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电子直接冷却系统中滑片泵工作性能的实验研究
摘要:在两相电子直接冷却系统中，传统的离心泵存在效率低、汽蚀严重等问题。针对这一问题，研制了一种滑片式旋转泵，并在两相电子蒸发冷却系统中进行了试验，根据试验数据对其工作性能进行了研究和分析。研究了吸入口尺寸对其性能的影响。在两相冷却系统中，体积效率随转速的增加而降低。排气阀对泵的稳定工作性能无致命影响。但在高转速下对容积效率的影响较大，而在低速下对容积效率的影响不大。在滑片式泵的驱动下，热流密度的变化可以快速获得稳定的冷却效果，同时由于压力的升高，流量之间也存在较小的依赖关系。因此，滑片泵可以作为两相电子直接冷却系统的替代泵。
- 介绍
技术的快速发展使得电子元件更加紧凑，运行功率更高，这也导致了热通量的增加。传统的冷却方式，如强制空气冷却系统，由于其易于控制的性能，在电子工业中得到了广泛的应用，但它消耗大量的能量，但冷却能力有限。为了解决散热问题，液体冷却引起了人们的广泛关注，包括两相蒸发冷却，相变材料冷却，喷雾冷却和射流冲击冷却。两相蒸发冷却由于潜热大，在电子制冷行业中发挥着越来越重要的作用。
Hannemann, Marsala, and Pitasi(2004)提出了一种由液压泵驱动的多相冷却系统用于微处理器的冷却，结果表明，与被动式水冷却系统相比，两相冷却具有优势。在相似的运行条件和系统规模下，两相冷却系统的冷却能力大约是被动水冷却系统的两倍。作为一种很有前途的电子设备冷却方法，人们在不同的应用领域做了很多努力。研究了两相电子冷却系统在高热流条件下的传热性能，实验结果表明，两相电子冷却系统的传热性能随热流密度的增大而增大，随蒸汽质量的增大而减小。Marcinichen等(2014)通过对被动式水冷却系统和蒸汽压缩冷却系统等不同冷却方式的对比研究，得出两相泵送冷却系统的冷却性能最佳。Tong et al.(2015)实验研究了用于数据中心冷却的两相热虹吸环路，得出结论R744比R22具有更好的传热性能。Liu等(2008b)研究了机械泵两相冷却系统的冷却性能，得出了该系统的可行性和稳定性。该系统具有良好的压力性能和合理的温度波动。Zhang等(2018)研究了发动机冷却的动态冷却性能，并对不同工况进行了讨论。Yan, Feng, and Peng(2015)实验分析了由泵驱动的两相冷却系统分别用一台压缩机，并得出带泵系统具有较高的能量比的结论。Kuo et al.(2013)根据实验数据和理论研究，对用于电子冷却的泡沫泵的工作性能进行了研究，结果表明饱和沸腾的影响导致了最佳的冷却性能。
在两相冷却系统中，泵作为核心装置，为散热器提供饱和或过冷的液体。磁泵和离心泵由于其成熟的技术和工程经验，目前在两相冷却系统中应用较多。实验数据表明，在22hz频率下，磁力泵效率仅为7.7% (Ma et al. 2016)，离心泵经常出现空化问题。Verlaat(2007)将液体蓄能器置于两相冷却回路中来处理泵汽蚀问题，但这个问题并没有从根本上得到解决。正排量泵可以很好地解决这一问题。对于滑片泵，Battarra、Blum、Mucchi(2019)等人对平衡泵的运动学进行了分析研究，并对滑片泵的叶顶半径和叶顶偏心率的影响进行了评估。Rundo、Altare和Casoli(2019)开发了一个三维数学模型来研究使用Pumplinx的滑叶泵的性能，并随着叶片数量的增加而提高容积效率。Cipollone、Bianchi等(2015a)和Cipollone、Di Battista等(2015b)提出了一种用于发动机冷却回路的滑片回转泵，并与离心泵进行了运行性能比较。根据一项实验测试(Cipollone和Di Battista 2015)，这种类型的泵被证明消耗更低的能量。然而，Cipollone、Bianchi等人(2015a)和Cipollone、Di Battista等人(2015b)的泵仅用于水泵冷却回路，泵的工作性能分别进行了研究。两相HFC输送比抽水复杂得多，系统性能也有很大差异。两相冷却系统中滑片式泵的工作性能及其冷却性能是影响整体冷却效果的核心装置，值得关注。
针对两相冷却系统，研制了一种滑片式回转泵，并在此基础上建立了相应的冷却系统，对泵的工作性能和冷却性能进行了研究。对该泵的吸排气角进行了理论分析，并通过实验进行了验证。此外，还研究了电子器件散热两相冷却系统的容积效率和放气阀的影响。研究了不同运行热流密度下滑片泵的动态稳定冷却性能。
