一种强化喷雾冷却换热性能的方法

摘要

本发明公开了一种强化喷雾冷却换热性能的方法。它包括：将浓度50‑200ppm的FS‑31水溶液作为喷雾冷却工质进行喷雾冷却；将浓度200ppm的CTAB水溶液与浓度100ppm的FS‑31水溶液按0:100％‑50％:50％混合，或将浓度300ppm的AOS水溶液与浓度100ppm的FS‑31水溶液按0:100％‑50％:50％混合，或将浓度400ppm的SDS水溶液与浓度100ppm的FS‑31水溶液按0:100％‑50％:50％混合，配制成的溶液作为喷雾冷却工质进行喷雾冷却。该方法能够改善喷雾冷却的换热性能，提高换热系数，降低热源表面温度，节省工质，满足高热流密度电子设备冷却的需求。

说明书

技术领域

本发明属于高热流密度喷雾冷却换热及其应用技术领域，涉及一种强化喷雾冷却换热性能的方法。

背景技术

喷雾冷却作为一种新型的冷却技术，具有大幅度提高电子元器件的散热潜能，成为高热流密度电子冷却领域最受关注的冷却方式之一。鉴于喷雾冷却的影响因素较多，机理也比较复杂。为了更好地发挥喷雾冷却在实际工程中的应用，目前展开了对喷雾冷却工质的研究。

喷雾冷却工质不仅要满足散热需求的前提，还需要考虑与电子元件是否具有相容性，对环境有无影响，操作是否安全以及成本等。现有的喷雾冷却工质主要有两种：一种为导体(如水、乙醇等)，此时需要在工质和电子元件之间放置一块冷板，防止冷却剂直接接触电子器件；另一种为绝缘体(如FC类化合物)，此时可以将喷雾冷却工质直接喷射到电子器件表面带走热量。绝缘体成本较高，导热率、汽化潜热等远远低于导体。而大多数喷雾冷却实验研究选用价格更为低廉的去离子水(蒸馏水)作为喷雾冷却工质。由于有较高的比热容、热传导率以及汽化潜热，使蒸馏水无论单相还是两相，喷雾冷却换热均具有良好的性能，从而可满足散热要求，且应用方便，价格低廉，对环境无污染，适合开路和封闭循环回路两种实验研究，应用的范围更广。为了更进一步提高喷雾冷却的换热效果，引入了表面活性剂到以蒸馏水为喷雾冷却工质的喷雾冷却实验过程中，并展开了相关的研究。

表面活性剂是这样一类物质，即在溶剂中加入微小剂量即可以大幅度降低溶剂表面张力，改变溶液体系界面状态，同时能够产生湿润、渗透、分散、气泡及增容等效果。表面活性剂能够以极低的浓度大幅度降低溶液表面张力，此性能是与其分子结构密切相关的。表面活性剂的分子结构中具有疏水和亲水两种基团，这样的分子结构，一方面，亲水基团使得其与水分子具有极佳的亲和性，从而赋予表面活性剂分子水溶性质；另一方面，疏水基团则因为其有从水中逃离的性质，因而会从水溶液内部转移到液体表面。表面活性剂分子以亲水基留在水溶液内部，疏水基朝向气相侧的状态，紧密排列成单分子的吸附层，并且发生定向排列。表面张力的降低会对喷雾液滴尺寸和固液接触角产生重要的影响。表面张力越小，液滴越容易克服自身表面张力雾化为直径更小的液滴。液滴直径的减小使得液滴密度增大，从而更加高频次地击打热源表面产生更多的扰动，促进喷雾冷却的换热。同时，固液接触角减小，提高了液滴在表面的铺展性和湿润性。

