壓電泵驅動閉式水冷回路實驗研究

衛鈴佼，趙雅楠，梁驚濤

(中國科學院 理化技術研究所 空間功熱轉換技術重點實驗室, 北京 100190)

0 引言

1965年,美國學者Charles[1]提出壓電泵具有高效，體積小及無旋轉部件等優點。針對壓電泵的研究主要包括探索新結構，并利用新材料、新工藝研制出更緊湊、更精密、更可靠的壓電泵結構[2-5]。

2002年，日立向市場推出采用配備壓電泵的液體制冷冷卻系統的筆記本電腦后[6]，壓電泵在電子器件散熱領域及緊湊型液冷系統開始獲得一定的關注和研究。趙艷龍[7]制作的單腔雙振子壓電泵輸出流量達560 mL/min，輸出壓力達26 kPa。2008年，H.K. Ma等[8]將設計流量為2.35 mL/s的壓電泵應用于水冷系統，在30 W的傳輸熱量下，開放與閉式回路的液冷系統熱阻分別為0.27 ℃/W和0.45 ℃/W。H.K. Ma等[9]將壓電泵輸出流量提高到4.2 mL/s，在45 W傳輸熱量下，開放與閉式回路的傳輸熱阻分別為0.152 ℃/W和0.348 ℃/W。2016年，田浩等[10]將壓電泵技術應用于數據中心服務器散熱，有效提高了室內空間利用率，降低了建設和應用成本。陳松等[11]研究了不同壓電泵組合方式驅動芯片水冷系統，在并聯組合四泵工作時獲得了最大流量。以上研究都是針對壓電泵驅動水冷環路傳熱性能，正常工作時環路內工質為純液相水。但在一些特殊應用場合，如冷卻段冷量較足，會造成閉式回路內工質過冷，回路內出現水蒸氣。由于泵腔內存在的氣泡會影響壓電泵工作性能[12]，傳熱回路的啟動和穩態運行性能會受到一定影響。為了定量研究水蒸氣含量對壓電泵驅動閉式回路傳熱性能的影響，本文將采用實驗方法研究在不同充液率下壓電泵驅動閉式水冷回路的啟動及穩態運行工作性能。

1 雙腔串聯有閥壓電泵

為了給傳熱回路提供較大的驅動壓力和泵送流量，本文研制了一個雙腔串聯有閥壓電泵，如圖1所示。除壓電晶體材料外，泵蓋、泵體、閥片都是金屬材料制作。壓電振子由壓電晶體和振子基片組成，兩者用導電環氧樹脂膠粘接。為了避免金屬基片與泵體接觸造成短路，在基片泵腔一側貼有絕緣膠。壓電晶體直徑為37 mm，厚為0.3 mm；振子基片直徑為41 mm，厚為0.3 mm。雙腔串聯壓電泵結構有上、下2個泵腔，因此，需要2個壓電振子。單向閥片采用輪式閥片結構，如圖2所示，閥片外徑為10 mm，厚僅0.1 mm。閥片采用鈹青銅材料制作，鈹青銅具有很高的硬度、彈性極限、疲勞極限和耐磨性，非常適合用來加工閥片。

圖1 雙腔串聯壓電泵組裝圖

圖2 閥片結構圖

圖3為雙腔串聯壓電泵工作原理圖。壓電振子、泵體和單向閥片組成一個密閉腔體。壓電振子在交流電壓下周期性上下振動，引起泵腔內壓力發生變化，從而導致截止閥片周期性開啟和關閉。上、下兩個壓電振子驅動電壓相位差為180°，一個泵腔變大的同時另一個泵腔變小。在壓電振子和截止閥片共同作用下，流體不斷被吸入和壓出泵腔。因此，液體在泵體內流動的過程中不經過任何旋轉部件，流動阻力較小。

圖3 雙腔串聯壓電泵工作原理圖

壓電泵能給閉式傳熱回路提供工質循環流動的驅動力，其工作能力影響了回路內工質流動速度，也決定了環路系統的傳熱性能。利用實驗方法測試了研制的雙腔串聯壓電泵的工作性能，工質采用去離子水，其泵送能力如圖4所示。隨著壓電振子的驅動電壓從70 V增加到150 V，壓電泵的泵送能力逐漸增大。在150 V驅動電壓下，泵水流量達到330 mL/min。

圖4 壓電泵泵水流量隨驅動電壓變化圖

2 壓電泵驅動閉式回路傳熱性能實驗

圖5為壓電泵驅動閉式回路傳熱性能整體實驗系統。實驗系統主要包括壓電泵驅動閉式傳熱回路、壓電泵驅動系統、加熱系統、控溫水冷系統、真空系統、工質充裝系統及溫度和壓力采集系統。工質充裝法是先對環路內部抽真空，然后再充入液體工質，該實驗中采用去離子水作為工作介質。壓力傳感器量程為0～2.5×105Pa，測量精度為1 kPa。實驗過程中壓電泵驅動電壓從70 V逐漸增加到150 V，驅動頻率為50 Hz。熱端加熱功率從60 W增加到100 W。因為傳熱回路與水冷塊接觸面積比較小，為了充分散熱，控溫水冷機組出口水溫度控制在(10±0.5) ℃，環境溫度溫控制在(25±1) ℃。在計算充液率時，以水溫10 ℃為標準計算充液率。溫度測量采用標準K型熱電偶，測點布置(見圖6)分別位于微通道換熱器的進口溫度(T1)、出口溫度(T2)和微通道換熱器表面溫度(T3)。