- 滑片泵
在两相电子冷却系统中，传统的离心泵被广泛应用于工作液的输送。然而，它们的效率很低(Cipollone, Di Battista et al. 2015b)，而且它们深受空化问题的困扰。特别是当工作流体为HFC时，系统压力波动幅度较大。容积泵可以很好地避免气蚀问题。本文研制了一种用于HFC输送的滑片回转泵。传统的滑片式回转压缩机是将气体压缩在密封工作室内，由气缸、转子和相邻的滑片式压缩机产生。有瞬间密封工作腔，与吸出口断开。然而，由于液体不可压缩，这种类型的密封工作腔应该被拆除。图1为泵的结构示意图，圆形箭头表示旋转方向。两种吸入口均为连续工作设计，所有材料均不受工作液R134a腐蚀。至于泵，钢瓶的模制线条如下所示。
（1）
其中R是圆柱体的大半径，R是小半径。Y(h)是在极坐标下塑造的线条。
圆柱体的大半径为0.0335 m，小半径为0.025 m。叶片的厚度为0.0036 m，宽度为0.032 m。
图一 滑片泵结构示意图:(a)气缸截面描述;(b)滑片泵的说明
滑片泵的理论位移和质量流量计算如下:
（2）
（3）
其中Smax是由转子、气缸和两个叶片产生的工作腔的最大横截面积。L是叶片的宽度。N是转速。
使用式(4)计算体积效率
（4）
滑片泵的进、出口设计应避免在工作过程中出现密封室。只有这样，放电过程才应该在吸入过程结束的那一刻开始。对于最大吸入口，吸入口和排出口的角度如下式所示(如图2所示)。为了比较研究吸入口尺寸对泵性能的影响，我们研究了两种吸入口，如图2所示。通过计算得到吸力端口1，端口2定义为不包括叶片厚度的尺寸。
图2 排气口角度
根据式(5)和式(6)计算出最大吸出口角和最大出出口角。
（5)
(6）
- 电子直接冷却滑片泵的试验研究
3.1实验设备及性能指标
本文所述的滑片泵用于两相电子冷却系统，并建立了实验装置，如图3所示。储层为泵提供液体，流量由质量流量计测量。液体从滑片泵流出，流入加热器和散热器。如图4所示，10个尺寸为12毫米*13毫米的部件是连接到一个43毫米*48毫米的铜热撒布机并置于由铝合金冷板制成的散热器上。本文采用十组电子元件的散热器对两相冷却系统的冷却性能进行了研究。15毫米*8毫米的常规矩形通道是在散热器内，以引导流体流动。液体从散热器吸收热量，然后蒸发成两相状态。在冷凝器中冷凝后，液体流回储液器完成循环。冷凝温度高度依赖于空气温度。泵出口处的液体温度部分取决于压力的升高。压力由压力传感器PTX757测量，其测量范围和误差分别为0~2.5 MPa和plusmn;0.5%。用T型热电偶测试了冷却结果的温度，误差为plusmn;0.2°C。所有数据由横河公司数据采集仪MV2000采集。两相蒸发冷却系统流量调节采用手动阀。
为了评估带滑片泵系统的散热能力，本文引入了最大制冷量。由式(7)计算。
（7）
据达·席尔瓦报道，Jesus Moreno, and Thome(2009)认为，当蒸汽质量超过一定值0.8-0.9时，沸腾换热系数急剧下降。然而，没有关于质量数字的详细信息。作者报告说，虽然最大质量1.0是可以实现的，但它取决于许多参数，包括使用的工作流体，质量流量，热流密度，饱和温度等。因此，为了评价系统的最大冷却能力，选择了蒸汽质量1.0。Q是流过散热器的质量流量。hsg和hsl分别是液体在饱和蒸汽和液体状态下的焓值。
图4 散热器上电子元件的分布
传感器的精度已在上述部分中介绍。利用Kline和McClintock方法(Bevington和Robinson 2002)计算由传感器精度引起的系统制冷量误差，公式(8)为误差传播公式(Kline和McClintock方法，Bevington和Robinson 2002)。
（8）
其中，w1, w2，hellip;，wn为各自变量的不确定度。R是自变量x1 x2hellip;xn的给定函数。利用该方程，不同工况下的最大制冷量和容积效率的最大不确定度分别为0.82%和0.71%。
4.结果和结论
4.1流量和容积效率性能
