气凝胶夹芯金属热防护结构换热特性的实验研究_刘海涌
橡胶与金属热硫化粘接剂性能研究
第４期２０２３年８月机电元件ＥＬＥＣＴＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳＶｏｌ ４３Ｎｏ ４Ａｕｇ ２０２３收稿日期：２０２３－０３－１７橡胶与金属热硫化粘接剂性能研究王 璐１，韩继先１，孙海航１，冯柏润２，姜睿智１（１．沈阳兴华航空电器有限责任公司，辽宁沈阳，１１０１４４；２．空军装备部驻沈阳地区第三军代表室，辽宁沈阳，１１０１４４） 摘要：介绍了橡胶与金属热硫化粘接的基本机理及破坏类型，采用不同的双涂体系热硫化胶粘剂，对比研究三元乙丙橡胶、天然橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶与金属（铜合金Ｈ６２镀镍）的粘接性能。
结果表明：当用于铜合金镀镍件与三元乙丙橡胶、天然橡胶、氯丁橡胶粘接时，Ｐｏｌｙｔｏｎ８１３、８２１和Ｃｈｅｍｌｏｋ２０５、６１５０的粘接性能相近，剥离试验后的破坏类型相同；当用于铜合金镀镍件与丁腈橡胶粘接时，Ｃｈｅｍｌｏｋ２０５、６１５０的粘接性能优于Ｐｏｌｙｔｏｎ８１３、８２１；经过环境试验后，金属基体与橡胶的剥离强度普遍大于环境试验前的剥离强度。
关键词：橡胶；金属；热硫化胶粘剂；粘接性能Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－６１３３．２０２３．０４．０１３中图分类号：ＴＰ３９１ ９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－６１３３（２０２３）０４－００４６－０３１ 引言橡胶与金属是两种不同性质的材料，它们的化学结构和机械性能有着很大的差别［１］。
借助硫化橡胶与金属的粘接，可以使两种材料结合制得具有不同构型和特性的复合件，不仅增加了橡胶的抗震性能、绝缘性能、密封性能等，同时也增加金属的刚性和强度等性能［２，３］。
橡胶与金属热硫化粘接已广泛应用于许多工业领域，如航空、航天、电子、机械、船舶等，其粘接性能的好坏对粘接复合件的使用性能和可靠性起着关键性作用。
热硫化胶粘剂主要包括酚醛树脂、多异氰酸酯和卤化聚合物三大类，目前常用的进口热硫化胶粘剂主要有美国的Ｃｈｅｍｌｏｋ（开姆洛克）系列、Ｔｈｉｘｏｎ（罗门哈斯）系列，德国的Ｃｈｅｍｏｓｉｌ（汉高）系列等，其有效粘接体系一般都为双涂层粘接体系［４］。
基于COMSOL的三明治夹芯板隔声特性仿真分析
第20卷 第3期 中 国 水 运 Vol.20 No.3 2020年 3月 China Water Transport March 2020收稿日期：2019-01-26作者简介：张 猛，海装沈阳局驻大连地区第一军事代表室，高级工程师。
基于COMSOL 的三明治夹芯板隔声特性仿真分析张 猛1，周李姜2（1.海装沈阳局驻大连地区第一军事代表室，辽宁 大连 116000； 2.中国舰船研究设计中心，船舶振动噪声重点实验室，湖北 武汉 430064）摘 要：本文基于有限元软件COMSOL 开展三明治夹芯平板的隔声特性仿真分析。
首先建立了隔声量有限元模型，结合平面波正入射有关理论，完成了铝板的仿真分析与对比研究，验证了该仿真模型的准确性； 随后讨论了芯层厚度、芯层材料属性（模量与阻尼）等变化对于三明治夹芯平板隔声性能的影响规律。
关键词：夹芯板；有限元法；隔声特性中图分类号：U211.5 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2020）03-0021-03引言三明治夹芯板是一种特殊的新型板材结构，在航空航天器、车辆、船舶等领域，采用这种结构可以在满足强度要求的条件下，进一步使其具有隔热、降噪等方面的效果，与传统的板材结构相比，其轻量化更显示出优势。
关于隔声的理论工作可以追溯到Rayleigh 提出的用于薄板传声损失计算的质量定律；随后的弹性理论进一步丰富了该理论，发现了其中的吻合效应；之后又提出了混响场中单双层墙隔声计算理论等[1]。
一般来说，增加隔声板的厚度和密度，可以增加隔声量，但这一方法并不经济，其是对于隔声要求较高的情况下，单层板并不能满足要求。
而多层板结构对比同等质量的单层结构具有更好的隔声性能，随后也出现了大量的相关研究，其中也出现了对于夹心复合板的隔声性能的研究[2~5]，但总的说来，这方面工作还比较少；另外，在研究方法方面，对于多层结构而言，其隔声量的解析表达式较繁杂，甚至无法获得，所以采用数值模拟的方法分析它在不同频带的隔声特性日益受到关注[6]。
铝基金属相变材料储热研究进展
大的灵活性，扩展了相变材料的应用场景。
铝在高温下对铁基等多种材料的腐蚀性是铝作为高温
相变储热材料在工业应用中最不能忽视的一个问题。系统升
至高温时，铝基金属发生相变变成液态铝，会迅速与铁基材
料以及大部分金属发生反应，不仅会腐蚀铁基容器，还会对 液态铝造成污染 [6]。为了解决这一问题，制备出性能能够满
1 引言 2022 年，中国工程院在创新与新兴产业发展国际会议
上，发布了《我国碳达峰碳中和战略及路径》[1]。其中，能源 一直是“双碳”目标实现的重要一环，面对有限的不可再生 能源消耗，除了加紧对可再生能源的开发，对能源的储存也 至关重要。储能技术可以提高能源的利用效率，从空间和时 间上对能源更好的分配利用，从而降低生产成本以及节约能 源。热能作为能源利用中最基本、最主要的形式，在工业中 占据重要地位。因此，储热技术已经成为当下热点。
4 世界有色金属 2024年 2月下
M 冶金冶炼 etallurgical smelting
的研究有着积极意义。
2 材料性能
铝的熔点为 660.2℃，相变焓为 395.4J/g，明显高于目
前 熔 盐 罐 常 用 的 无 机 盐（Na2SO4-SiO2，相 变 焓 80J/g）， 也相较于其他金属（镁，相变焓为 376.8J/g、锌，相变焓为
此外，AlN 等陶瓷也能作为铝基金属微胶囊的外壳。微 胶囊的外壳能够在高温工作条件以及多次热循环下不与相 变材料发生反应，也能保证相变材料不发生泄露。
足应用需求的高温相变储热的铝基金属相变材料的研究在
近年来备受关注。
3 制备方法 为了解决高温下铝对铁基高腐蚀性、以及液态铝流动性
等影响，目前采用的解决方法均为对作为相变材料的铝基金 属进行封装，常用的方法有微胶囊法、混合烧结法以及宏观 封装法。 3.1 微胶囊法
蜂窝夹芯板在高速冲击下的动态响应研究
0引言直升机由于其具有平移飞行、悬停飞行和垂直起降的能力，使其成为所有飞行器中用途最广泛的类型之一[1]。
迄今为止，直升机已经广泛应用于军事和民用领域，然而，近几十年来，直升机安全问题越来越受到关注。
对直升机事故调查发现，飞机耐撞性被视为关键问题之一。
但直到越南战争时期才引起足够的重视，第一批优先考虑防撞设计的是UH-60黑鹰和AH-64阿帕奇直升机[2]。
在之后的开发中，耐撞性设计变得越来越重要。
而在各种典型的能量吸收结构中，蜂窝结构由于具有高比强度、比刚度和显著的能量吸收性能，在大多数工程领域得到了广泛应用[3]。
迄今为止，在耐撞性研究中，人们开发了许多蜂窝夹层结构来提高能量吸收能力。
目前Sun 等人[4]研究了基于一阶和二阶顶点的分层蜂窝的平面外耐撞性行为。
结果表明，一阶和二阶蜂窝的比能量吸收分别提高了81.3%和185.7%，而峰值力没有增加太多。
Ma 等人[5]研究了仿生自相似规则分层蜂窝在面外冲击载荷下的耐撞性。
分层单元组织可以加强材料强度，从而提高抗压强度和能量吸收能力。
湖南大学[6]和东南大学团队[7]关于蜂窝夹层结构几何属性对其抗冲击的影响有了系统性的研究。
但是，直升机在飞行过程中往往遭受高速冲击，而在这方面的研究目前还相对较少。
所以本文通过ABAQUS 建立了蜂窝夹芯结构的有限元模型，并模拟了破片侵彻夹芯结构的过程，分析了在破片高速贯穿夹芯板时，结构各部分的损伤情况。
并进一步对比了各部分参数的变化对其吸能的影响，旨在进一步了解夹芯结构的面板、芯层的参数和夹芯板耐撞性之间的关系。
1数值仿真模型及参数设置有限元模型分为夹芯结构和破片，其中夹芯板的结构如图1所示，前后面板为边长150mm 的正方形，厚度1mm ；芯层采用边长为4mm，厚度为0.07mm 的正六边形蜂窝，高度为15mm。
破片采用球型破片，其直径为12mm，质量为7.05g。
由于主要研究夹芯板的动态响应过程，所以不考虑破片自身的变形情况，将破片设置为钢体结构。
一种新型结构的脉动热管启动特性实验研究
2021年13期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application一种新型结构的脉动热管启动特性实验研究*李德辉，鲁祥友*，景艳阳，张虎，刘晨晨（安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥230601）脉动热管是由日本学者Akachi [1]提出的一种高效传热设备，具有结构简单、体积小、成本低、传热能力高等特点，近年来得到了众多国内外科研工作者和机构的广泛关注和研究。
通过实验研究对脉动热管特性主要包括启动性能、传热性能、传热极限等。
结构几何参数、填充工质的特性和工况、运行工况[2]等参数会影响以上性能。
随着新能源电动汽车的崛起，各类型新型电池作为其动力的主要来源直接影响行驶里程，对电动汽车电池热管理提出了更严苛的要求[3]。
