一种无能耗变质量气-液两相流散热方法与流程

本发明属于电子设备温控技术领域，具体涉及一种无能耗变质量气-液两相流散热方法。

背景技术：

一些航天电子设备通常对空间尺寸及重量限制严格，尤其对于某些高热流密度消耗性航天电子设备来说，尺寸和重量是极其关键的参数指标，且该类设备通常工作海拔高气压低，工作时间短，热流密度高，受热冲击大，工作时对外空间隔绝，热量无法直接向外界散出。受工作环境、重量、尺寸及能源供给的限制，设备上无法搭载风冷及水冷等需要主动耗能且体积较为庞大的环控装置。

目前，该类电子设备常用的散热方法主要有：一、依靠设备本身结构材料如铝合金的热沉吸收电子单元耗散的热量；二、依靠固-液相变材料的相变潜热吸收电子单元耗散的热量；三、上述两者相结合；四、搭载循环制冷装置实现电子单元的热交换；五、采用基于毛细抽吸两相流技术(cpl)的微蒸发装置对电子单元进行热交换。

现有的航天电子设备散热方法在应用过程中存在以下几个方面的不足：

(1)铝合金等金属材料虽然热传导能力强，但是热容有限，吸热能力较差，所需金属热沉质量较大；

(2)固-液相变材料在完全发生相变时吸收的热量相对较为可观，但是这类相变材料通常密度小，材料与壁面、材料内部之间热传导性能差，利用效率低；

(3)循环制冷装置包含压缩机等耗能部件，会加重电子设备能源供给负担，且质量和体积庞大；

(4)cpl虽是无能耗系统，但由于包含蒸发器、冷凝器以及连通管道和贮液器等部件，系统质量和体积依然较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种无能耗变质量气-液两相流散热方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种无能耗变质量气-液两相流散热方法，包括如下步骤：

步骤1、选择工质：根据电子设备发热电子元器件的温控指标范围，以及工况环境气压，选择温控指标沸点处饱和蒸汽压大于工况环境气压，且蒸发焓大于阈值的工质，作为蒸发工质；

步骤2、计算工质的质量和流量：根据能量守恒基本原理，结合工质蒸发效率，以及工质在工况条件下蒸发焓、电子设备热源热耗、满功率工作时长，计算所需工质的质量和流量；

步骤3、节流微通道模拟计算：基于循环稳态微通道气-液两相流模型，以工况环境气压为出口背压，结合步骤2计算得到的流量，计算节流微通道的结构参数及节流微通道入口压力；

步骤4、腔室结构设计：根据工质密度和步骤2计算得到的工质质量，计算储液室的最小容积，根据热源尺寸计算微蒸发通道的结构参数，将储液室、节流微通道以及微蒸发通道依次串联成一腔；

步骤5、地面调试和封装：以步骤3计算所得的节流微通道入口压力为初始注液压力，向腔体内注入规定量的工质，注液量为步骤2计算得到的工质质量，连接调试系统进行地面调试，根据热源温度和喷液时间调整注液压力反复测试直至满足预期指标要求，固化参数状态，完成最终注液封装，供后续气-液两相流散热。

进一步的，所述调试系统包括定压单向阀、低压罐和模拟热源电源，其中定压单向阀入口连接微蒸发通道末端，出口连接低压罐；所述模拟热源电源通过腔室导热面安装在微蒸发通道外侧。地面调试时，将微蒸发通道末端定压单向阀导通压力设定为步骤3计算所得的节流微通道入口、出口压差，将低压罐的气压值设定为节流微通道出口压力，接通模拟热源电源并监测热源表面温度以及两相流喷射时间。

进一步的，所述微蒸发通道采用点阵式换热齿结构。

进一步的，所述储液室、节流微通道以及微蒸发通道采用一体化集成设计，其中储液室设计成罐体形式，顶部为注液口，节流微通道入口即为储液室出口，将节流微通道和微蒸发通道沟槽设计在同一平板上，上表面覆盖平板并通过焊接封闭成腔体。

