大功率电子设备喷雾冷却技术研究(2)
2.2.3 喷雾形式 8
2.2.4 压力、流量 9
2.3 实验设备仪器 11
2.3.1 喷嘴 11
2.3.2 泵 11
2.3.3 换热器 12
2.3.4 过滤器 14
2.3.5 数据采集设备 14
2.3.6 低温循环泵 15
2.3.6 喷腔 16
2.3.7 模拟热源 19
2.3.7 储液罐 20
2.3.8 控制与测量系统 21
3 实验过程 25
3.1 实验步骤及注意事项 26
3.1.1 实验步骤 26
3.1.2 注意事项 26
3.2 喷雾冷却系统的最大散热能力 27
3.3 参数对喷雾冷却的影响 27
4 实验结果和分析 28
4.1 相关参数的计算 28
4.2 误差分析 30
4.3 最大散热能力 32
4.4 参数对喷雾冷却影响的分析 33
结论 44
致谢 46
参考文献 47
1 绪论
1.1 研究背景
随着计算机、通讯、军用、航空航天及民用市场等领域的需求，电子技术得到迅猛的发展。电子器件的封装密度不断地提高，其热流密度不断地增大，电子产品向微型化方向不断发展，功率更大而外形尺寸日益缩小，电子产品已经渗透到各个领域，其应用环境不断扩大，所使用的热环境差异很大。电子产品的这些发展趋势使得电子设备过热的问题越来越突出[15]。电子设备的过热是电子产品失效的主要原因之一，超过55％的电子器件的失效是由于温度过高引起的。严重的限制了电子产品性能及可靠性的提高，也降低了设备的工作寿命。研究表明，电子元器件的温度每上升10℃，其使用寿命就会缩短二分之一[16]，当电子元器件的温度达到80℃以上时，其工作性能迅速下降。因此，为电子元器件提供合理、高效的冷却技术方案，是微电子技术迅速发展和稳定、可靠工作的重要保障。但是随着封装密度的不断提高以及电子产品向微型化发展，传统的冷却装置(如风冷、水冷)虽能满足温度控制的需求，但其散热能力远远无法满足未来发展要求。喷雾冷却是一种新型的散热方式，是将冷却液在外加能量的作用下通过雾化装置(主要装置是喷嘴)雾化为非常细小的液滴(Sauter平均直径在20～100um量级左右)喷射到换热表面，通过雾化液滴的对流和相变换热带走热量以达到冷却的目的。
1.2 电子元件的喷雾冷却技术
传统的电子设备的冷却技术，例如液体冷却、风冷、热管冷却技术及散热器热沉与风扇组合散热等等，都已到达散热应用的极限。应用于电子芯片散热的热管技术，其冷却的最高热流密度为25-100 W/cm2[17]，基于热沉的风扇冷却的最高热流密度为40 W/cm2[18]。下图为不同散热方式热流密度的对比：
图1.1不同散热方式热流密度的对比图
喷雾冷却技术是一种新型的冷却技术，是通过喷嘴（一般为喷嘴，或其他外在装置）将制冷剂进行雾化喷出，制冷剂雾化后液滴Sauter平均直径在20～100um量级左右，雾化后的液滴喷射到热源表面，在其表面形成一层薄液膜，液膜在热源表面进行核态沸腾，同时喷雾液滴对液膜产生一定的扰动，并增加了热源表面的汽化核心，加速液膜的核态沸腾，同时依靠液膜内的对流、蒸发和液膜内气泡的生长、运动、破裂等相变过程带走热源表面的热量，达到冷却效果。吸收热量之后的制冷剂流出喷雾室，流经冷凝器将热量释放到外界环境，然后通过泵回流到喷嘴继续循环制冷，实现喷雾的循环制冷系统。下图为喷雾冷却示意图：