电池在工作时内部存在多种反应热及外界环境温度变化，会造成电池在非正常温度环境下工作。
往往导致电池组性能下降，寿命缩短，温度变化较大甚至会引发可燃性危险。
随着微电子封装技术和集成技术的发展，电子元器件和电子设备的尺寸逐渐趋于小微型化，所产生的热量会迅速累积，导致集成电子与元器件周围的热流密度增加，该温度将会影响到电子元器件和设备的性能，其对散热的需求更加提高[4]。
脉动热管这种新型高效的传热元件就成为解决这一问题的高效方案之一。
工质的特性直接影响着脉动热管的启动性能，启动所需时间的长短、启动所需的输入功率和达到准稳态振荡的温度为基本指标[5]。
启动所需时间越短、启动所需的最低热流量越少、启动完成时的温度越低，启动性能越好。
当脉动热管的温度曲线由不断上升转变为持续振荡状态时，标志着启动完成[6]。
史维秀等[7]研究了以体积分数50%的无水乙醇水溶液在不同加热功率及热管倾角下最低加热段启动温度趋于60℃以上。
王迅等[8]以甲醇、丙酮，以及二者体积比1∶1混合组成的甲醇/丙酮混合液为工质，对脉动热管在不同加热功率和充液率下的启动特性进行了实验研究，各工况下的启动温度均在30℃以上。
典型热塑性材料烟气迁移特性实验研究
第１１卷第４期２０１２年１２月热科学与技术Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ．１１Ｎｏ．４Ｄｅｃ．２０１２文章编号：１６７１－８０９７（２０１２）０４－０３５８－０５ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－８０９７．２０１２．０４．０１４典型热塑性材料烟气迁移特性实验研究吴众刚， 杨立中＊， 张甲雷， 章涛林（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥２３００２７）摘要：为了了解典型建筑保温热塑性材料烟气迁移特性，采用接近ＩＳＯ９７０５标准房的１／３大小的试验体系对建筑保温热塑性材料（主要研究聚苯乙烯烟气迁移特性）燃烧产生的烟气中的ＣＯ进行实时的在线检测并且与ＦＤＳ软件模拟的相关结果进行比较。
考虑从燃烧腔体流出的高温烟气与流入走廊腔体内的空气进行隔离对燃烧腔体内ＣＯ峰值的影响，实验在整个走廊腔体内设置了一个可上下移动的挡板以隔绝走廊腔体内空气与高温气体的接触。
实验及模拟结果均表明，走廊腔体内设置挡板时燃烧腔体内ＣＯ峰值明显低于走廊腔体未设置挡板时燃烧腔体内ＣＯ峰值。
关键词：烟气迁移；水平挡板；燃烧腔体；ＣＯ中图分类号：ＴＫ１２１文献标识码：Ａ收稿日期：２０１２－０４－２０； 修回日期：２０１２－１１－２６．基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目（２０１２ＣＢ７１９７０４）．作者简介：吴众刚（１９８７－），男，硕士生，主要研究方向为火灾烟气迁移特性；杨立中（１９６８－），男，博士，博士生导师，主要研究建筑火灾动力学、特殊环境和条件下火灾动力学及紧急条件下人员疏散规律．Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｇｌｚ＠ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ０ 引 言火灾是失去控制的燃烧，在诸多灾害中，它的发生频率最高。
火灾危害主要是热量、烟气和缺氧这三种因素的作用［１］。
对于大多数火灾而言，相对于热量和燃烧造成的伤亡损失，烟气所造成的伤亡损失比例最大［２］。
统计结果表明［３］，火灾中８５％以上的死者是由于烟气的影响，其中大部分是吸入了烟尘及有毒有害气体昏迷后而致死的。
Zr-MOF复合气凝胶用于燃油吸附脱硫
第２期 收稿日期：２０２０－１１－３０作者简介：张瑞君（１９６５—），吉林省吉林市人，主要从事乙烯工艺研究；通信作者：王卫东。
Ｚｒ－ＭＯＦ复合气凝胶用于燃油吸附脱硫张瑞君１，邓 雷２，王泓博３，李成玉３，王卫东３（１．中国石油吉林石化公司乙烯厂，吉林吉林 １３２０００；２．中国石油吉林石化公司化肥厂，吉林吉林 １３２０１１；３．吉林化工学院石油化工学院，吉林吉林 １３２０００）摘要：面对燃料油中硫含量日益严格的排放标准，燃油的深度脱硫成为函待解决的问题。
通过共价交联法制备Ｚｒ基金属骨架复合气凝胶，用于油品的吸附脱硫。
结果表明：Ｚｒ－ＭＯＦ成功复合到气凝胶块体结构中，使得材料具有较高的比表面积和多级孔道，对噻吩类硫化物具有较好的脱除效果。
关键词：ＭＯＦ；气凝胶；脱硫中图分类号：ＴＱ０３１．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０２０）０２－００４１－０２Ｚｒ－ＭＯＦＡｅｒｏｇｅｌｆｏｒＦｕｅｌＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎＤｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎＺｈａｎｇＲｕｉｊｕｎ１，ＤｅｎｇＬｅｉ２，ＷａｎｇＨｏｎｇｂｏ３，ＬｉＣｈｅｎｇｙｕ３，ＷａｎｇＷｅｉｄｏｎｇ３（１．ＥｔｈｙｌｅｎｅＰｌａｎｔ，ＰｅｔｒｏＣｈｉｎａＪｉｌｉｎＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＣｏｍｐａｎｙ，Ｊｉｌｉｎ １３２０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＦｅｒｔｉｌｉｚｅｒＰｌａｎｔ，ＰｅｔｒｏＣｈｉｎａＪｉｌｉｎＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＣｏｍｐａｎｙ，Ｊｉｌｉｎ １３２０１１，Ｃｈｉｎａ；３．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉｌｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｌｉｎ １３２０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｆａｃｅｏｆｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｓｔｒｉｎｇｅｎｔｅｍｉｓｓｉｏｎｓｔａｎｄａｒｄｓｆｏｒｓｕｌｆｕｒｃｏｎｔｅｎｔｉｎｆｕｅｌｏｉｌ，ｄｅｅｐｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｆｕｅｌｏｉｌｈａｓｂｅｃｏｍｅａｐｒｏｂｌｅｍｔｏｂｅｓｏｌｖｅｄ．Ｚｒ－ｂａｓｅｄｍｅｔａｌｓｋｅｌｅｔｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅａｅｒｏｇｅｌｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｃｏｖａｌｅｎｔｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒａｄｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｆｕｅｌ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＺｒ－ＭＯＦｗａｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｃｏｍｐｏｕｎｄｅｄｉｎｔｏｔｈｅａｅｒｏｇｅｌｂｌｏｃｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈｍａｄｅｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｈａｖｅｈｉｇｈｅｒｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅａｒｅａａｎｄｍｕｌｔｉｓｔａｇｅｐｏｒｅｃｈａｎｎｅｌｓ，ａｎｄｈａｄｂｅｔｔｅｒｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｉｏｐｈｅｎｅｓｕｌｆｉｄｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＯＦ；ａｅｒｏｇｅｌ；ｄｅｓｕｌｐｈｕｒｉｚａｔｉｏｎ 随着国内外环保法规的日益完善，世界各国对燃料油中的硫化物含量标准越来越严格。
基于飞发一体化的滑油系统热性能仿真
第 50 卷第 2 期2024 年 4 月Vol. 50 No. 2Apr. 2024航空发动机Aeroengine基于飞发一体化的滑油系统热性能仿真冷子昊1，2，程荣辉1，苏壮1，2，张司薇3，李国权1，2（1.中国航发沈阳发动机研究所， 2.中国航空发动机集团航空发动机动力传输重点实验室：沈阳 110015；3.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191）摘要：航空发动机滑油系统与飞机、发动机的关联参数有限。
为准确表达变工况滑油系统的热性能，通过研究发动机轴承腔热性能与转子转速及主流路温度参数的拟合关系，将主机温度、燃滑油参数作为输入，对发动机滑油系统在飞行剖面上典型飞行状态点的热性能参数进行了迭代计算；针对管壳式燃滑油散热器结构及运行特性，计算了散热器换热性能。
