一文了解电子设备的蒸发冷却_2
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蒸发冷却(又称相变冷却)是利用液体在沸腾过程中吸收大量汽化热的一种高效冷却方法。其冷却能力比自然冷却要高1000倍。同理,某些固体材料的相变要吸收大量的熔化潜热,也是一种高效的冷却技术。因此,蒸发冷却(相变冷却)可应用于高功率密度和高组装密度的电子元器件及组件的有效冷却。一、蒸发冷却的基本原理物质从液态变为气态的过程称为汽化。汽化有两种形式:一种是仅在液体自由表面上进行的汽化,称为蒸发,这种蒸发在不同温度下都能发生;另一种是不仅在液面而且在液体内部同时进行的汽化,这种汽化称为沸腾。不论是蒸发还是沸腾,都需要吸收一定的热量。例如,在一个大气压下,1kg的水变成蒸汽要吸收627W的热量(汽化热)。水变为蒸汽的过程,首先是在水沸腾时加热面上某些粗糙不平的过热点(称为汽化核心)上形成气泡,热量从加热面直接传给气泡,使气泡成长、扩大直到膨胀到一定大小后脱离加热面而上升。气泡形成的多少、上升的快慢,取决于水的过热程度。这个过程通常用加热面水的温度与水饱和温度的温差来表示,即

式中 tw——加热面处水的温度(℃);ts——水的饱和温度(℃)。Δt越大,过热程度越厉害,汽化核心数目多、蒸发速度快。在一个大气压下水沸腾时的换热系数h、热流密度φ和温差 Δt之间的关系如图1所示。

图1由图1可以看出,曲线AB这一段的温差 Δt≤5℃,热流密度较小(φ=580W/m2),换热系数不大。随着Δt的增加(Δt=5~25℃),气泡的形成和运动加剧,换热系数也迅速增加,至C点达到临界值(h=4.6×10^-4W/(m2·℃)),BC曲线范围称为泡状沸腾(核沸腾)。当继续提高温差 Δt时,气泡与气泡之间迅速汇合而形成一层蒸汽膜,把液体和加热面隔开。此时,由于蒸汽的导热性能差,造成换热系数h和热流密度φ反而下降。C点和D点分别为换热系数h和热流密度φ的临界点。对处于一个大气压下的水,这一点的温差 Δt值为25℃,h及φ分别为h≈4.6×10^4(W/(m2·℃))φ =1.116*10^6(W/m2)这种临界值随液体种类和压力的不同而改变。必须指出,沸腾换热是一个复杂的传热过程。图1 所描述的换热情况,仅是水在大容器内沸腾时的关系曲线。从电子设备的应用考虑,主要是利用 BC 这段曲线。大功率发射管的蒸发冷却,就是当发射管工作时,本身耗散的热量使液体(水或其他介质液体)沸腾产生蒸汽,再经过二次冷却(风冷或水冷)将蒸汽冷凝成水,放出热量,从而达到冷却的目的。二、蒸发冷却系统分类1 直接蒸发冷却1)直接浸渍蒸发冷却将发热的或温度敏感的电子元器件直接浸渍在液体冷却剂中,通过冷却剂的相变(如由液相至气相)吸收汽化潜热,达到温度控制的目的,这一方法称为直接浸渍蒸发冷却,其特点是:① 沸腾过程中,随冷却剂气泡的形成、发展,液气两相交替存在。② 沸腾换热的温度比液体换热的温度高。在一定的压力下,液体的沸点决定系统的工作温度,热流密度的变化范围较大。③ 沸腾的过程使冷却剂受到强烈的扰动和局部的紊流作用。④ 电子元器件的安装应保证有足够的空间,为气泡的形成和逸散提供必要空间。应根据冷却剂的性能,确定系统的工作温度,使其适合电路可靠性工作温度的要求。对于高频电路系统,应注意冷却剂的电阻率、损耗系数和介电强度等参数与电气的相容性。由于冷却剂的气液两相交替存在,应检查电子元器件外壳、印制电路板材料、树脂、灌封材料和焊剂等,在化学性质上与冷却剂的相容性。电子元器件的机械支撑件应能经受沸腾过程产生的扰动力的作用。2)蒸汽和液体的强迫对流在核沸腾区内,气泡引起的扰动比强迫对流的紊流更有效。当热流密度一定时,流体的强迫对流使沸腾的起始点推迟。流速越快,沸腾过程开始的表面温度越高。当核沸腾开始之后,热流密度与过热温度之间的关系与流速无关。因此,对冷却剂的机械循环扰动,无助于沸腾过程换热系数的提高。冷凝器的冷凝层为主要热阻,可利用风机提高蒸汽速度降低其热阻。平面垂直壁上液流的向上速度加大,会使黏滞剪力的阻力增加,冷凝层厚度变厚。液流的水平速度加大,会使蒸汽入口端的膜层厚度减少,出口端的膜层厚度加厚,但对总的换热系数不产生影响。3)喷雾冷却系统喷雾冷却系统是指通过高压泵迫使冷却剂直接向热源表面喷射,使冷却剂形成一层连续的蒸汽薄膜,带走汽化潜热的一种冷却方法。航空或宇航电子设备,采用喷雾冷却是减轻冷却剂有效质量的可行方法。喷雾系统受海拔高度变化的影响,如液体回流的重力、喷射位置等。喷雾系统的喷嘴小孔容易堵塞,需安装过滤器。喷雾冷却系统的设计,应考虑泵、管道、喷射装置及冷却剂特性等因素与减轻冷却系统质量之间的关系。2 间接蒸发冷却间接蒸发冷却系统是设计一种间接的热通路(如导热通路或液体冷却回路等),为电子元器件的耗热提供冷却的装置。其主要特点是发热的元器件不直接浸渍于冷却剂。图2(a)所示为间接导热通路的冷却系统;图2(b)所示为直接液体冷却环路的间接蒸发冷却系统。图中的流体是中间环路,为热源与换热器之间提供一条低热阻通路。流体A的热量通过换热器传给沸腾水。

