二氧化碳两相冷却系统的特性

　　CO₂是一种无毒、不易燃、臭氧层破坏指数为零、温室效应指数很小的自然工质.目前以CO₂为制冷剂的应用研究在国外得到越来越多的重视,尤其是日本在研究与应用方面都处于领先地位.以往研究主要集中在冷凝温度超过243K的跨临界循环特性上,应用对象主要是汽车空调、热泵热水器及商用型制冷.而利用其两相特性来实现冷却散热的热管系统,特别是用机械泵为动力而取代毛细力的机械泵驱动两相冷却系统方面的应用研究几乎没有.

　　机械泵驱动两相流冷却系统是一种新型的环路式冷却系统,其主要应用背景是航空航天高精度电力电子设备的散热冷却.该系统的工作原理是以细小管路为蒸发器与发热设备进行热连接,从而利用两相流汽化吸热温度不变的特性来将发热设备的热量带出,并通过机械泵使工质循环,然后在冷凝器用辐射板将热量散出.系统之所以采用机械泵为循环的驱动力主要是因为系统管路较长,弯曲较多,管路复杂,并且有多个冷却管路并联的结构,而且散热对象的发量大,热流密度较高,温度控制要求比较高等特点.所以毛细泵驱动的环路式热管系统很难实现这样的散热任务,其他的散热系统也在体积、质量或者散热能力方面难以达到要求.

　　由于两相流冷却系统是依靠相变传热的,因此工质的各种物理性质对系统的工作性能有着重要的影响.在以往毛细力为驱动的热管的工质选择中,常采用品质因数^[1](Merit Number)作为判断工质适用性的重要依据,而在机械泵驱动的两相流冷却系统,泵的驱动力代替了毛细力,因此工质的选择应该既要保证系统能够达到最佳的散热效果,又要保证系统具有稳定可靠的水利特性.经过仿真分析^[2],实验过程中选用CO₂为循环工质.本文对机械泵驱动两相冷却系统进行实验研究,重点在于仿真难以实现的系统的动态响应过程,并通过实验数据结合工质的热物性分析CO₂作为系统工质的独特优势.

　　1 实验研究

　　1.1 系统基本设计原理

　　为了研究CO₂为工质的机械泵驱动两相冷却系统的工作特性,按照荷兰国际空间技术研究实验室(NLR)的设计方案^[3,4]搭建了实验台,其主要部件包括机械泵、蒸发器、冷凝器、储液罐、热交换器以及连接管道等几大部分,结构如图1所示.

　　其中质量流量0~11g/s连续可调的直流齿轮泵为液体循环提供了驱动力;储液器的作用是通过安装在上面的加热器和半导体制冷片来对罐内的工质进行温度调节,从而控制蒸发器的温度.为了保证机械泵能正常工作,泵的入口液体应该保持过冷度大于5°C.从泵出来的工质如果直接流入蒸发段吸热,则散热段的温差至少要大于5°C,因为过冷液体首先要以显热的方式散热然后再进入到饱和态.这样两相冷却的恒温冷却优势就难以发挥,特别是对热控要求较高的空间探测装置,因此要在蒸发段的入口前用预热器将液体加热到饱和状态.系统采用逆流套管式换热器将蒸发器出口的两相流体与进入蒸发器的过冷液体进行耦合换热,这在太空应用中比较紧张的能源预算下是行之有效的.例如2g/s的氨过冷液体从-5°C的过冷液体升高到0°C,吸收的热量约为46W,通过热交换器的作用,预热器的加热功率将小于10W.系统总体长度约40m,其中蒸发段长10m;总容积约为1.6L,其中储液器容积为0.99L.