液冷源系统 毛细管冷凝器如何小型化？

    

          本文我们将来探讨毛细管冷凝器用于液冷源小型化的可行性。

（本图仅供参考，不对应文中具体产品）

 

  1 、研究背景    

随着电子电路的集成化程度的不断提高和大功率的电子元器件增加，电子设备体积不断变小，其热流密度却越来越高，有实验证明，电子元器件的可靠性程度与温度高低成反比，所以需要及时对电子热负载进行散热。

在传统热设计中，负载的散热方式以传导、自然冷却、强迫风冷为主，随着电子元器件热流密度的不断增大，传统散热方式已经无法满足散热需求，液冷散热技术比空气冷却效率高出（100～2000）倍，液冷散热技术越来越多地应用于机载电子设备。相应的散热装置在散热能力和体积等方面要求也更加严格。

 

由于液冷源系统包括泵、冷凝器、蒸发器、压缩机、管路等，部件较多，所以应用的主要问题是系统的小型化，使用毛细管组进行制造冷凝器，以达到提高换热量，并缩小换热器所需空间的目的，对其寻求过冷处理方法，进一步提高其换热量。

 

2 、毛细管冷凝器    

2.1 毛细管换热器介绍   

对于毛细管冷凝器在制冷中的应用，大家最熟悉的莫过于在建筑节能方面，使用塑料毛细管网换热器作为调节环境温度的最新技术，提高人的生活质量，其毛细管规格一般为几个毫米以上，且换热介质为水。

而所要介绍的毛细管换冷凝器是使用外径为准0.7mm，内径准0.35mm 的金属质毛细管冷凝器，换热介质为制冷剂 R134a。其微小的内径造就了它的换热秘密，在一定范围内其换热系数远高于传统的管板翅片换热器，但是正因如此使得制冷剂在其内部的冷凝过程相对复杂，以至于对毛细管冷凝器的换热计算至今也没给出相应的定论，只能依靠实验数据寻求它的换热规律。

 

2.2 毛细管冷凝器设计    

使用的毛细管冷凝器结构为：三排并联，单排规格为集液管中心距 L 1=300mm，集液管长 L 2=124mm，集液管外径 D=11mm，单排毛细管层数为4层，单排毛细管根数62根，每根铜毛细管外径为准0.7×0.183。因使用毛细管作为换热器，其单排风阻将很小，为节省设计空间，使得结构紧凑，将三排毛细管进行叠层结构的设计，其正面和侧面，如图 1、图 2 所示。

 

 

2.3 冷凝器制冷量及综合传热系测定    

由于毛细管内径微小，制冷剂在其内部的冷凝过程较为复杂，对其理论换传系数的计算造成了困扰，所以，使用冷量测试实验测定其实际综合传热系数。冷量测试原理图，如图 3 所示。

 

其中所选主要制冷器件及型号，如表 1 所示。测试过程如下：

（1）按照实验原理图将测试系统工装搭建完成，并放置到图4 的恒温测试库中，最后进行对设备充注 R134a 制冷剂。

（2）将恒温库内部环境温度升高至35.5℃，确保实验环境温度一致。

（3）开启液冷设备，运行 10s 后，利用调压器将自制的热负载功率缓慢调节升高，直至整个系统运行稳定后（冷凝器出风温度基本稳定）保持不变，记录冷凝器进出风温度t1与t 2，冷凝器前后压力表的数值P1和P 2，同时采用风速仪测量出风口风速v，记录数据；测试现场，如图5所示。

 

经冷量实验测试记录数据，如表 2 所示。

通过冷凝温度计算换热量的所需计算参数和数值，如表3所示。

3 、毛细管冷凝器过冷处理    

3.1 过冷处理理论分析   

制冷系统正常循环时，冷凝器的出口一般都会有一定的过冷度。如果没有过冷度，两相冷媒中的液体在“液管”中压力稍有损失，液体就会闪发，即饱和液体由于压力的降低必然会蒸发。液体蒸发会吸收周围的热量，剩余的液体随之降温，又达到相应压力下的饱和温度，就这样两相冷媒边前进，边闪发，边饱和，直到到达蒸发器入口。

 

最终到达蒸发器的两相冷媒的干度就会比设计的干度大很多，液相成分减小，就无法满足蒸发器的蒸发量，制冷效果当然会降低。所以通过给我们的毛细管冷凝器进行过冷处理，可以减少制冷剂闪发现象，以达到进一步提高换热性能，减小冷凝器空间体积的目的。过冷的理论过程可以通过制冷剂的压焓图观察计算，如图6 所示。

 

为简化理论计算，假设制冷剂的循环过程为理想循环过程。图中横轴h为焓值，纵轴lg P 为对数压力，其中表示无过冷循环 为： 点1至点2，是压缩机对制冷剂的等熵压缩过程，点2 至点4是制冷剂在冷凝器中等压冷凝过程，其中穿越的点3为制冷剂蒸汽开始液化的分界点，再由点4至点5进行等焓节流，最后经过点5至点1的等压蒸发完成一次循环。 无过冷循环的冷凝器制冷量，如式（4）所示。

 

 

3.2 毛细管冷凝器过冷处理及性能测定   

对于冷凝器的传统过冷处理主要有四种方式：机械式过冷、依靠系统自身冷量过冷、冰蓄冷式过冷、基于热电制冷原理过冷。

 

传统使用的四种过冷方式需要额外增加过冷装置或对结构系统进行较大的改动，违背使用毛细管冷凝器进行液冷源小型化的研究目的，所以使用了一种较为简单又实用的过冷处理方式，即：对三片毛细管冷凝器进行排列组合，改变制冷剂在其内部的流程，利用风进行强迫过冷，其原理，如图7 所示。

 

将原先三片毛细管冷凝器进行两块并联的作为冷凝区，制冷剂在冷凝后汇总进入过冷区进行过冷，然后排出冷凝器。

 

根据图 7，我们对毛细管冷凝器进行流程的改制，并对改制后的毛细管冷凝器进行制冷量及综合传热系测定，记录数据，如表4 所示。

 

3.3 数据分析与结论  

（1）由表 4 观察可知，冷凝端出风温度 t 2增大，我们推测其原因是由于制冷剂在过冷区充分冷凝为饱和液体，将潜热释放出来，通过风将热量带走，从而导致了出风温度的上升。将 Q 0和 Q 1进行对比，发现Qadb相对Q 0提高了约18%，冷凝器换热量的增大反向证明了此观点。

（2）冷凝器压力 p 1、冷凝器压力 p 2增大，推测是因为制冷剂流程的改变，使得压力测试点数据发生了变化。

（3）将 K 0和 K 1对比，我们发现 K 1相对 K0提高了约 16%。

（4）测试使用的工装、器件与方法不变，消除了系统误差，提高了数据可靠性。因此得出对毛细管冷凝器进行流程改变，使得制冷剂被过冷处理可以提高毛细管冷凝器的换热量和综合换热系数。

 

4、小结    

使 用毛细管组制作的铜质冷凝器，其换热性能优于传统的管板翅片换热器； 在对毛细管冷凝器进行过冷处理后，可以进一步提高其换热量和综合换热系数。 所研究的毛细管冷凝器因其高换热性能，可以使得制冷系统在冷凝器的选型设计上提供新的思路，节省冷凝器的设计空间，为液冷源小型化进程提供了参考依据。