进一步的，步骤1中，所述工质选择乙醇或者丙酮，该类工质在低气压条件下沸点适中，蒸发焓仍能保持在较高的水平，且使用广泛，安全控制措施成熟，适合作为高海拔、低气压工况下工作的高热流密度电子设备环控介质。

进一步的，步骤2中，根据下式计算所需工质的质量：

其中，m为所需工质的质量，u为热源热耗，γ为工质蒸发效率，t为满功率工作时长，h为蒸发焓。

进一步的，步骤2中，根据下式计算所需流量：

其中，g为工质的平均质量流量，m为工质的质量，t为满功率工作时长。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)选用蒸发焓较高的制冷剂为相变工质，其单位质量吸热效能远高于铝合金等金属热沉，大大减小热沉重量；

(2)气-液两相流流速高，与壁面、流体内部传热系数远大于固-液相变材料的导热系数，传热能力强，换热效率高，热沉材料利用率高，进一步降低所需热沉重量；

(3)为无能耗系统，无需供能，能够减轻设备的能源供给压力，且无运动部件，结构简单，紧凑，很容易实现小型化、轻量化集成设计；

(4)采用变质量思路，避免使用体积庞大的冷凝装置，采用集成化高效蒸发结构，进一步降低系统的质量和体积。

附图说明

图1是无能耗变质量气-液两相流散热方法实施流程图；

图2是节流微通道沿长度方向布局图；

图3是微蒸发通道长度方向布局图；

图4是元件串联结构图；

图5是地面调试温度-时间曲线图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

为解决高热流密度航天电子设备能源不足、空间质量严格受限与高热耗之间的突出矛盾，本发明紧扣该类设备工作海拔高、满功率工作时间短的特殊工况条件，提出一种无能耗变质量气-液两相流散热方法，实施过程如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1、选择工质：根据电子设备发热电子元器件的温控指标范围和工况环境气压等参数，查找相关化工手册，选择温控指标沸点处饱和蒸汽压大于工况环境气压、蒸发焓较高且本身安全性好或具有成熟可靠安全控制措施的工质。

乙醇、丙酮等工质在低气压条件下沸点适中，且蒸发焓仍能保持在较高的水平，且使用广泛，安全控制措施成熟，因此适合作为高海拔、低气压工况下工作的高热流密度电子设备环控介质。

步骤2、计算工质的质量和流量：预先假定工质蒸发效率，根据能量守恒基本原理，以及工质在工况条件下蒸发焓、电子设备热源热耗大小、满功率工作时长等参数，计算所需工质的质量和流量，其中：

所需工质的质量根据下式计算：

其中，m为所需工质的质量，u为热源热耗，γ为工质蒸发效率，t为满功率工作时长，h为蒸发焓。

所需工质的平均质量流量根据下式计算：

其中，g为工质的平均质量流量，m为工质的质量，t为满功率工作时长。

步骤3、节流微通道模拟计算：以工况环境气压为出口背压，结合步骤2计算得到的流量值，沿用循环稳态节流微通道气-液两相流模型，建立数值模拟计算方法，估算节流微通道结构参数(截面尺寸、长度、表面粗糙度等)以及节流微通道入口压力；

不同于循环气-液两相流制冷系统，本发明所述方法为瞬态系统，工质压力和温度随时间变化而波动，目前尚无合理描述该类系统的理论和物理模型，为了降低设计盲目性，本发明仍采用较为成熟的循环稳态微通道气-液两相流模型来近似替代，查询和推算获取工质的基础热物理参数。

步骤4、腔室结构设计：查表或计算获得工质密度数据并结合步骤2计算得到的工质质量计算储液室的最小容积，设计储液室；根据热源尺寸设计微蒸发通道，并在通道外表面设计热源安装导热面；将储液室、节流微通道以及微蒸发通道等元件依次串联成一腔体。

值得注意的是：节流微通道的折弯对节流性能有较为明显的影响，若在数值模拟计算时未考虑这方面的因素则得到的微通道为直线型，在进行结构设计时如果空间紧张需要折弯，必须对数学模型进行修改或根据实测数据适当缩短长度。