图23 消耗性蒸发冷却在蒸发冷却系统中,将冷却剂沸腾过程中产生的蒸汽直接排放于周围环境而不进行回收的冷却系统,称为消耗性蒸发冷却。这种冷却系统的选择,应考虑质量、体积、成本、冷凝器及其控制机构、泵和管道的可靠性等因素。当冷却剂的来源充裕、价格低廉时,这种冷却系统是经济的。如果热沉的温度允许达到100℃,则水可作为固定地面站、舰船和少量的机动地面站的消耗性冷却剂。对某些机载电子系统(如吊舱)在短期过载飞行或由于短期热环境变化时,将使耗热量超过冷却系统的额定容量。这时,采用消耗性冷却系统是一种有效的补偿办法。图3所示为机载电子设备的一种冷却系统。将电子组件装于矩形水箱中,工作过程中产生的热量使水沸腾。产生的蒸汽直接排入大气中,故称消耗性冷却。这种系统可省去冷凝器,因而避免了由于高空的空气密度低造成冷凝器工作的困难。但这种系统受水箱中的水量所限,只能适应空用设备的短时间工作。

图3采用低温燃料作为推进或产生动力时,这些燃料在反应室内使用之前,需使其汽化与过热,使燃料汽化所需的热量可由电子设备的(或电子元器件)热耗提供,燃料即构成电子设备的热沉。由于经过液化的低温气体的沸点远比多数电子设备的工作温度低,所以应采用间接蒸发冷却系统,将电子设备的耗热传给正在蒸发的燃料。此时,其冷却剂为消耗性的。三、蒸发冷却系统的组成电子设备的蒸发冷却系统的组成,如图4所示。系统由发射管、蒸发锅、冷凝器(风冷或水冷)、水位控制箱、压力连锁开关以及各种管系等主要部件组成。

图4当置于蒸发锅里的发射管工作时,将自身耗散的热量传给水,水达到饱和温度后开始沸腾变成蒸汽,蒸汽经汽室上升沿蒸汽管道进入冷凝器,冷凝水沿回水管道又返回蒸发锅,形成一个循环。为了防止蒸发锅水位下降,使阳极暴露出水面造成局部过热而烧毁,通常设有均压管,可保证水箱和蒸发锅的水面处于同一水平线,以保证必要的水位。下面介绍冷却系统中的几个主要部件。1 电子管(发射管)蒸发冷却式电子管的阳极结构与风冷、水冷不同,这三种冷却方式的电子管阳极结构如图5所示。

图5蒸发冷却式的发射管的阳极结构,如图6所示。这种管子的阳极结构有如下特点:① 阳极厚度比水冷管厚;② 阳极表面有粗的齿形(肋状或管状)散热体;③ 阳极散热体上部带有一个锥形圆盘或卷起来的金属延长部分,构成蒸汽通道的内壁。

