润滑油对喷雾冷却性能影响

　　0 引言

　　高功率电子产品的微型化、集成化、高速化导致其散热量和热流密度急剧增加，散热问题成为限制其进一步发展的瓶颈。喷雾冷却作为一种高效的散热技术具有低过热度、小流量、高热流密度、高换热系数等优点[1]，已经在金属加工、微电子、激光等设备中进行应用。

　　现有基于泵循环的喷雾冷却系统在应用中存有不足，一种基于制冷循环的喷雾冷却系统被提出[2]。实验研究表明，该系统具有较大的换热系数、低冷却液流量、表面温度分布均匀、系统结构简单、调节方便等优点[3]，能够满足散热器件对散热装置的散热能力和体积需求，有利于在散热领域进行广泛的应用。但是，由于制冷系统的引入，不可避免的在冷却液中引入了润滑油。润滑油会对冷却液的粘度、表面张力产生影响，进而影响冷却液的流动和换热特性。

　　本文通过搭建基于制冷循环的喷雾冷却系统实验台，借鉴有关于含油制冷剂管内流动沸腾换热特性的相关理论[4,5]，探索润滑油在喷雾冷却过程中的物性变化及其对喷雾冷却性能的影响，为喷雾冷却技术理论完善和应用拓展提供一定的基础。

　　1 实验原理及装置

　　实验装置主要包含基于制冷循环的喷雾冷却系统和测油系统，如图1所示。喷雾系统主要由喷嘴、喷雾室和基本的制冷系统组成。变频压缩机将冷却工质以高温高压气体状态排出，经冷凝器以液态状态进入储液器，冷却液经流量计、过冷器、节流阀进入喷嘴，冷却液经喷嘴雾化、节流后喷射到热源表面;换热后，冷却工质以气液两相状态从喷嘴流出，与来自调节阀 A 的高温气体混合后，以过热蒸气状态被压缩机吸入，进入下一个循环。节流阀用于控制进入喷嘴的冷却液的状态和压力，调节阀用于部分旁通压缩机排气以保证压缩机吸气的过热度。模拟热源由圆柱形紫铜底座和加热棒组成，热电偶测点如图2 所示，六个T 型热电偶分前(F)后(B)左(L)右(R)四个方向排布，前方沿轴向均匀布置3 个热电偶，进入深度是6mm，热电偶间距及热电偶与换热面的间距均为3 mm,其余三个方向各布置一个热电偶，与换热面的距离是3mm，进入深度分别是5mm(L)，4mm(B)，3mm(R)用于测量温度和计算加热量。

　　测油系统主要由氮气瓶、储油罐、流量计等组成。氮气瓶提供高压氮气，在气体压力作用下，润滑油从油罐底部经转子流量计进入喷雾冷却系统与冷却液混合，一起经过过冷器、节流阀、喷嘴后喷射的热源表面，然后随冷却工质进入压缩机。调节阀B 用于调整润滑油的流量和压力，转子流量计用于粗测补油量。调节阀C 和测油孔用于测量冷却液中实际含油量，测量方法采用Chang 等[6]提到的称重法。