圖5 傳熱實驗系統圖

圖6 壓電泵驅動閉式回路傳熱系統實物圖

圖6中，回路結構主要包括雙腔串聯壓電泵、壓力傳感器、熱端加熱結構、冷端水冷結構、充液口及連接管路。圖7為熱端加熱塊結構。加熱塊內工質流動通道為一排并列的圓形通道，孔徑為1 mm。為了給微通道換熱器表面提供大于100 W/cm2的加熱條件，在加熱塊上設計立柱結構(10 mm×10 mm×15 mm)。將4個1 cm(長)×1 cm(寬)×0.1 cm(厚)陶瓷加熱片分別貼在立柱四面，并涂抹導熱硅脂減小接觸熱阻，最高加熱功率可達120 W。在閉式回路安裝加熱塊時，將立柱朝下安裝，減小自然對流引起的漏熱。冷卻段采用控溫循環水冷方式進行冷卻。換熱器、水冷塊及連接管路都采用紫銅材料加工。整個環路長為43 cm，寬為15 cm，內部流通截面直徑為3 mm。各部件連接完成后，通過負壓檢驗方式保證系統密封性。加熱片與熱電偶安裝好后，整體環路采用保溫棉做好絕熱，減小系統與環境之間的漏熱。

圖7 熱端加熱塊結構

3 實驗結論分析

3.1 壓電泵啟動性能

在實驗開始階段，首先研究充液率對壓電泵啟動性能的影響。當回路真空度達到要求后，逐漸給環路充入工質。圖8為環路內壓力變化。充液率計算標準是以實驗環境溫度25 ℃為標準進行計算。由圖可看出，環路內壓力開始增加很緩慢。但當充液率超過0.890后，壓力會從20 kPa逐漸增大到標壓101 kPa。

圖8 環路內壓力隨充液率變化

在逐漸增大環路內充液率的過程中，測試壓電泵的啟動性能，發現壓電泵在充液率大于0.895后才能開始驅動工質在回路內循環流動。這是因為充液率很小時，管內存在的水蒸氣較多，水蒸氣的可壓縮性較大。當壓電振子的變形引起壓電泵泵腔壓力變化時，水蒸氣的可壓縮性可消耗這部分壓力變化，而不能引起閥片的開啟和關閉，導致壓電泵不能驅動工質流動。只有當泵腔內存在的氣相含量小到不影響閥片的開啟和關閉時，壓電泵才能正常工作。因此，在研究水蒸氣存在對傳熱回路穩態工作性能影響時，充液率從0.895逐漸增加到滿充狀態。

3.2 充液率對回路傳熱性能影響

對于整個閉式回路傳熱系統，傳熱總熱阻R為

(1)

式中q為電加熱片提供的熱量。

在不同加熱功率及驅動電壓下，定義環路平均溫度Tave為

(2)

圖9為環路熱阻隨充液率變化圖。由圖可看出，當充液率為0.895時，壓電泵可驅動工質循環流動，但該充液率下壓電泵的工作性能較差，環路內工質的流速較慢，所以導致一開始環路熱阻較高。當充液率超過0.93后，壓電泵泵送能力增強，環路熱阻降低。在0.93至滿充區間，環路熱阻逐漸降低，變化速度也較緩慢。在充液率為0.93～1.00時，環路熱阻小于0.2 ℃/W，說明傳熱系統有很好的傳熱性能。此外，可觀察到相同充液率下，環路熱阻隨著壓電泵電壓的增大而降低。這是因為隨著驅動電壓增大，壓電泵的驅動能力增強，工質流量增大，回路傳熱能力增強，所以導致熱阻降低。

圖9 環路熱阻隨充液率變化

圖10為Tave隨充液率變化。由圖可看出，隨著充液率的增加，Tave先逐漸降低再增加。當充液率為0.97時，Tave取得最小值。在相同充液率下，壓電泵電壓越高，Tave越低。

圖10 Tave隨充液率變化

壓電泵的流動阻力小，可泵送氣、液兩相流體，且其功耗小。圖11為在不同充液率下壓電泵功率隨驅動電壓及加熱功率變化。由圖可看出，充液率越小，壓電泵的功率越小。驅動功率隨著驅動電壓的增大而增大。在相同驅動電壓下，驅動功率隨加熱功率的增大而增大。這主要是因為加熱功率越大，環路平均溫度升高，內部壓力增大，導致壓電泵功率增大。但總體來說，壓電泵的功耗很小，很適合功率受限的應用場合(如航空航天電子器件散熱等)。

圖11 壓電泵功率隨充液率變化

4 結束語

本文研制了一個全金屬雙腔串聯有閥壓電泵，泵水流量達到330 mL/min。將壓電泵串聯到閉式回路傳熱系統中給工質循環流動提供驅動力，采用實驗方法研究充液率對壓電泵驅動閉式回路傳熱性能的影響。實驗結果表明，壓電泵在充液率大于0.895時才能驅動工質循環流動。此時，氣相含量較大，泵腔內氣相會明顯影響壓電泵工作效率，回路系統傳熱性能較差。當充液率繼續增加后，氣相對壓電泵工作性能影響降低，回路系統傳熱性能增強，少量氣相存在不會影響壓電泵及傳熱系統的工作性能。