建立轴承腔和散热器的数学模型；基于系统流动仿真平台，利用内部的二次开发环境编写出C#语言代码，开发出了适用于发动机的轴承生热模型和散热器模型，实现发动机滑油系统与发动机燃油系统及飞机热管理系统的联合计算；在航空发动机、飞机变工况输入条件下，进行滑油系统、发动机整机及飞发一体化的变工况热性能迭代计算，并与试验数据进行对比。
结果表明：该计算方法误差小于5%，可较准确地反映变工况条件下的热管理相关参数，为飞发一体化热管理联合仿真分析提供可靠的数据来源。
关键词：滑油系统；轴承腔；散热器；热性能；热管理；航空发动机中图分类号：V233.4+1文献标识码：A doi：10.13477/ki.aeroengine.2024.02.016Thermal Performance Simulation of Lubricating Oil System Based on Aircraft-engine Integration LENG Zi-hao1，2， CHENG Rong-hui1， SU Zhuang1，2， ZHANG Si-wei3， LI Guo-quan1，2（1. AECC Shenyang Engine Research Institute，2.AECC Key Laboratory of Power Transmission Technology on Aero-engine： Shenyang 110015， China；3. School of Aeronautical Science and Engineering， Beijing University of Aeronautics and Astronautics， Beijing 100191， China）Abstract：The correlation parameters between the aeroengine lubricating oil system and Aircraft & engine are limited. In order to accurately express the thermal performance of the lubricating oil system under variable operating conditions, the thermal performance parameters of the engine lubricating oil system at typical flight state points on the flight profile were calculated iteratively by studying the fitting relationship between the thermal performance of the engine bearing chamber and the rotor speed and the engine gas path temperatures, and taking the main engine temperature and fuel oil parameters as inputs; According to the structure and operation characteristics of shell and tube fuel oil radiator, the heat transfer performance of the radiator was calculated. The mathematical models of the bearing chamber and the radiator were established. Based on the system flow simulation platform, the C # language code was compiled using the internal secondary development environment, and the bearing thermal model and radiator model applicable to the engine were developed to achieve the joint calculation capability of the engine oil system, engine fuel system, and aircraft heat management system. Under the input conditions of the aeroengine and aircraft under variable working conditions, iterative calculations of the thermal performances under variable working conditions at levels of the lubricating oil system, the whole engine, and the aircraft-engine integration were conducted, and compared with the test data. The results indicate that the calculation error is less than 5%. The calculation method can reflect the relevant thermal management parameters under variable working conditions accurately, and provide a reliable data source for the joint simulation analysis of integrated aircraft-engine thermal management.Key words：aeroengine; lubricating oil system; bearing chamber; radiator; thermal performance; thermal management0 引言随着现代军事技术的飞速发展，下一代飞机对电力系统的需求增加了近1个数量级，热系统的负荷显著增大[1]，发动机进口燃油温度提高，从而对飞机和发动机的热管理提出了更高的要求[2]，然而，传统飞机的收稿日期：2022-09-09 基金项目：航空动力基础研究项目资助作者简介：冷子昊（1992），男，硕士，工程师。
铝合金压铸过程铸件／铸型界面换热行为的研究 Ⅰ.实验研究和界面换热系数求解
Ｃ ｒｅｐ ｎ ｅ ｔ ｏ ｒｓ ｏ ｄ ｎ ：ＸＩ ＯＮＧ ｈ ｕ ｉｐ ｏｅ ｓ ｒ Ｓ ｏ ｍｅ， ｒｆ ｓｏ ， ｆ Ｏ Ｄ６ ７ ３９ ， ｍａｌ ｍｘｏ ｇ ｓｎ ｈ ａ ｅ ｕｃ （ｌ ）２ ７７ ３ 口 ｉ ：ｓ ｉ ｎ ＠ｔｉｇ ｕ ．ｄ ．ｎ
Ｓ ｐ ｏｔ ｙＫｏｅ ｎｔ ｕｅｏ Ｉｄ ｓｒａ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｙ（０６００９ ）Ｎａｉｎ ｌ ａｕａ Ｓ ｉ ｃ ｏ ｎ ａ ｕｐ ｒｅ ｂ ｒａＩｓｉ ｔ ｌ ｎ ｕ ｔ ｌ ｅｈ ｏｏ ２０３０１６， ｔ ａ Ｎ ｔｒｌ ｃｅ ｅ ｕ ｄ — ｄ ａ ｓｃＲｅ ｅ ｒｈＰｒ ａ ｏ ｈ ｎ ２０ Ｃ ７４ ０ ｉ ｎ ｏ ｈ ｎ ５ ６５ １ ）ａ ｄ Ｎｎｉｎ ｌ Ｂａ ｉ ｓ ａ ｃ ｏ ｒ ｍ ｆＣ ｉ ａ ｆ ５ Ｂ ２ １ ５ ． ｑ ０ ）
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铸型之间的界面热流和换热系数峰值均减小，但是界面热流和换热系数较大值保持的时间则逐渐增大．
关键词 压铸，铝合金，界面换热系数
中图法分类号
Ｔ ２９２ Ｔ ９ Ｇ ４．， Ｇ２２
文献标识码 Ａ
文章编号
０１ － ９ １ ０７１－ １９ ０ ４ ２ １６ （ ０ ）１ １４ － ６ ２
ｓ ｕＤＹ Ｎ Ａ ＲＡＮｓ Ｅ ＨＡ ｏＲ Ａ Ｔ ／ Ｅ Ｔ ｏ ＨＥ Ｔ Ｔ Ｆ Ｒ ＢＥ ＶＩ Ｔ ＭＥ ＡＬ ＤＩ
维普资讯
第４ ３卷
第 １ 期 １
仓 扁 学 坂
ＡＣ ＴＡ ＥＴＡＬＬＵＲ ＧＩ Ｍ ＣＡ Ｉ Ｉ Ｓ Ｎ ＣＡ
高热流密度多热源冷却用相变换热冷板实验研究