在两相电子冷却系统中，质量流量是影响冷却性能和冷却能力的主要参数。实验中比较了两种吸入口的流量。图5显示了质量流率随转速增大而增大,质量流率的单位是吨每小时图的质量流率Q1被定义为一个结束的吸入口位置1在图2中,和相对应的Q2was位置2。吸力面积不同，但总吸力相同。从图5可以看出，q2小于Q1。Q1在800rpm之前，质量流量几乎随转速线性增加。在此过程中，回流速度和内部泄漏受转速的影响不大，因此q1和Q2之间没有很大的差异。当吸气口端放置在叶片右侧时，短时间内会产生密封腔，导致内泄漏增加，回流到进口通道。因此，q1和q2的差值随着转速的增加而增大。整体而言，吸力口的大小对质量流量有很大的影响，特别是在高转速工况下。
图5 质量流量随转速的变化
滑片泵用于HFC液体输送时，其容积效率是一个值得关注的问题，它影响着冷却系统的质量流量。图6为泵容积效率随转速增加的变化情况。在低速时，大约284 rpm，体积效率高于65%。随着转速的增加，体积效率急剧下降。随着转速的增加，液体抽吸过程变得更加困难，回流速度增加，导致体积效率下降。当转速达到1500 rpm左右时，效率约为45%。与压缩制冷系统相比，两相蒸发制冷系统的质量流量仍然较大，这是由于吸入液体的密度较大造成的。从图6中可以看出，随着转速的增加，制冷量增加，但是增加的比例减小，尤其是在高转速下。虽然缸半径只有33.5 mm，但带滑片泵的两相电子冷却系统的最大制冷量达到了100 kW以上。具有低转速(转速不超过1500转/分钟)的滑片回转泵可以提供高的冷却能力，但体积效率高于45%。
图6 容积效率和随转速增加的冷却能力
在滑片式回转泵中，没有吸入阀来保证液体的吸入。对于放气阀，可以用液体力或较小的压力将其打开。图7描述了排放阀对容积效率的影响。在低转速工况下，带或不带排气阀的泵的容积效率差异不大。随着转速的增加，泵的容积效率下降，但有放气阀的泵的效率下降快于没有放气阀的泵。当转速超过800转/分时，体积效率有明显差异。排气阀增加了泵的回流和内部泄漏，特别是在泵高速运行时。因此，在高转速工况下，排气阀对叶片泵的容积效率影响较大，而在低转速工况下，排气阀对叶片泵的容积效率影响较小。滑动泵在低速运行时，可以为单驱动一体化泵和压缩机冷却系统设计一个排放阀(Cipollone和Di Battista 2015)。然而，对于分离泵的应用，为了获得更高的容积效率，最好将排放阀移除。
图7 排气阀对容积效率的影响
4.2两相电子冷却系统的冷却性能
本章研究了带滑片泵的两相蒸发冷却系统的冷却性能，包括稳定冷却性能和动态冷却性能。图8给出了系统在热流密度为50 ~ 80 W/cm2时的动态冷却性能。气温是摄氏20度。可以明显看出，随着热流密度的变化，快速获得稳定的冷却效果。在一小时的工作运行中，滑片泵所提供的稳定的液体流量保证了两相电子冷却的效果。该滑片泵可作为两相电子蒸发冷却系统的输液设备。
图8 不同热负荷下的动态冷却性能
图9为滑片泵在不同工况下的稳定冷却性能。散热器上的电子元件分布如图4所示，选取代号为2、4、7、9的电子器件的电子元件表面温度来研究其散热性能。电子元件热负荷分别为48.5 W/cm2、60.6 W/cm2、72.7 W/cm2、96.9 W/cm2，流量范围为0.05 ~ 0.33 kg/s。由于传热系数的变化和其他电子元件的影响，所选的四个电子元件的冷却温度略有不同。
冷却温度随着流量的增加而降低，这是由于传热增强的结果。在低热流密度下(如图9a,b所示)，随着流量的增加，冷却温度先急剧下降，然后逐渐下降。一方面，沸腾换热系数随质量流量的增大而增大;另一方面，质量流量越大，滑片泵的压力升越高。泵的温升会随着压力的增大而增大，从而使流体的温度升高。对于高通量的情况(如图9c,d所示)，流体与电子元件之间的传热温差增加了。在这种情况下，泵液温升对整体冷却效果的影响较小，如图9d所示。在此过程中，流量对冷却效果的影响更为显著，甚至受到泵压力升高的影响。
图9 随着质量流量的增加，(a)热流密度为48.5 W/cm2， (b)热流密度为60.6 W/cm2， (c)热流密度为72.7 W/cm2， (d)热流密度为96.9 W/cm
整体传热系数由
（9）
其中q为电子设备的热通量。电离层温度是指电子元件表面的温度和流动流体的温度。整体传热系数。
图10为随Re数增加的整体换热系数，雷诺数根据散热器入口流体状态计算，由于各电子部件下位置处蒸汽质量计算困难。与图9的趋势不同，总传热系数总是随着雷诺数的增加
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