目前，将单一表面活性剂SDS应用于喷雾冷却方面已有相关的研究，但是将其它类型的表面活性剂和混合表面活性剂应用于喷雾冷却方面却从未有人研究过。现有的将表面活性剂SDS引入喷雾冷却体系的相关研究认为，加入SDS能提升喷雾冷却换热效率，主要是由于改变了液体与热表面的接触角，增加了液体与热表面的接触面积，同时，雾化液滴在热表面上的生存时间减少；此外，由于SDS具有较强的发泡性能，将其加入喷雾冷却体系中，会在热表面产生丰富的泡沫，极大增强了液膜内的扰动，加强了热表面的对流，由此提升了喷雾冷却的换热效果。但是，现有的喷雾冷却技术，即便将表面活性剂SDS引入喷雾冷却体系，仍然存在冷却效率低、工质耗量大、表面温度均匀性差等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种将其它类型的表面活性剂和混合表面活性剂应用于喷雾冷却换热，可改善喷雾冷却的换热性能、提高换热系数、降低热源表面温度、节省工质的强化喷雾冷却换热性能的方法。

本发明提出一种采用杜邦FS-31非离子表面活性剂以及FS-31与阳离子表面活性剂CTAB、阴离子表面活性剂AOS和SDS的混合表面活性剂作为喷雾冷却工质来强化喷雾冷却性能的方法。

在此之前，本领域技术人员并不会想到使用非离子表面活性剂杜邦FS-31来提升喷雾冷却换热效率，因为，根据现有的研究，大家认为要提升喷雾冷却换热效率，需选用具有较强的发泡性能，可降低体系表面张力，减小固液接触角的表面活性剂，而杜邦FS-31的发泡性能不好，所以大家都不会去选用它。但是，本发明通过大量理论探索和实验研究发现，将杜邦FS-31非离子表面活性剂加入喷雾冷却体系中，不仅可以大幅降低体系表面张力，减小固液接触角，而且，由于杜邦FS-31具有较低的发泡性能，而较少的泡沫不会对传热形成热阻，因此反而可以促进喷雾冷却换热效率的提升，并且，由于FS-31可跟任何离子型表面活性剂相容，在普通的、酸性的、含盐的和硬水环境中都可稳定存在，可适用于各种体系；另外，考虑到杜邦FS-31非离子表面活性剂具有最小程度的环境污染；因此，本发明中最终选择了杜邦FS-31，以及FS-31分别与CTAB、AOS、SDS混合的混合表面活性剂来提升喷雾冷却换热效率。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

本发明一种强化喷雾冷却换热性能的方法如下：将非离子表面活性剂杜邦

FS-31按50ppm-200ppm的浓度加入去离子水中配制成的浓度为50ppm-200ppm

的FS-31水溶液作为喷雾冷却工质，进行喷雾冷却。

进一步地，将杜邦FS-31按100ppm的浓度加入去离子水中配制成的浓度为100ppm的FS-31水溶液作为喷雾冷却工质，进行喷雾冷却。

进一步地，将浓度为150ppm-250ppm的CTAB水溶液与浓度为50ppm-200ppm的FS-31水溶液按体积比0:100％-50％:50％进行混合，配制成的溶液作为喷雾冷却工质，进行喷雾冷却；或者，将浓度为200ppm-400ppm的AOS水溶液与浓度为50ppm-200ppm的FS-31水溶液按体积比0:100％-50％:50％进行混合，配制成的溶液作为喷雾冷却工质，进行喷雾冷却；或者，将浓度为300ppm-600ppm的SDS水溶液与浓度为50ppm-200ppm的FS-31水溶液按体积比0:100％-50％:50％进行混合，配制成的溶液作为喷雾冷却工质，进行喷雾冷却。