西安工程大学学报J o u r n a l o f X i a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y第37卷第5期(总183期)2023年10月V o l .37,N o .5(S u m.N o .183)引文格式:刘凯,刘金平,周易,等.高热流密度多热源冷却用相变换热冷板实验研究[J ].西安工程大学学报,2023,37(5):99-106.L I U K a i ,L I U J i n p i n g ,Z HO U Y i ,e t a l .E x p e r i m e n t a l s t u d y o n p h a s e c h a n g e h e a t t r a n s f e r c o o l i n g pl a t e f o r m u l t i -p l e h e a t s o u r c e s c o o l i n g w i t h h i g h h e a t f l u x [J ].J o u r n a l o f X i a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y,2023,37(5):99-106. 收稿日期:2023-06-05 修回日期:2023-09-25 基金项目:国家自然科学基金(51776075) 第一作者:刘凯(1999 ),男,硕士研究生㊂ 通信作者:刘金平(1962 ),男,教授,博士,研究方向为强化传热传质㊂E -m a i l :m p j pl i u @s c u t .e d u .c n 高热流密度多热源冷却用相变换热冷板实验研究刘 凯1,刘金平1,2,周 易3,朱文杰3,王泽嵩1(1.华南理工大学电力学院,广东广州510641;2.广东省能源高效清洁利用重点实验室,广东广州510641;3.上海海立电器有限公司,上海201206)摘要 针对高热流密度电子元器件的散热问题,设计加工了5块不同结构㊁不同加工方式的相变换热冷板,并研究了泵驱动相变换热冷板结构参数㊁热流密度㊁制冷剂流量㊁热源布置等因素对冷板换热性能㊁阻力㊁泵功耗等方面的影响㊂结果表明:所设计的钻孔冷板换热性能优异,对总发热量5000W ㊁热流密度38W /c m 2的分散热源进行散热时,热源表面与冷板内制冷剂温差小于25ħ,同时冷板阻力小于30k P a ,泵功耗小于35W ;冷板的加工方式对其换热效果影响显著,冷板应尽量采用一体化设计,减少热传递的环节,避免不同材料嵌合产生的接触热阻;当多个热源热流密度不同时,将热流密度较大的热源布置在靠近冷板入口处有更好的换热效果㊂关键词 高热流密度;多热源;相变换热;冷板;R 134a开放科学(资源服务)标识码(O S I D )中图分类号:T B 61;T B 654 文献标志码:AD O I :10.13338/j.i s s n .1674-649x .2023.05.014E x p e r i m e n t a l s t u d y o n p h a s e c h a n g e h e a t t r a n s f e r c o o l i n g pl a t e f o r m u l t i p l e h e a t s o u r c e s c o o l i n g w i t h h i gh h e a t f l u x L I U K a i 1,L I U J i n p i n g 1,2,Z H O U Y i 3,Z HU W e n j i e 3,WA N G Z e s o n g1(1.S c h o o l o f E l e c t r i c P o w e r E n g i n e e r i n g ,S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,G u a n gz h o u 510641,C h i n a ;2.G u a n g d o n g P r o v i n c e K e y L a b o r a t o r y o f E f f i c i e n t a n d C l e a n E n e r g y U t i l i z a t i o n ,G u a n gz h o u 510641,C h i n a ;3.S h a n g h a i H i g h l y E l e c t r i c a l A p p l i a n c e s C o .L t d .,S h a n gh a i 201206,C h i n a )A b s t r a c t I n v i e w o f t h e h e a t d i s s i p a t i o n o f e l e c t r o n i c c o m p o n e n t s w i t h h i gh h e a t f l u x ,f i v e p h a s e c h a n g e h e a t t r a n s f e r c o l d p l a t e s w i t h d i f f e r e n t s t r u c t u r e s a n d p r o c e s s i n g m e t h o d s w e r e d e s i gn e d ,t h e e f f e c t s o f c o l d p l a t e s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s ,h e a t f l u x ,r e f r i ge r a n tf l o w r a t e ,a n d h e a t s o u r c e l a y o u t o n h e a t t r a n s f e r p e r f o r m a n c e ,r e s i s t a n c e o f c o l d p l a t e ,a n d t h e p u m p p o w e r c o n s u m pt i o nw e r e e x p e r i m e n t a l l y s t u d i e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e s i g n e d p e r f o r a t e d c o l d p l a t e h a s e x c e l-l e n t h e a t t r a n s f e r p e r f o r m a n c e.T h e d e s i g n e d p e r f o r a t e d c o l d p l a t e m a i n t a i n s a t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e o f l e s s t h a n25ħb e t w e e n t h e h e a t s o u r c e s u r f a c e a n d t h e r e f r i g e r a n t i n s i d e t h e c o l d p l a t e w h e n d i s s i p a t i n g a t o t a l h e a t o u t p u t o f5000W a n d a h e a t f l u x o f38W/c m2,w i t h c o l d p l a t e r e s i s t a n c e l e s s t h a n30k P a a n d p u m p p o w e r c o n s u m p t i o n l e s s t h a n35W.T h e p r o c e s s i n g m e t h o d o f c o l d p l a t e h a s a s i g n i f i c a n t i n f l u e n c e o n i t s h e a t t r a n s f e r e f f e c t.T h e c o l d p l a t e s h o u l d a d o p t i n t e g r a t e d d e s i g n a s f a r a s p o s s i b l e t o r e d u c e t h e l i n k o f h e a t t r a n s f e r a n d a v o i d t h e c o n t a c t t h e r m a l r e s i s t a n c e c a u s e d b y t h e c h i m e r i s m o f d i f f e r e n t m a t e r i a l s.W h e n m u l t i p l e h e a t s o u r c e s h a v e d i f f e r e n t h e a t f l u x d e n s i t i e s,p l a c i n g t h e h i g h e r h e a t f l u x h e a t s o u r c e c l o s e r t o t h e i n l e t o f t h e c o l d p l a t e a c h i e v e s b e t t e r h e a t t r a n s f e r e f f i c i e n c y.K e y w o r d s h i g h h e a t f l u x;m u l t i p l e h e a t s o u r c e s;p h a s e c h a n g e h e a t t r a n s f e r;c o l d p l a t e;R134a0引言高热流密度电力电子元器件被广泛应用于新能源汽车㊁数据中心㊁航空航天等领域,越来越高的功率和集成度使其对散热和温控有更高的要求[1]㊂I