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一文了解电子设备的蒸发冷却

导读: 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。

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。

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