进一步地，将浓度为150ppm-250ppm的CTAB水溶液与浓度为50ppm-200ppm的FS-31水溶液按体积比25％:75％进行混合，配制成的溶液作为喷雾冷却工质，进行喷雾冷却；或者，将浓度为200ppm-400ppm的AOS水溶液与浓度为50ppm-200ppm的FS-31水溶液按体积比25％:75％进行混合，配制成的溶液作为喷雾冷却工质，进行喷雾冷却；或者，将浓度为300ppm-600ppm的SDS水溶液与浓度为50ppm-200ppm的FS-31水溶液按体积比25％:75％进行混合，配制成的溶液作为喷雾冷却工质，进行喷雾冷却。

进一步地，将浓度为200ppm的CTAB水溶液与浓度为100ppm的FS-31水溶液按体积比0:100％-50％:50％进行混合，配制成的溶液作为喷雾冷却工质，进行喷雾冷却。

进一步地，将浓度为300ppm的AOS水溶液与浓度为100ppm的FS-31水溶液按体积比0:100％-50％:50％进行混合，配制成的溶液作为喷雾冷却工质，进行喷雾冷却。

进一步地，将浓度为400ppm的SDS水溶液与浓度为100ppm的FS-31水溶液按体积比0:100％-50％:50％进行混合，配制成的溶液作为喷雾冷却工质，进行喷雾冷却。

进一步地，将浓度为200ppm的CTAB水溶液与浓度为100ppm的FS-31水溶液按体积比25％:75％进行混合，配制成的溶液作为喷雾冷却工质，进行喷雾冷却。

进一步地，将浓度为300ppm的AOS水溶液与浓度为100ppm的FS-31水溶液按体积比25％:75％进行混合，配制成的溶液作为喷雾冷却工质，进行喷雾冷却。

进一步地，将浓度为400ppm的SDS水溶液与浓度为100ppm的FS-31水溶液按体积比25％:75％进行混合，配制成的溶液作为喷雾冷却工质，进行喷雾冷却。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种强化喷雾冷却换热性能的方法，该方法能够克服现有喷雾冷却技术中存在的冷却效率低、工质耗量大、表面温度均匀性差等缺陷。

本发明首先提出了将一种新型的表面活性剂杜邦FS-31用于提升喷雾冷却换热效率，并进行了相关的实验数据验证。同时在此基础上，进行了FS-31与CTAB、AOS、SDS等其它几种不同表面活性剂的体积配比试验，详细研究了杜邦FS-31及混合表面活性剂用于提高喷雾冷却的换热性能。

本发明中将杜邦FS-31表面活性剂用于提高喷雾冷却换热性能，展开了一系列不同浓度对喷雾冷却的换热影响，找出了最佳浓度，并证实了本发明中使用单一的表面活性剂杜邦FS-31，比现有技术中使用单一的表面活性剂SDS，提升喷雾冷却换热效率的效果好很多。本发明中将杜邦FS-31与CTAB、AOS、SDS等不同表面活性剂混合，找出了最佳浓度体积配比，发现CTAB与FS-31、AOS与FS-31、SDS与FS-31在最佳浓度体积配比25％:75％时提高喷雾冷却的换热效果最好。

本发明提出的用杜邦FS-31表面活性剂，以及FS-31表面活性剂分别与CTAB、AOS、SDS等表面活性剂的组合来强化喷雾冷却换热性能的方法，能够更好地改善喷雾冷却的换热性能，提高换热系数，降低热源表面温度，节省工质，满足高热流密度电子设备冷却的需求。

附图说明

图1是本发明中不同表面活性剂浓度下的喷雾冷却换热系数的曲线图；

图2是本发明中热源表面平均温度随混合溶液体积比的变化的曲线图；

图3是本发明中喷雾冷却换热系数随混合溶液体积比的变化的曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例