G B T(绝缘栅双极型晶体管)是能源转换与传输的核心器件,被广泛用于电动汽车及充电桩等设备中,是一种新型电力半导体自关断器件,工作时产生大量的热导致其内部芯片温度升高,影响工作效能㊂研究表明,半导体器件的可靠性与其工作温度密切相关,温度每升高10ħ,芯片的可靠性降低一半[2];半导体芯片过高的温度波动可能会造成芯片热故障,进而使器件性能恶化,降低使用寿命[3]㊂常用的I G B T模块中芯片最高允许温度不超过125ħ,对应I G B T基板温度应小于80ħ[4]㊂目前I G B T广泛使用水冷板进行散热,但随着其热流密度的提高,水冷板散热暴露出散热能力不足㊁均温性较差的问题,I G B T模块需要更加高效的热管理方式㊂两相流冷却因为换热性能好㊁温度均匀性高㊁功耗小等特点一直以来备受关注,其中相变换热冷板作为核心换热设备,国内外专家学者对冷板结构㊁换热性能㊁阻力特性㊁两相流系统运行特性等方面进行了研究㊂冯亚利等以R134a为工质,研究了多热源(热流密度0.4~5.5W/c m2)散热时冷板的均温性,同时在多支路实验时,研究了单一支路负荷变化对系统流量分配的影响[5]㊂王佳选等设计加工了一块紫铜材质的微通道冷板,可以实现0~6k W的散热,并对多支路的稳定运行进行了研究[6]㊂战斌飞等设计并优化了一块微通道冷板用于18个热源的散热,总散热量为300W,并研究了使用水以及R236f a等相变工质对热源冷却时冷板表面的温度均匀性,最终实现冷板冷却后板面温度最大温差小于2ħ[7]㊂李晨阳对热流密度范围0~20W/c m2共6个I G B T的散热进行了分析,着重研究了R245f a与R134a混合的非共沸混合工质在微通道换热器中的沸腾换热特性,发现微通道散热器使用混合工质比采用纯质R245f a有更高的可靠性[8]㊂窦新以水为工质,设计了液冷板,并以仿真结合实验的方式研究了液冷板流道翅片结构对I G B T散热的影响,并给出了I G B T变工况下相应的冷却策略[9]㊂陈陶菲等设计了一种往复式两相流冷却系统,并对系统充液率进行了研究,获取了最佳充液率[10]㊂杨文量等发现不同热流密度时冷板壁面温度随流量的变化规律不同,这与对流换热与沸腾换热占比有关[11]㊂杜保周等以去离子水为工质,研究了圆形㊁菱形㊁椭圆形3种形状微肋通道内的流动沸腾换热机理,发现微肋通过抑制气泡的反向流动增大了流动沸腾的稳定性,椭圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最好[12]㊂王雨晨等采用低压制冷剂R1233z d (E)对平行通道直冷板的压降特性进行了研究,发现制冷剂的摩擦压降与制冷剂相态㊁热流密度㊁质量通量有关[13]㊂许时杰将蛇形液冷板用于电池热管理,并对其热阻以及管路压力损失进行了理论分析和数值仿真,发现最好的散热结构通常具有管道宽度大㊁转弯内半径小的特点[14]㊂温达旸等设计的非均匀翅片液冷板与传统并行微通道设计相比,其液冷板质量㊁泵功耗㊁温度标准偏差均有降低[15]㊂L I U等采用C O2为工作流体,搭建了一套机械泵驱动两相流冷却系统,研究了两相冷却系统的压力控制与启动原理,结果表明该系统呈现出良好的回路压力特性,可以应对大幅温度波动和热冲击[16-17]㊂L I N等在两相循环回路中增加了旁通管路并连接了喷射器,可防止未冷凝蒸汽进入机械泵,并使两相流循环更加稳定[18]㊂A K B A R Z A D E H等设计了一种嵌入相变材料(P C M)的新型液冷板,可以同时利用主动和被动冷却,与传统冷板相比更加轻便节能[19]㊂L EÃO等研究了R245f a在平行矩形微通道散热器中的流动沸腾特性,发现换热系数随质量流001西安工程大学学报第37卷量以及液体过冷度的增大而增大[20]㊂P A R K等得到了R134a㊁R236f a㊁R245f a在2种不同微通道换热器中的临界热流密度[21]㊂D A N G等通过实验研究了非共沸混合工质(R134a/R245f a)不同配比时在矩形微通道换热器中的换热性能,提出了一种新的非共沸混合物流动沸腾传热性能预测方法[22]㊂但是现有研究对冷板自身热阻对换热的影响描述不够明确,在多热源散热时,未考虑热源相对位置对散热效果的影响㊂本文针对高热流密度I G B T的散热问题,设计加工了5块不同结构㊁不同加工方式的相变换热冷板,搭建了泵驱动相变换热冷板实验系统,研究了冷板结构㊁热源热流密度㊁制冷剂流量等因素对冷板换热性能㊁阻力㊁泵功耗等方面的影响,并分析了2种加工方式冷板的自身热阻㊁多热源相对位置分布对换热的影响㊂1泵驱动相变换热冷板实验系统1.1模拟热源及热阻控制实验采用的模拟热源材质为A l6063,上方加工了2个直径8.2m m㊁深50m m的孔,将氧化镁加热棒涂抹导热硅脂后插入其中,通过改变氧化镁加热棒的发热功率,来模拟电子元器件产生的不同发热量和热流密度㊂模拟热源上加工了3个间隔10m m㊁直径1.2m m㊁深25m m的孔,用于放置热电偶㊂根据3个热电偶测得的温度,即可推算出模拟热源与冷板接触面的温度[23],即模拟热源换热表面的温度㊂高热流密度电子元器件散热时,电子元器件与冷板之间的接触热阻往往会影响换热效果[24],而接触热阻与接触面填充材料及压紧力有关[25-26]㊂因此,本实验在热源与冷板之间添加了导热系数为8.5W/m㊃K㊁厚度为0.2m m的导热相变材料(H o n e y w e l l P T M7950)作为填充材料,以降低接触热阻;使用G型夹具将冷板与模拟热源压紧,利用称重传感器测量压紧力,通过设置相同的各模拟热源初始压紧力来确保接触热阻一致,夹持模型如图1所示㊂图1模拟热源夹持模型F i g.1 F i x a t i o n m o d e l o f s i m u l a t e dh e a t s o u r c e实验共布置了8个上述模拟热源用来模拟实际应用时多热源的散热场景,其位置分布及编号如图2所示(模拟热源根据冷板内制冷剂流经先后顺序进行编号)㊂图2模拟热源编号及位置分布F i g.2 S i m u l a t e d h e a t s o u r c e n u m b e ra n d l o c a t i o n d i s t r ib u t i o n1.2冷板设计及加工本文设计加工了铝板铜管复合冷板㊁铝板钻孔冷板2种形式,见图3㊂铝板铜管复合冷板是在铝板加工出流道后将铜管嵌入,再使用环氧树脂(E p-o x y r e s i n)黏接或者通过锡(S n)焊将二者固定㊂同时为了避免铜管和基板温度不同时热源散热不均,模拟热源被布置在纯铝面(图示为铜管基板镶嵌面而非工作面,背面纯铝面为工作面)㊂钻孔冷板加工方式为整块铝板通过钻孔加工出流道后,再使用钎焊技术进行密封㊂冷板使用铝合金作为基板以满足强度要求与电子元器件的安装需求,采用多排并联圆截面蛇形通道作为换热通道㊂为了研究换热通道直径㊁通道数量以及加工方式对冷板性能的影响,本文设计并加工了5块冷板,冷板命名方式为加工工艺/填料-换热通道直径-换热通道数,铝板铜管复合冷板厚度为8.2mm,钻孔冷板厚度为15mm ㊂(a)铝板铜管复合冷板(b)铝板钻孔冷板图3冷板实物图F i g.3 P h y s i c a l d r a w i n g o f c o l d p l a t e1.3实验系统实验的系统原理图如图4所示,泵驱动相变换热冷板实验系统主要由冷板㊁冷凝器㊁储液罐和制冷101第5期刘凯,等:高热流密度多热源冷却用相变换热冷板实验研究剂泵组成㊂综合考虑黏度㊁汽化潜热㊁导热系数等因素,实验选用R 134a 作为制冷剂,其经济性和安全性均有一定保证㊂制冷剂存储在储液罐中,在制冷剂泵的驱动作用下进入冷板,在冷板内相变换热带走上方模拟热源的热量后进入冷凝器中冷凝放热,最后回到储液罐中完成循环㊂图4 实验系统F i g .4 E x p e r i m e n t a l s ys t e m 系统通过调节制冷剂泵频率以及旁路调节阀的开度控制制冷剂流经冷板的流量,其主要部件选型为:制冷剂泵(理华L H 2MH 02H )㊁储液罐(不锈钢罐2L )㊁风冷冷凝器(科威力F N F -2.8/13)㊁变频器(汇川M D 200)㊂在冷板进出口管壁㊁风冷冷凝器进出风口附近㊁实验台附近空气中布置了热电偶用于测量冷板进出口温度㊁风冷冷凝器进出风温度以及环境温度㊂实验系统不同位置布置了传感器测量所需参数,所用到的测量仪器型号如表1所示㊂表1 实验所用测量仪器T a b .1 M e a s u r i n g i n s t r u m e n t s f o r e x pe r i m e n t s 仪器名称型号量程精度涡轮流量计L WG Y -04A 0.04~0.25m 3㊃h -1ʃ1%压差传感器P C M 9500~100k P a ʃ0.1%压力传感器YW 1310~1.6M P a ʃ0.5%称重传感器D YMH -1050~200k gʃ0.1%功率传感器C E -P 030~1200Wʃ0.5%T 型热电偶T T -T -300~150ħʃ0.5ħ数据采集仪34970A 0~100m A0.004%2 测试工况实验分别对不同冷板在不同热流密度和不同流量下的性能进行研究㊂另外,在实际应用场景中,电子元器件的发热量不尽相同,故本文对不同发热量的热源在不同位置时冷板的换热性能也进行了研究,对不同模拟热源沿制冷剂流动热流密度逐渐增大以及逐渐减小2种情况分别进行了实验㊂实验的测试工况如表2所示㊂表2 