微蒸发通道结构目前尚未定量的设计和仿真方法，在具体实施时考虑冗余设计，一些实施例中，微蒸发通道采用点阵式换热齿结构。

此外，还有一些实施例，采用一体化集成设计，将储液室、节流微通道、微蒸发通道等元件依次串联，储液室设计成罐体形式，顶部为注液口，节流微通道入口即为储液室出口，将节流微通道和微蒸发通道沟槽设计在同一平板上，上表面覆盖平板并通过焊接封闭成腔体。

步骤5，地面调试和封装：以步骤3计算所得的节流微通道入口压力为初始注液压力，向腔体内注入规定量的工质，注液量为步骤2计算得到的工质质量，然后封闭注液口，连接调试系统进行地面调试，根据热源温度和喷液时间调整注液压力反复测试直至满足预期指标要求，固化参数状态，完成最终注液封装，供后续气-液两相流散热。

该步骤中，所述调试系统包括定压单向阀、低压罐和模拟热源电源，其中定压单向阀入口连接微蒸发通道末端，出口连接低压罐；所述模拟热源电源通过腔室导热面安装在微蒸发通道外侧。地面调试时，将微蒸发通道末端定压单向阀导通压力设定为步骤3计算所得的节流微通道入口、出口压差，将低压罐的气压值设定为节流微通道出口压力，接通模拟热源电源并监测热源表面温度以及两相流喷射时间。

考虑到步骤3为近似替代计算，且通常工质起始温度低于沸点温度，在加热过程中存在沸腾前液相受热膨胀而导致储液室压力上升导致提前喷液的影响，工质喷射时间并不能满足预期要求，需要进行地面调试，根据热源温度和喷液时间适当调整注液压力直至监测温度和喷液时间满足指标，而后拆除低压罐、模拟热源和温度监测装置，固化状态，完成最终注液、封装。

自此，就实现了采用无能耗变质量气-液两相流散热方法对高热流密度电子设备进行温度控制。

某些制冷剂(如乙醇、丙酮)具有很高的蒸发焓，饱和蒸汽压高于常压时沸点较高，此热物理状态下蒸发温度远高于电子设备的温控指标，但当其饱和蒸汽压降至较低值时，沸点适中，蒸发焓仍能保持较高水平，本发明利用这一基本热物理原理选择制冷剂并使其在低压下沸腾，能够以较小的工质用量，吸收大量热量，较大程度上减小温控装置的质量和尺寸。

低气压条件下，气-液两相流密度、粘度较低，不利于对流换热，提高气-液两相流的流速是增加流体与壁面、流体内部换热速率的一种有效措施。液态工质流量确定的情况下，一方面随着工质的沸腾膨胀，流速急剧增加，另一方面通过减小流体通道截面积进一步提高，由于低压下流体与微蒸发通道壁、流体内部之间摩擦阻力小，可在狭小空间内设计弯曲微蒸发通道增加流动路径长度能够有效提高换热面积且压损不明显。

航天电子设备的高海拔工况条件能够提供天然的低气压环境，当制冷剂储存于压力高于外环境的容器内时，容器内外形成一定的压力差，当容器与外部单孔导通后，这个压差作为源动力直接驱动工质向外部流动，储液室内工质逐渐减少，当有热源对容器腔室加热时，只要条件控制得当，工质及时蒸发就能补充容器内因排液而造成的压力损失，继续维持工质流动。本发明工质不循环，质量随时间变化，避免使用管路、冷凝器等元件，大幅减小装置尺寸和重量，且无压缩机运动部件，无能耗，从而缓解电子设备能源供给压力。

本发明采用微通道作为节流元件，微通道入口连接密闭的储液室，出口与工作时同外环境相通的微蒸发通道相连，工质逐渐排出过程中储液室内压力降低，沸点降低，节流微通道进出口压差减小导致流量减小，热量不能及时被带走，温度上升，工质沸腾加速，储液室压力迅速上高，当储液室压力过高后，沸点升高，节流微通道进出口压差增大导致流量增大，排液速度加快，热量迅速被带走，工质沸腾减缓，储液室内压力迅速下降，只要不超过模态沸腾临界，就能保证流量和温度在小范围内上下波动，从而实现流量和温度自稳定控制。

