高热流密度喷射相变冷却技术研究(2)
大功率电子元器件高集成化和小型化导致的高热流密度已经超出了常规强制对流换热能力的极限，传统的风冷方式的体积、换热能力和噪声无法适应电子元器件的高集成化和小型化的要求。液体冷却的方式对于高热流密度的散热是很好的选择，对于单相冷却的情况，Mudawar和Sung[2]实验表明了由于单相冷却系统相对较小的对流换热系数，并且热流密度与流体间的温度差呈线性关系，其对于大功率的电子设备的冷却效果不是很理想。相反，两相冷却系统克服了以上两个缺点，在核态沸腾区域得到了相对较大的对流传递系数和热流密度与流体间的温度差呈非线性关系，采用相变冷却能够很好地实现高热量的转移。单相冷却和两相冷却的根本区别在于冷却原理的不同。单相冷却采用的是工质的显热，在蒸发段工质吸收热量温度升高，所以单相冷却对于一些温控精度要求较高的精密仪表，其较大的温度波动将直接影响仪表的可靠性和工作性能。而对于两相冷却采用的则是工质的潜热，在蒸发段两相冷却的温度几乎保持不变，两相冷却系统换热系数大，在换热系数上两相冷却系统优于单相冷却系统。
大功率电子设备追求优越的换热性能。传统的风冷方式和单相冷却技术应经不能满足大功率电子设备的需求。两相冷却技术为这些产生高热流密度的设备解决散热问题提供了可能，两相冷却技术对大功率设备散热问题是非常行之有效的，能够很好的保证设备运行的稳定性和可靠性，是适合于大功率电子元器件的热控技术。相变冷却方式由于依靠自身内部工作液体相变来实现传热的，具有很高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方向的可逆性、恒温特性以及环境的适应性等优越性。
1.2 两相冷却装置及原理
为了适合更高的精度、更高的散热密度、更低的能耗和更复杂的温度控制任务，两相冷却技术经历了从传统热管、毛细力热管(CPL)和环路式热管(LHP)到近几年逐渐成为研究热点的机械泵驱动环路式热管系统的发展过程。目前在相变冷却技术方面应用和研究较多的装置有热管、热虹吸器、环路式热管（LHP）和毛细力热管(CPL)均采用汽、液两相流传热，液体工质通过蒸发、冷凝完成热量传递。所不同的是热管、LHP和CPL都是由毛细结构对液体的毛细张力驱动循环,而热虹吸器是利用重力辅助循环。
1.2.1 热管
热管由管壳、吸液芯和工作液体组成，紧贴管内壁为吸液芯毛细多孔材料，管内充有液体工质并抽成真空。如图1所示，热管一端为蒸发段，另一端为冷凝段，中间为绝热段。蒸发段毛细吸液芯中的液体受热时蒸发，蒸汽在微小的压差下流向冷凝段释放热量冷凝，液体再由多孔材料在毛细力的作用下回流至蒸发段。热管根据实际需要可作成圆柱形、扁平状以及盘形等形状，吸液芯结构可采用烧结式、沟槽式、丝网吸液芯等。
1.2.2 毛细力热管（CPL）
毛细力热管由蒸发器、冷凝器、蒸汽联管以及液体联管组成，如图2所示。蒸发器是毛细力热管的核心，内有多孔吸液芯，对工质液体起毛细抽吸作用，工质在此处蒸发、流出。蒸发器为整个环路系统的连续流动提供足够的驱动力。冷凝器是毛细力热管中工质蒸汽凝结、放出热流的场所。
毛细力热管工作原理：外部热负荷通过蒸发器壁传入毛细芯内的工质液体,工质液体受热蒸发，吸收汽化潜热，蒸汽通过蒸汽管路流向冷凝器，在冷凝器凝结并放出汽化潜热，冷凝后的液体工质在毛细作用下通过液体管路流回蒸发器,重复吸热和蒸发。系统主要由毛细芯中的液体蒸发所产生的压力差，克服工质流动的阻力，使回路中的工质循环工作，连续有效地把热量传输到热沉。