测试工况T a b .2 T e s t c o n d i t i o n s 冷板编号总加热量/k W 各热源加热量流量/(L ㊃m i n -1)S n -6-33相同1.7~4.5E R -6-33相同1.7~4.5E R -6-23相同1.7~4.5E R -4-33相同1.7~4.5D H -6-32㊁3㊁4㊁5相同1.7~4.5D H -6-32.8依次减小2.3~3.6D H -6-32.8依次增大2.3~3.63 结果与分析3.1 热流密度㊁流量㊁冷板加工方式影响分析实验对5块冷板在不同热流密度㊁不同流量条件下的总温差(即模拟热源表面平均温度与冷板内制冷剂温度差)㊁综合换热系数㊁冷板阻力和泵功耗的变化情况进行研究㊂其中,综合换热系数用来表征冷板换热性能,其计算公式为α=q ΔT(1)式中:α为综合换热系数,W /(m 2㊃K );q 为热流密度,W /c m 2;ΔT 为总温差,ħ㊂图5展示了模拟热源热量传递过程,冷板与实验台以及模拟热源与夹具之间叠放了多层隔热电木[导热系数0.023W /(m ㊃K )]以减小冷板与环境㊁热源与环境间的热损失㊂铝板铜管复合冷板中铜管与基板间的不同填料(环氧树脂或锡)决定了铜管与基板间的接触热阻,而钻孔冷板为一体化设计纯铝材质,不存在此热阻,但因为工艺问题,钻孔冷板厚度更大,冷板导热温差也更大㊂图5 模拟热源热量传递示意图F i g .5 S c h e m a t i c d i a gr a m o f h e a t t r a n s f e r f r o m s i m u l a t e d h e a t s o u r c e图6(a )为不同冷板在模拟热源输入3000W201西安工程大学学报第37卷加热量(热流密度23.0W /c m 2)下总温差与流量的关系㊂可以看出:不同冷板的总温差均随流量增大而缓慢减小,但整体变化幅度不大㊂这是因为流量大于2L /m i n 时,管内换热系数已经处于较高水平;流量增大,制冷剂换热系数增长缓慢,换热温差变化较小;而流量小于2L /m i n 时,不同冷板相继出现传热恶化的情况,总温差迅速升高㊂从冷板之间对比来看,钻孔冷板D H -6-3性能最佳,当流量从2L /m i n 增加到4.4L /m i n 时,总温差由18ħ降低至16ħ㊂主要原因是其采用一体化设计,不存在换热通道与基板间的接触热阻,其余冷板使用环氧树脂(导热系数0.2~0.4W /(m ㊃K ))/锡(导热系数67W /(m ㊃K ))作为填料,加之工艺产生不完全填充的问题,使得铜管与基板间有较大的接触热阻,降低了换热性能㊂铜管铝板复合冷板中,由于S n -6-3冷板的铜管与基板间采用了导热系数更高的金属锡作为填料,故其换热性能最佳,在流量大于2.5L /m i n 中时,总温差小于23.5ħ㊂E R -6-2冷板换热性能最差,总温差总体超过35ħ;这是因为换热管数的减少使其有效换热面积小于其余冷板㊂E R -4-3冷板和E R -6-3冷板换热性能差别不大;这是由于相同流量下,4mm 管径冷板制冷剂流通截面积小,流速更快,而6mm 管径冷板有更大的换热面积,综合表现下二者换热性能近似,总温差在30ħ左右㊂图6(b )㊁(c )为总发热量3㊁4㊁5k W 时钻孔冷板的换热表现㊂可以看出:总温差随热流密度增大而增大,随流量增大而缓慢减小;其对应的综合换热系数随热流密度以及流量的增大而增大,趋势趋于平缓,最高可达15k W /(m 2㊃K );当流量小于2.5L /m i n 时,综合换热系数迅速减小㊂ (a )不同冷板总温差与流量关系 (b )钻孔冷板总温差与热流密度 (c)钻孔冷板综合换热系数与热流及流量关系密度及流量关系图6 冷板换热性能与热流密度㊁流量关系F i g .6 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n h e a t t r a n s f e r p e r f o r m a n c e o f c o l d p l a t e a n d h e a t f l u x d e n s i t y wi t h d i f f e r e n t f l o w r a t e 图7为冷板阻力㊁泵功率与流量㊁热流密度关系曲线㊂从图7(a )可以看出:5块冷板阻力均随流量增大而增大,E R -4-3冷板因为其板内制冷剂流通截面积最小,阻力远高于其他冷板㊂从图7(b )可以看出:冷板阻力随热流密度的增大而增大,且增大幅度逐渐减小㊂从图7(c)可以看出:泵功耗随流量以及热流密度的增大而增大㊂因为热流密度越大,冷板内制冷剂整体含气率越高,同样流量下流速越快,冷板阻力越大,泵功耗也随之增大㊂(a )不同冷板阻力与流量关系 (b )钻孔冷板阻力与热流密度的关系 (c)泵功率与热流密度及流量关系图7 冷板阻力㊁泵功率与流量㊁热流密度关系F i g .7 T h e r e l a t i o n s h i p a m o n g c o l d p l a t e r e s i s t a n c e ,p u m p p o w e r ,a n d h e a t f l u x d e n s i t y wi t h d i f f e r e n t f l o w r a t e 301第5期 刘凯,等:高热流密度多热源冷却用相变换热冷板实验研究图8为钻孔冷板在总加热量3000W ㊁输入热流密度30.5W /c m 2条件下各模拟热源表面与制冷剂温差和流量的关系曲线㊂可以看出:当流量大于2.34L /m i n 时,冷板上8个热源温度基本一致,热源间温差小于3ħ;而在流量小于2.34L /m i n 时,编号后几位的模拟热源随着流量的减小,温度明显偏高㊂这是因为流量较小时,随着换热的进行,冷板内制冷剂干度逐渐增加,形成环状流,在重力的作用下,通道上半部可能出现间歇干燥表面,局部换热较差㊂图8 不同位置的热源表面温度与流量的关系F i g .8 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n s u r f a c e t e m pe r a t u r e of h e a t s o u r c e a n d f l o w r a t e a td i f fe r e n t l o c a t i o n s3.2 干度、热源位置影响分析将8个模拟热源每2个为1组,分别输入热流密度12㊁18㊁24㊁30W /c m 2,从冷板入口开始按照总加热量不变,热源热流密度逐渐减小(A 工况)与逐渐增大(B 工况)2种布置方式进行实验㊂图9为不同工况条件下,模拟热源不同布置方式对冷板换热性能的影响结果㊂从图9(a )㊁(b )可以看出:模拟热源与制冷剂的温差均随流量的增大而减小,热流密度越大的热源,总温差受流量变化的影响越大㊂流量小于2.7L /m i n 时,在总加热量不变的条件下,A 工况下高热流密度模拟热源的总温差小于B 工况下同样热流密度模拟热源的总温差㊂从图9(c )㊁(d )可以看出:A 工况下热流密度越大的模拟热源综合换热系数越大;而B 工况下热流密度为30W /c m 2的模拟热源在流量较小时的综合换热系数小于热流密度为24W /c m 2的模拟热源的综合换热系数,且明显小于A 工况下同样热流密度模拟热源的综合换热系数;流量为2.33L /m i n 时,热流密度为30W /c m 2的2个模拟热源放置在冷板入口(A 工况)比放置在出口处(B 工况)换热系数高7%㊂这是由于靠近冷板出口处冷板内制冷剂干度较大,容易出现局部过热的情况㊂(a)工况A模拟热源与制冷剂总温差 (b)工况B模拟热源与制冷剂总温差 (c)工况A模拟热源综合换热系数 (d)工况B 模拟热源综合换热系数图9 模拟热源不同布置方式的换热性能F i g.9 H e a t t r a n s f e r p e r f o r m a n c e o f s i m u l a t e d h e a t s o u r c e s w i t hd i f fe r e n t a r r a n ge m e n t s 图10为模拟热源不同布置方式阻力与流量关401西安工程大学学报第37卷系曲线㊂可以看出:流量相同时,A 工况下冷板阻力大于B 工况下冷板阻力㊂这是由于制冷剂在经过加热量较大的模拟热源后干度增大,流速提高,流动阻力增大㊂A 工况下将较大加热量的模拟热源放置在冷板入口,制冷剂在前半段就获得较大流速,而B工况下制冷剂在后半段才能达到同样流速㊂图10 模拟热源不同布置方式阻力与流量关系F i g .10 R e l a t i o n s h i p be t w e e n r e s i s t a n c e a n df l o w r a t e o f s i m u l a t e d h e a t s o u r c ew i t h d i f f e r e n t a r r a n ge m e n t 4 结 论1)本文设计的钻孔冷板可以满足总散热功率5000W ㊁热流密度最高38W /c m 2的多热源散热需求㊂在制冷剂流量小于3L /m i n 时,热源表面与冷板内制冷剂温度差低于25ħ㊁冷板阻力小于30k P a ,泵功耗小于35W ㊂2)冷板的综合换热系数随制冷剂流量的增大㊁热流密度的增大而增大,呈渐近线趋势,最高可达15k W /(m 2㊃ħ)㊂冷板的换热性能和板内换热面积与流道流通截面积有关㊂制冷剂流量不变时,板内换热面积越大㊁流道流通截面积越小,冷板换热性能越好;冷板阻力与流道流通截面积有关,流量相同时,流道流通截面积越小,冷板阻力越大㊂3)在针对总散热功率3000W ㊁热流密度23W /c m 2的散热对象,流量为3L /m i n ,钻孔冷板和铝板铜管复合冷板流道相同时,钻孔冷板总温差比铝板铜管采用锡㊁环氧树脂复合的冷板总温差分别低4ħ㊁11ħ㊂冷板的加工方式对其换热效果影响显著,冷板应尽量采用一体化设计,减少热传递的环节,从而避免不同材料嵌合产生的接触热阻㊂4)多热源散热过程中,流量为2.33L /m i n 时热流密度最高的热源放置在冷板入口处比放在冷板出口处综合换热系数高7%,阻力增加12%㊂实际应用时应尽可能将热流密度较大的热源布置在靠近冷板入口处,阻力会稍有增大,但换热效果更好,同时能够降低冷板末端传热恶化的风险㊂参考文献(R e f e r e n c e s)[1] 李广义,张俊洪,高键鑫.