀態(tài)，與Aguilla等[24]觀察到的結(jié)果相似。

劉媛[25]進行間歇式噴霧冷卻高熱流表面機理研究，首先將銅柱溫度加熱到150 ℃，然后開始噴水，在噴水的過程中，由于銅柱表面的換熱方式由空氣換熱轉(zhuǎn)變?yōu)橄嘧儞Q熱，以及液滴沖擊加熱表面后形成熱阻，汽化核心的生成等諸多因素的影響，熱流密度急劇波動，很快，熱流密度基本穩(wěn)定在一定的值，隨后緩慢攀升，最終又穩(wěn)定在一個值，達到平衡。說明當初始表面溫度高于冷卻工質(zhì)沸點時，會急劇發(fā)生相變，增加換熱能力。其次通過對數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)當采用間歇式噴霧冷卻時，當半周期為100 ms和150 ms的間歇式噴霧冷卻，比采用連續(xù)性噴霧冷卻的效果好，能使加熱表面的溫度降到更低，平均傳熱系數(shù)更高。采用半周期為200 ms的間歇式噴霧冷卻，可以將表面溫度降低到 122.2 ℃，與連續(xù)噴霧冷卻溫度相似，但是，采用連續(xù)性噴霧冷卻時，耗水量是采用間歇性噴霧冷卻的一倍，張震[26]同樣得出類似的結(jié)論。

Sivanand等[27]對間歇式噴霧冷卻在單相區(qū)和兩相區(qū)進行對比實驗研究，在0.2 MPa的壓力下，表面溫度在85 ℃水膜有明顯的蒸發(fā)，傳熱系數(shù)值開始快速增加。然而，在0.4 MPa和0.5 MPa時，流量較高，需要較高的壁溫（＞90 ℃）來啟動這種高蒸發(fā)速率狀態(tài)，表面溫度（在各種設定點或操作條件下）決定了表面液滴薄膜的蒸發(fā)量。在較高的表面溫度下工質(zhì)越易蒸發(fā)，表面溫度決定了壁面過熱度，這是決定沸騰傳熱系數(shù)的重要參數(shù)。也注意到，當表面溫度達到水的沸點時，間歇噴射效率顯著增加。在 80～100 ℃的區(qū)域由于冷卻劑顯著的相變，溫度的波動隨熱流和表面溫度的升高而增加。最后發(fā)現(xiàn)，接近冷卻劑的沸點，具有中等熱通量的較高表面溫度的情況可促進相變，并保持表面溫度幅度最小，并且最適合于間歇噴霧。

表面的換熱情況比較復雜，在總結(jié)表面特性的過程中，發(fā)現(xiàn)表面溫度達到萊頓弗羅斯特區(qū)時，隨著溫度的升高，傳熱系數(shù)減少。當表面溫度比較高時，工質(zhì)噴到熱表面越容易蒸發(fā)。表面溫度決定了表面的過熱度，這個決定了沸騰傳熱系數(shù)的重要參數(shù)；初始表面溫度接近冷卻工質(zhì)的沸點時，噴射的工質(zhì)會立即發(fā)生相變，增加傳熱能力。關于熱表面特征需要進一步實驗研究，弄清楚具體的換熱機理，為提高間歇式噴霧冷卻換熱提供一個理論依據(jù)，使冷卻工質(zhì)與初始表面特征達到一個合理的匹配，增加間歇式噴霧換熱性能，節(jié)約能耗，同時關于熱表面結(jié)構(gòu)在間歇式噴霧冷卻中從未涉及到，接下來的研究可以往這個方向進行。

4 總結(jié)

間歇式噴霧冷卻是一種高效、節(jié)能的新型散熱技術，本文基于國內(nèi)外學者研究成果，從冷卻工質(zhì)類型、噴霧參數(shù)及表面特征三個方面綜述了間歇式噴霧冷卻換熱性能，并結(jié)合占空比、噴射周期和頻率分析間歇式噴霧冷卻與傳統(tǒng)噴霧冷卻的換熱性能差異，得出以下結(jié)論并指出以后需要研究的方向。

（1）間歇式噴霧冷卻與連續(xù)噴霧冷卻相比，能夠充分利用冷卻工質(zhì)，降低液膜厚度，增加換熱效率。

（2）冷卻工質(zhì)的熱物理性直接影響間歇式噴霧冷卻液滴特征及相變潛熱，工質(zhì)的相變能力越大，意味著冷卻潛力越好；工質(zhì)的沸點決定了相變的初始點。

（3）目前對間歇式噴霧冷卻換熱性能實驗研究中，對溶液里添加表面活性劑，混合不同冷卻工質(zhì)的研究欠缺，今后可以增加這方面的研究。

（4）噴霧參數(shù)對間歇式噴霧冷卻的換熱起著重要的作用，有些情況下甚至超過占空比、周期對間歇式噴霧冷卻換熱的影響。目前研究的噴霧參數(shù)都存在最佳值，而且研究比較單一，今后可以循環(huán)漸進研究這些變量，同時展開噴霧傾角對間歇式噴霧冷卻實驗也是未來的需要研究的方向。

（5）熱表面特性對間歇式噴霧冷卻換熱影響比較復雜，初始表面溫度與冷卻工質(zhì)的沸點越接近，相變傳熱越容易發(fā)生。同時，關于熱表面結(jié)構(gòu)對間歇式噴霧冷卻換熱影響從未涉及，如多孔結(jié)構(gòu)、表面粗糙度及微肋結(jié)構(gòu)，需要相關實驗進行研究，使之達到最佳的散熱效果。

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