以R22为冷却剂的闭式循环相变喷雾冷却实验研究

　　随着电子技术的发展和工艺水平的提高，高频化和集成化已经成为现代电子设备发展的主流趋势，在其性能越来越高的同时，散热问题也越来越突出，每平方厘米所需移除的热流密度已达到数百瓦，尤其对于高功率激光技术领域，不仅要求冷却系统具有高热流密度散热能力，同时对温度控制要求也十分严格。传统的散热方式已无法满足电子技术发展的需求，如何将芯片产生的热量有效的排除掉，并将温度保持在较低水平已成为一个亟待解决的问题。

　　喷雾冷却是指液体工质在压力驱动下，通过雾化喷嘴或者雾化装置强制雾化成为微米级的液滴，并且强制喷射到冷却介质表面实现冷却的过程[1]，在未沸腾喷雾冷却中换热机理以强制对流和液膜蒸发为主，而进入相变喷雾冷却中，核态沸腾和二次成核发挥更为明显的作用^[2]。喷雾冷却能在低表面温度下带走大量热量，且具有良好的换热性能、均匀的冷却壁面温度、较小的工质需求等优点，被认为是微电子技术和高功率激光技术领域最有前景的冷却方式之一^[3]。

　　鉴于喷雾冷却换热能力的高效性及换热机理的复杂性，国内外学者就喷雾冷却进行了大量的实验研究。文献[4]以FC-87、FC-72、甲醇和水为工质研究了喷雾冷却特性，对于碳氟化合物FC-87和FC-72，临界热流密度可以达到90W·cm^-2，以甲醇为工质时临界热流密度可以达到490W·cm^-2，而以水为工质时临界热流密度超过500W·cm-2，但是对于这4种工质，临界热流密度对应的被冷却表面温度都高于80℃。文献[5]以FC-77为工质研究了过冷度对喷雾冷却换热性能的影响，得出增加过冷度可以显著提高临界热流密度，当过冷度为77℃时，FC-77的临界热流密度高达349W·cm^-2，对应的被冷却表面温度高于100℃。文献[6]以氨为工质研究了表面强化对临界热流密度的影响，得到最高的临界热流密度为1100W·cm^-2。文献^[7]以R134a为工质研究了喷雾冷却特性，得到最高的临界热流密度为140W·cm^-2。文献^[8]以R600a为工质得到了110W·cm^-2的临界热流密度，其对应的表面温度为31.5℃。

　　综合比较各种冷却剂的性质，虽然水可以获得较高的临界热流密度，但是水作为导体，无法直接喷射到冷却元件表面进行冷却，这极大的限制了水在喷雾冷却中的应用。碳氟化合物如FC-72、FC-87、FC-77等换热效果均远远不如水的换热效果，而且以上所提及的工质由于具有较高的沸点，会使得冷却表面的壁温无法维持在较低的温区，这更加限制了它们在喷雾冷却中的应用。氨喷雾冷却可以达到很高的热流密度，且被冷却表面温度也较低，但是由于氨存在易燃、易爆、毒性大、对金属材料有腐蚀性等缺点，应用于电子器件冷却领域存在一定的局限^[6]。HCFCs及HFCs类制冷剂具有较大的汽化潜热值，而且相比于其他工质具有较低的沸点，能够同时满足应用于电子器件冷却时对热流密度及表面度的要求^[7-8]。鉴于以上原因，本文设计并搭建了以R22为喷雾工质的闭式喷雾冷却实验台，研究了R22在相变喷雾冷却中的性能。