大功率电力电子器件散热研究综述[J ].兵器装备工程学报,2020,41(11):8-14.L I G Y ,Z HA N G J H ,G A O J X.R e v i e w o n h e a t d i s s i -p a t i o n o f h i g h p o w e r e l e c t r o n i c d e v i c e s [J ].J o u r n a l o f O r d n a n c e E q u i p m e n t E n g i n e e r i n g,2020,41(11):8-14.(i n C h i n e s e)[2] L I G Y ,Z HA N G J H ,G A O J X.S t u d y on s t r u c t u r e o pt i m i z a t i o n o f a d u a l I G B T m o d u l e h e a t s i n k i n a D C -D C c o n v e r t e r u n d e r n a t u r a l c o n v e c t i o n b a s e d o n f i e l ds y n e r g y t h e o r y [J ].I E E J T r a n s a c t i o n s o n E l e c t r i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g,2019,14(10):1524-1531.[3] L A I W ,C H E N M Y ,R A N L ,e t a l .S t u d y on l i f e t i m e p r e d i c t i o n c o n s i d e r i n g f a t i g u e a c c u m u l a t i v e e f f e c t f o r d i e -a t t a c h s o l d e r l a ye r i n a n I G B T m o d u l e [J ].I E E J T r a n s a c t i o n s o n E l e c t r i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g,2018,13(4):613-621.[4] C H E N G Y ,F U G C ,J I A N G M G ,e t a l .I n v e s t i ga t i o n o n i n t e r m i t t e n t l i f e t e s t i n g p r o g r a m f o r I G B T [J ].J o u r -n a l o f P o w e r E l e c t r o n i c s ,2017,17(3):811-820.[5] 冯亚利,黄胜利,高长松,等.泵驱两相冷却系统设计及性能验证[J ].电子机械工程,2021,37(5):22-26.F E NG Y L ,HU A N G S L ,G A O C S ,e t a l .D e s i gn a n d p e r f o r m a n c e v e r i f i c a t i o n o f p u m p -d r i v e n t w o -ph a s e c o o l i n g s y s t e m [J ].E l e c t r o -M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,2021,37(5):22-26.(i n C h i n e s e)[6] 王佳选,宋霞,高天元,等.高热流密度航空电子泵驱两相流冷却系统实验研究[J ].制冷学报,2023,44(1):50-58.WA N G J X ,S O N G X ,G A O T Y ,e t a l .E x pe r i m e n t a l s t u d y o n p u m p -d r i v e n t w o -p h a s e c o o l i n g l o o pf o r h i gh h e a t f l u x a v i o n i c s [J ].J o u r n a l o f R e f r i ge r a t i o n ,2023,44(1):50-58.(i n C h i n e s e)[7] 战斌飞,徐洪波,张海南,等.高热流密度元器件冷却用液冷板的研究及优化[J ].制冷学报,2021,42(2):69-76.Z HA N B F ,X U H B ,Z HA N G H N ,e t a l .R e s e a r c h a n do p t i m i z a t i o n o f l i q u i d c o o l i n g p l a t e f o r h i gh -h e a t -f l u x c o m p o n e n t s [J ].J o u r n a l o f R e f r i ge r a t i o n ,2021,42(2):69-76.(i n C h i n e s e)[8] 李晨阳.面向I G B T 模块的微通道两相散热器性能研究[D ].杭州:浙江大学,2022.[9] 窦新.高功率密度I G B T 模块液冷板流动传热分析及冷却策略研究[D ].杭州:浙江大学,2023.[10] 陈陶菲,徐德好,柯攀.往复式机械泵辅助两相流冷却系统试验研究[J ].电子机械工程,2016,32(2):4-9.501第5期 刘凯,等:高热流密度多热源冷却用相变换热冷板实验研究C H E N T F,X UD H,KE P.E x p e r i m e n t o f r e c i p r o c a-t i n g m e c h a n i c a l l y p u m p e d c o o l i n g l o o p[J].E l e c t r o-M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,2016,32(2):4-9.(i n C h i-n e s e)[11]杨文量,方奕栋,胡凌韧,等.采用多通道直冷板的两相循环冷却系统实验研究[J].制冷学报,2021,42(6):21-27.Y A N G W L,F A N G Y D,HU L R,e t a l.E x p e r i m e n-t a l i n v e s t i g a t i o n o n t w o-p h a s e c i r c u l a t i o n c o o l i n g s y s-t e m w i t h m u l t i-c h a n n e l d i r e c t c o o l i n g p l a t e[J].J o u r-n a l o f R e f r i g e r a t i o n,2021,42(6):21-27.(i n C h i n e s e) [12]杜保周,李慧君,郭保仓,等.微肋阵通道流动沸腾换热与压降特性[J].化工学报,2018,69(12):4979-4989.D U B Z,L I H J,G U O B C,e t a l.F l o w b o i l i n g h e a tt r a n s f e r a n d p r e s s u r e d r o p c h a r a c t e r i s t i c s i n m i c r oc h a n n e l w i t h m i c r o p i n f i n s[J].C I E S C J o u r n a l,2018,69(12):4979-4989.(i n C h i n e s e)[13]王雨晨,方奕栋,苏林,等.平行通道直冷板内R1233z d(E)流动沸腾换热压降特性实验[J].