图62 蒸发锅在设计蒸发锅时,除了要考虑汽室的大小、沸腾水的循环通道以外,还要考虑与蒸发冷却电子管圆盘配合等结构问题。蒸发锅与电子管的安装形式如图7所示。图中(a)的发射管圆盘下部做成向上弯的圆弧形,在水强烈沸腾的情况下,水和蒸汽的混合很剧烈,因此它会在孔槽内以3~4m/s的流速向上冲击,很容易沿着圆弧将水涌入汽室内,造成汽道的堵塞;而图7(b)、图7(c)的电子管圆盘下部做成向下弯的圆弧,因此,强烈沸腾的水会在蒸发锅内沿着圆弧返回蒸发锅下部。其中图7-7(c)是一种装有导流筒的蒸发锅,适合于阳极为垂直肋状的发射管使用。这种导流筒有利于加快水的对流,即使蒸发锅内水位下降20~30mm,筒内的水由于虹吸作用而上涌,仍可得到良好的冷却效果。此外,导流筒把蒸发锅分为两层,内层水上升,外层水下降,形成了良好的对流通路。

图73 冷凝器蒸发冷却系统的冷凝器,一般采用水冷、风冷和自然冷却三种形式。4 控制保护设备控制保护设备,是指水位的控制和报警设备。四、蒸发冷却的应用1 单个功率元器件的浸渍蒸发冷却图8是单个功率器件的浸渍蒸发冷却示意图。元器件浸渍在沸点温度低于其工作温度的冷却液中,工作液体受热沸腾,蒸汽带走大量的汽化热,在浮升力的作用下,上升至冷凝器,释放热量,冷凝器的工作液体靠自身重力返回至容器。这种以温差循环冷却液的蒸发冷却不需要动力,并具有高热流密度的散热能力。

图82.高热流密度组件的浸渍蒸发冷却图9所示为高热流密度的多芯片组件(MCM)的浸渍蒸发冷却示意图。其工作液是碳氟化合物(如FC-45等)利用温差循环冷却。

图9图10为另外几种浸渍于介质液体的蒸发冷却形式。其中图(a)、(b)、(c)为局部充以工作液,并留有适当的空间来补偿工作液受热后引起的体积膨胀;而图(d)、(e)、(f)为工作液体全部充满空间的形式,工作液受热所引起的体积膨胀靠皱纹壁或膨胀箱来补偿。各种结构形式中,蒸汽的冷凝方式可用散热肋片(如图(a)、(e))或采用冷板进行强迫液冷(如图(b)、(d)所示,也可采用冷凝器。

图10蒸发冷却用的冷却液,见表7-4。在设计时应注意液体因温度变化而造成的体积膨胀。从表1中可以看到,大多数工作液体的体积膨胀系数为水的8倍。军用电子设备的工作温度为-55~60℃,所选用的蒸发冷却工作液(水除外)其体积变化将达到18%。表1

3 利用蒸发冷却,保持电子器件恒温图11所示为速调管振荡器利用蒸发冷却保持恒温的示意图。将速调管振荡器装于水槽内,靠谐振腔体来传递热量。腔体表面温度约为110℃,热流密度为9W/cm2,可保证工作液处于核沸腾状态。沸腾产生的蒸汽经管道至空气冷却的冷凝器,冷凝后的水又返回液槽。由于水的沸腾温度与其蒸汽压力有关,因此可以靠冷凝器中的膨胀室来保持压力的恒定。

图11存储箱用于存储冷却剂(碳氟化合物),并将速调管浸渍于冷却剂中。箱体设置绝热层和调速管的连接装置。冷凝器是以连续的液体-蒸汽-液体循环方式工作,可防止冷却剂的耗损。冷凝器的设计应保证在外界环境温度变化的条件下速调管频率的稳定。膨胀室是采用挠性合成橡胶波纹管结构。当密封系统内部的冷却剂沸腾时,蒸汽压力提高,会使速调管的温度提高。可利用波纹管膨胀箱体积的变化,保持其内部压力的相对稳定。冷凝器是靠肋片结构增加对流面积,提高蒸汽的冷凝效率。冷凝器可采取自然对流、强迫空气对流或液体冷却的方式进行换热。但是,冷凝器必须能在整个环境温度范围内按要求传递出热量。4 固态相变冷却的应用除了上述液体蒸发(相变)冷却外,电子设备的冷却还大量采用了固态相变冷却技术。可用于固态相变冷却的材料有:石蜡类、非石蜡类有机物、水化盐、金属、熔盐低熔点共晶物等。一种理想的相变材料应有以下特点:熔化潜热高、有适当的熔化温度、固-液相转化可逆、有高的导热系数和热扩散率、质量定压热容大、密度大、熔化与凝固过程可靠、相变过程体积变化小、相变时蒸汽压低、与容器材料相容性好、没有过冷现象、长期使用可靠性高和无毒害等。表2是常用的几种固态相变材料性能。表2