本发明用杜邦FS-31表面活性剂，以及FS-31分别与CTAB、AOS、SDS等表面活性剂的组合进行的喷雾冷却实验如下：

该喷雾冷却实验，在基于喷雾冷却的实验台即喷雾冷却试验装置(该试验装置已申请专利，专利号CN201610404055.8)上进行，实验采用垂直喷射方式，喷雾流量20-40ml/min。整个试验装置系统主要由四个部分组成：供液及喷雾系统、模拟热源系统、数据采集系统和控制电路系统。在实验开始前，对系统进行气密性检测，保证系统的气密性良好，以便保持真空环境。在实验过程中，微型隔膜泵将冷却液体从恒温水浴中抽出，经过温度控制器控制喷嘴入口工质温度恒定，再经过过滤器除去液体中的固体小颗粒杂质，防止堵塞电磁阀和喷嘴，高压液体流经流量计，通过不锈钢编织软管到达微型电磁阀，再到喷嘴被雾化成小液滴喷射到被冷却表面进行冷却，进行热交换后的液体工质通过腔体底部的出口孔重新进入恒温水浴储液罐，完成整个循环。冷却过程中一部分工质蒸发变成蒸汽，这部分蒸汽会被分布在腔体侧面及顶部的冷凝盘管冷却，冷凝成液体后同其他工质一起流回低温恒温水浴，继续参与循环，不会造成浪费。

实验开始前，在恒温水浴的去离子水中添加表面活性剂，依次进行实验研究。

首先，进行单一表面活性剂的实验研究：

几种单一的表面活性剂为：杜邦FS-31(FS‐31是一种含氟的非离子氟碳表面活性剂)、CTAB(十六烷基三甲基溴化铵，阳离子表面活性剂)、AOS(α-烯基磺酸钠，阴离子表面活性剂)、SDS(十二烷基硫酸钠，分子式为CH₃(CH₂)₁₁OSO₃Na，阴离子表面活性剂)。

实验方法如下：将恒温水浴的去离子水与单一的某种表面活性剂按照不同浓度配比，然后经过超声波振荡仪器振荡，使表面活性剂充分溶解；恒温水浴中的杜邦FS-31溶液的浓度变化范围为10ppm-500ppm，恒温水浴中的CTAB溶液的浓度变化范围为50ppm-350ppm，恒温水浴中的AOS溶液的浓度变化范围为100ppm-700ppm，恒温水浴中的SDS溶液的浓度变化范围为100ppm-1000ppm。喷射压力为700kpa，恒温水浴的温度设置为20℃，腔体压力保持在10kpa。利用数据采集仪随时监控压力变化，并进行改善。待系统稳定后，打开加热器，设置加热功率为300W，分别进行表面活性剂浓度实验，当数据采集仪采集的温度稳定，波动范围较小时，视为系统已经达到最大的降温效果，并进行分析。

实验结果及发现(从曲线图图1中可看出)：(1)FS-31的浓度在50ppm-200ppm时，CTAB的浓度在150ppm-250ppm时，AOS的浓度在200ppm-400ppm时，SDS的浓度在300ppm-600ppm时，换热系数较大，系统的换热效果相对较好，亦即提升喷雾冷却换热的效果较好。(2)杜邦FS-31的浓度在100ppm时，CTAB的浓度在200ppm时，AOS的浓度在300ppm时，SDS的浓度在400ppm时，换热系数最大，系统的换热效果最好，亦即提升喷雾冷却换热的效果最好，由此获得：杜邦FS-31的最佳浓度为100ppm，CTAB的最佳浓度为200ppm，AOS的最佳浓度为300ppm，SDS的最佳浓度为400ppm。(3)从图1中还可看出，杜邦FS-31在最佳浓度下的换热系数，比SDS在最佳浓度下的换热系数，提高了21％，由此可见，在相同的实验条件下，本发明中使用单一的表面活性剂杜邦FS-31，比现有技术中使用单一的表面活性剂SDS，提升喷雾冷却换热效率的效果更好(好很多)。这是由于杜邦FS-31为非离子表面活性剂，其不仅可以有效降低体系表面张力，减小固液接触角，而且，由于其具有较低的发泡性能，在合适的浓度下，其产生的较少的泡沫不会对传热形成热阻，因此反而可以促进喷雾冷却换热效率的提升。而SDS由于其具有较强的发泡性能，将其加入喷雾冷却体系中，会在热表面产生丰富的泡沫，这些泡沫虽然增强了液膜内的扰动，加强了热表面的对流，能促进传热，但是，过多的泡沫也会对传热形成较强的热阻，反而会影响喷雾冷却换热效率的提升。