制冷学报,2022,43(4):145-150.WA N G Y C,F A N G Y D,S U L,e t a l.E x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o n f l o w b o i l i n g a n d p r e s s u r e d r o p o fR1233z d(E)i n c o l d p l a t e w i t h p a r a l l e l c h a n n e l s[J].J o u r n a l o f R e f r i g e r a t i o n,2022,43(4):145-150.(i nC h i n e s e)[14]许时杰.蛇形液冷板电池热管理系统散热效果及压力损失分析[D].长沙:湖南大学,2017. [15]温达旸,赵荣超,叶鸣,等.基于非均匀翅片液冷板的电池热管理性能研究[J].电源技术,2021,45(10):1264-1268.W E N D Y,Z HA O R C,Y E M,e t a l.S t u d y o f b a t t e r-i e s t h e r m a l m a n a g e m e n t p e r f o r m a n c e b a s e d o n l i q u i dc o o l i n g p l a t e w i t h n o n-u n i f o r m p i n f i n s[J].C h i n e s eJ o u r n a l o f P o w e r S o u r c e s,2021,45(10):1264-1268.(i n C h i n e s e)[16] L I U J,P E I N Q,G U O K H,e t a l.E x p e r i m e n t a l i n-v e s t i g a t i o n o n s t a r t u p o f a n o v e l t w o-p h a s e c o o l i n gl o o p[J].E x p e r i m e n t a l T h e r m a l a n d F l u i d S c i e n c e,2008,32(4):939-946.[17] L I U J,P E I N Q,G U O K H,e t a l.E x p e r i m e n t a l i n-v e s t i g a t i o n o n m e c h a n i c a l p u m p e d c o o l i n g l o o p f o r a p-p l i c a t i o n i n f u t u r e s p a c e m i s s i o n s[J].E n e r g y C o n v e r-s i o n a n d M a n a g e m e n t,2008,49(10):2704-2710. [18] L I N L C,P O N N A P P A N R,Y E R K E S K.A c t i v e l y p u m p e dt w o-p h a s e l o o p f o r s p r a y c o o l i n g[J].J o u r n a l o f T h e r m o-p h y s i c s a n d H e a t T r a n s f e r,2006,20(1):107-110. [19] A K B A R Z A D E H M,J A G U E MO N T J,K A L O G I A N-N I S T,e t a l.A n o v e l l i q u i d c o o l i n g p l a t e c o n c e p t f o rt h e r m a l m a n a g e m e n t o f l i t h i u m-i o n b a t t e r i e s i n e l e c-t r i c v e h i c l e s[J].E n e r g y C o n v e r s i o n a n d M a n a g e m e n t,2021,231:113862.[20] L EÃO H L S L,C HÁV E Z C A,D O N A S C I M E N T OF J,e t a l.A n a n a l y s i s o f t h e e f f e c t o f t h e f o o t p r i n t o r i-e n t a t i o n o n t h e t h e r m a l-h y d r a u l i c p e rf o r m a n c e o f am i c r o c h a n n e l s h e a t s i n k d u r i n g f l o w b o i l i n g o f R245f a[J].A p p l i e d T h e r m a l E n g i n e e r i n g,2015,90:907-926.[21] P A R K J E,T HOM E J R.C r i t i c a l h e a t f l u x i n m u l t i-m i c r o c h a n n e l c o p p e r e l e m e n t s w i t h l o w p r e s s u r e r e-f r ig e r a n t s[J].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f H e a t a n d M a s sT r a n s f e r,2010,53(1/2/3):110-122.[22] D A N G C,J I A L,Z HA N G X,e t a l.E x p e r i m e n t a l i n-v e s t i g a t i o n o n f l o w b o i l i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f z e o t r o p i cb i n a r y m i x t u r e s(R134a/R245f a)i n a r ec t a n g u l a r m i-c r o-c h a n n e l[J].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f H e a t a n dM a s s T r a n s f e r,2017,115:782-794.[23]徐烈,张涛,赵兰萍,等.双热流法测定低温真空下固体界面的接触热阻[J].低温工程,1999(4):185-189. X U L,Z HA N G T,Z HA O L P,e t a l.U s i n g d o u b l eh e a t f l u x m e t e r m e t h o d t o m e a s u r e t h e t h e r m a l c o n-t a c t r e s i s t a n c e o f s o l i d m a t e r i a l a t l o w t e m p e r a t u r ea n d v a c u u m[J].G r y o g e n i c s,1999(4):185-189.(i nC h i n e s e)[24]杨世铭,陶文铨.传热学[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.[25]史林全,李强.高温条件下接触热阻的数值模拟与试验研究[J].热科学与技术,2021,20(5):462-470. S H I L Q,L I Q.N u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n-t a l i n v e s t i g a t i o n o n t h e r m a l c o n t a c t r e s i s t a n c e a t h i g ht e m p e r a t u r e c o n d i t i o n s[J].J o u r n a l o f T h e r m a l S c i-e n c e a n d T e c h n o l o g y,2021,20(5):462-470.(i n C h i-n e s e)[26]汪献伟,王兆亮,何庆,等.宏观接触热阻研究综述[J].工程科学学报,2019,41(10):1240-1248.WA N G X W,WA N G Z L,H E Q,e t a l.R e s e a r c h o-v e r v i e w o f m a c r o s c o p i c t h e r m a l c o n t a c t r e s i s t a n c e[J].C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g,2019,41(10):1240-1248.(i n C h i n e s e)责任编辑:武晖601西安工程大学学报第37卷。