实施例

为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真实验。

本发明实施例选择乙醇作为蒸发工质，某高热流密度航天电子设备热源温度控制在t0＝60℃以内为宜，外部环境平均气压为po＝10kpa，通过查表和计算可知60℃左右沸点下乙醇的饱和蒸汽压约为ps＝50kpa，蒸发焓值高达h＝900j/g，约是固-液相变材料石蜡的4.5倍，因此选择无水乙醇作为蒸发工质。

本发明例中热源热耗按照u＝240w计，满功率工作时长t＝13.5min，考虑工质蒸发模态沸腾影响，出口处气-液两相流干度不可能接近1，工质蒸发效率按照γ＝0.8考虑，可知所需乙醇工质的质量为：

进一步可知工质的平均质量流量为：

考虑机械加工工艺性，节流微通道设计成方形截面，截面尺寸a＝0.8mm×0.8mm，表面粗糙度ra3.2，微通道出口背压po＝10kpa，结合乙醇工质基础热物理性参数，参考相关文献建立均相流模型，离散化控制方程，采用数值模拟方法估算得节流微通道长度为l＝111.5mm，入口压力为pin＝67.3kpa。

入口压力pin处，根据yamada-gunn(y-g)方程计算乙醇密度为：ρ＝757.7kg/m³，可知储液室的最小容积为：v＝3.5644×10^-4m³，储液室容积大于v即可。节流微通道长度方向结构布置如图2所示，微蒸发通道采用点阵式换热齿结构，如图3所示，通道截面尺寸18.2mm×0.8mm，长650mm，换热翅片尺寸长3.4mm×宽0.6mm×高0.8mm，按照行距4.2mm，列距1.4mm二维阵列布置。本发明例采用一体化集成设计，将储液室、节流微通道、微蒸发通道等元件依次串联，结构如图4所示，储液室设计成罐体形式，顶部为注液口，节流微通道入口即为储液室出口，将节流微通道和微蒸发通道沟槽设计在同一平板上，上表面覆盖平板并通过焊接封闭成腔体，微蒸发通道末端出口处连接定压单向阀。

将上述元件串联结构抽真空，通过注液口向腔体内注入质量m＝270g的乙醇工质，并控制腔体内压力为pin＝67.3kpa，然后封闭注液口；将定压单向阀的导通压力设定为δp＝pin-po＝57.3kpa，并在出口处连通低压容器，保持容器内气压为po＝10kpa；安装模拟热源，热源功率设定为u＝240w，接通电源，监测热源附近温度和气-液两相流喷射时长，不断调整注液压力，直至喷液时长接近指标数据t＝13.5min。通过反复调整，最终注液压力为61kpa时，监测得到的热源温度-时间曲线如图5所示。

由图5可以看出，从模拟热源通电加热开始计时至140s处，热源周边温度上升至63℃，储液室压力从61kpa增至67.3kpa，定压单向阀导通，气-液两相流开始喷出，喷液持续时间为820s，比设备满功率工作时间长10s，热源温度最高63℃，超出温控指标仅3℃，稳定工作后，热源温度55℃～57℃范围内来回波动，流量和温度自稳定现象明显，控制效果显著，由此可以认为本发明例有益效果是满足实际工程应用需求的。

若按照同等相变效率考虑，上述发明实例中所用的蒸发工质质量是同等工况条件下石蜡等固-液相变材料用量的4.5倍，实际上，石蜡的导热系数小，相变效率低，真实用量将大于这个数值，热沉材料及其储存容器体积和质量大幅缩减；经过测算，稳定后流体流速最高达38.5m/s，换热能力远高于其他散热方式，热传导系数高，采用微通道节流和换热冷板，冷板装置体积和重量大幅减小；采用无能耗变质量工作方式，无需能源供给，无运动部件，无冷凝元件，结构简单，集成化设计灵活性强，是一种节能、高效、温控稳定、元件轻便的散热方法，适合用于高热流密度高空低压电子设备环控装置。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。