图12所示为有填料的相变材料组件。一般相变材料的热扩散系数(即导温系数)都比较低,低的热扩散系数将导致相变材料内的温度梯度增加,从而使电子元器件的温度升高。在相变材料中添加导热系数高的填料,可以改善材料的热扩散率。可用做填料的有:铝材做的粉末、泡沫、纤维、蜂窝、肋片等;用钢材做的泡沫、氧化铍、三氧化二铝、泡沫;热解石墨的蜂窝等。

图12在填料设计时,除结构形式外,还应考虑其密度、导热系数、质量定压热容、质量以及填料与电子组件冷板之间的接触热阻等因素。由于热管具有很好的传热性能,利用微型热管沿热流方向排列作为填料是非常理想的结构。五、汽-水两相流冷却系统由沸腾传热与汽、液两相对流传热组合而成的复合冷却,称为汽-水两相流冷却系统。图13为该冷却系统的原理图。

图13由图可见,功率电子器件耗散的热量,加热盛于水套中的水,使部分水沸腾而汽化。汽水共存的混合液进入汽水输出管,并在汽水分离器内进行分离,分离后的蒸汽进入冷凝器被液化,水经回水管靠重力的作用返回水套,由此构成闭式两相流循环系统。在汽水输出管与回水管之间,由于汽和水的密度差,构成自然对流的循环。这种冷却系统的特点为:① 省略了水箱、均压管及其他一些辅助设备,结构简单。② 蒸发器(水套)与汽水分离器独立设置,有利于汽水的分离,系统的换热效率高。③ 整个系统处于大气压下工作。两相流的水位较高,可提供足够的动压头。④ 对功率电子器件集电极的设计,应有利于汽-水两相流体的流动。集电极内部电子束的分布应均匀,避免过热。六、超蒸发冷却1 蒸发效应由图14可见,M点是蒸发冷却应用中的极限,实验证明,如果采用非等温热交换面,则可突破这一障碍。例如,采用较厚的阳极并在其表面设置一些尺寸适当的块状肋片,并将其浸没于沸腾的水中时,则可在肋片的表面形成一个连续的温度分布。当块状肋片的顶部处于曲线的a段,则顶部可保持较低的温度,不发生剧变。由于肋片具有良好的导热性能,其根部温度工作在c段,冷却片的某些部分工作在b段,顶部仍为a段。只要肋片顶部温度低于L点,则根部的温度可在D点连续工作,在短时过载的情况下,若顶部温度低于C点(气泡聚合点),则其温度梯度可扩展至N点。

图14上述采用非等温连续分布的热交换面,使沸腾稳定的效应,称为蒸发效应。2过蒸发器与超蒸发器在蒸发效应中说明肋片的根部可在“非稳定区”(C段)安全工作。如果在肋片的顶部再设置一些小齿(见图15),使顶部的温度降低,则其根部可在C段内的任一点上安全地工作。从而将蒸发器的短时过载工作状态变成安全工作状态。这种结构称为过蒸发器。

图15若将散热齿的间距变窄,则蒸汽将从窄槽中以高速喷射出来,在极端紊流的影响下,部分膜态沸腾可在M点处于核沸腾聚集。这一现象称为聚集沸腾。图16所示为根据窄槽效应设计而成的过蒸发器结构。

图16为了进一步发挥聚集沸腾的效率,应尽量减少窄槽内的水流干扰。其措施是使液体与槽相垂直的方向形成环流,在圆筒型阳极上,将槽做成环形或螺旋形。在同轴水套中(双层水套),水流方向沿内层竖直向上。当达到超蒸发冷却状态时,从肋片根部(槽底)至齿顶的温度分布可达到250~120℃。蒸汽从根部向外高速喷射,一遇到纵向水流即冷凝。这种在蒸发锅内完成连续两次相变的冷却称为超蒸发冷却。超蒸发器的特点:① 由于窄槽内蒸汽喷射出的速度高(大于10m/s),从而形成液体的涡流和冷凝效应,使其沸腾传热效果提高。其热流密度可达到2kW/cm2;② 每次喷射之后,窄槽内以脉冲方式又可充满足够的液体;③ 当热流密度增大时,整个结构与流动液体的接触热阻降低,肋片根部温度可稳定在225~300℃范围内。④ 与其他蒸发器比较,结构质量轻,成本低。

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