一文了解电子设备的蒸发冷却
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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