其次，进行混合表面活性剂的实验研究：

几种混合表面活性剂为：CTAB与FS-31混合、AOS与FS-31混合、SDS与FS-31混合。

实验方法：每种混合表面活性剂实验研究的实验过程与每种单一表面活性剂实验研究的实验过程相同。

在上述研究的几种单一的表面活性剂中，将最佳浓度下的FS-31与SDS、FS-31与CTAB、FS-31与AOS等进行混合研究。分别设置两两混合，体积比分别为0:100％，25％:75％，50％:50％，75％:25％，100％:0进行实验研究，亦即：将浓度为100ppm的FS-31水溶液与浓度为400ppm的SDS水溶液分别按体积比0:100％、25％:75％、50％:50％、75％:25％、100％:0进行混合，将浓度为100ppm的FS-31水溶液与浓度为200ppm的CTAB水溶液分别按体积比0:100％、25％:75％、50％:50％、75％:25％、100％:0进行混合，将浓度为100ppm的FS-31水溶液与浓度为300ppm的AOS水溶液分别按体积比0:100％、25％:75％、50％:50％、75％:25％、100％:0进行混合，配制成的溶液作为喷雾冷却工质，进行喷雾冷却实验研究。得到的实验结果曲线图见图2、图3。

实验结果及发现(从图2、图3的曲线图中可看出)：(1)当CTAB与FS-31、AOS与FS-31、SDS与FS-31按0:100％-50％:50％的体积比混合时，传热系数较大，热源表面平均温度较低，亦即提高喷雾冷却换热的效果较好。(2)当CTAB与FS-31、AOS与FS-31、SDS与FS-31的体积比为25％:75％时，传热系数最大，热源表面平均温度最低，亦即提高喷雾冷却换热的效果最好。(3)在混合体积比为1:100％-50％:50％的范围内，CTAB与FS-31混合的效果最好，AOS与FS-3混合的效果其次，SDS与FS-31混合的效果不太好。(4)在混合体积比同为25％:75％的情况下，CTAB与FS-31的配比混合提高喷雾冷却换热的效果，比AOS与FS-31的配比混合提高喷雾冷却换热的效果好很多(换热系数提高了12％)，比SDS与FS-31的配比混合提高喷雾冷却换热的效果好更多(换热系数提高了20％)。由此可见，使用CTAB与FS-31以体积比25％:75％混合的混合表面活性剂溶液作为喷雾冷却工质，进行喷雾冷却实验时，换热系数最大，热源表面平均温度最低，亦即提高喷雾冷却换热的效果最好。这是因为，CTAB为阳离子表面活性剂，FS-31为非离子表面活性剂，在阳离子表面活性剂中加入非离子表面活性剂，可以使临界胶束浓度显著降低，可以产生正加和增效作用，使得换热效果提高；另外，由于表面张力的降低，接触角的减小，液滴能够更好地润湿热表面，液滴很快地从热表面蒸发，导致换热性能的提升。

此外，将混合表面活性剂实验研究的实验结果，与单一表面活性剂实验研究的实验结果进行对比，发现：使用配比合适的混合表面活性剂比使用单一表面活性剂，更能提高喷雾冷却换热效果，而且蒸发效率更好，传热系数更大，热源表面温度更低。图2、图3中的0:100％的点就是使用单一表面活性剂FS-31的实验结果，25％:75％的点是配比合适的混合表面活性剂的实验结果，后者比前者的传热系数更大，热源表面温度更低，提高喷雾冷却换热的效果更好。