（电机与电器专业论文）大功率整流器件蒸发冷却技术的研究.pdf

r e s e a r c ho ne v a p o r a t i o nc o o l i n gt e c h n o l o g y o fp o w e rc o m m u t ed e v i c e a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r i ci n d u s t r y , t h eh e a tr e l i a b i l i t yb e c o m e sak e y f a c t o r yt oe l e c t r i cd e v i c e s c o o l i n gp r o b l e m o fe l e c t r i cd e v i c e sb e c o m e so fm o r ea n dm o r e i m p o r t a n c e a n d t h i s p r o b l e m c a l lb e s o h , e d e f f e c t i x ，e l yb yt h ee v a p o r a f i o n c o o l i n g t e c h n o l o g y i nt h ea r e ao f t h e o r ys t u d y , t h e o r yo f p o o lb o i l i n ga n a l y s i sc o n c e r n i n ge v a p o r m i o n c o o l i n g t e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d f r o mt h ev i e wo f t h sb u b b l en u c l e a t i o na n dt h eb u b b l ed y n a m i c s ，t h e p r o c e s sa n df e a t u r e so fb u b b l e sf o r m a t i o n ，g r o w t h ，s e p a r a t i o n ，m o t i o nd u r i n gs u r f a c eb o i l i n g a r ea n a l y z e d t h em e c h a n i s m so fp o o lb o i l i n gh e a tt r a n s f e rp r o c e s sa r ea n a l y z e da n dt h e b o i l i n gc u r v eo fh e a tt r a n s f e rt h e o r yi sd i s c u s s e d t h ed i v e r s i t ya m o n gd i f f e r e n tb o o l i n g s t a g e so fs i n g l ep h a s en a t u r a lc o n v e c t i o n ，n u c l e a t eb o i l i n ga n df i l mb o i l i n gi ss t u d i e d ，a n dt h e f o u rb a s i ch e a tt r a n s f e rm o d e so f n u c l e a t eb 西1 啦ga r ea l s oi l l u m i n a t e d i nt h ea r e ao fe x p e r i m e n ts t u d y , t h ee x p e r i m e n ts y s t e mo fe v a p o r a t i o n c o o l i n gt e c h n o l o g y o fp o w e rc o m m u t ed e v i c ei sd e s i g n e da n db u i l t as e r i e so fe x p e r i m e n ts t u d i e si sp e r f o r m e d w i t ht h i se x p e r i m e n ts y s t e m ，i n c l u d i n gt h es t u d yo ft h ec o n t a c tt h e r m a lr e s i s t a n c eb e t w e e n p o w e rm o d u l ea n dt h eb a s e p l a t e ，t h ec o m p a r eo ft h eh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sa m o n g d i f f e r e n ts t r u c t u r e s ，m a t e r i a l s ，c u r r e n t s ，a n ds y s t e mw o r k i n gp r e s s u r e s t h r o u g ht h ea b o v es t u d i e s ，t h ea p p l i c a t i o no fi n d i r e c te v a p o r a t i o n c o o l i n gt e c h n o l o g yi n t h ea r e ao f p o w e rc o m m u t ed e v i c ec o o l i n gi ss t u d i e d as e r i e so fc o n c l u s i o n si sg a i n e df r o m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i s ，w h i c hw o u l db eu s e f u li ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n sa n d t h ef u r t h e rr e s e a r c h t h er e s e a r c hr e s u l t si nt h i sp a p e rh a v eb e e na p p l i e di nap r a c t i c a lp r o j e c to fo u rr e s e a r c h c e n t e r k e y w o r d s ：e v a p o r a t i o nc o o l i n g ，p o w e rc o n l l n u t em o d u l e ，d e v i c ec o o l i n g ，b a s e p l a t e 锫一章州高 第一章引言 1 1 概述 电力电子技术是2 0 世纪后半叶以美国通用电器公司研制出第一个晶闸管为标志的 一门崭新的技术。但是，在短短的几十年里却得到了迅猛的发展。其广泛应用于：电力 系统，能源系统，交通系统，通信系统等。例如：电力系统方面运用电力电子技术通过 处理并控制电能的形态和电能的流动，提供适合负载的最佳电压和电流，以达到节约能 源，满足工艺要求的目的；工业上大至数千千瓦的各种轧钢机，小到几百瓦的数控机床 的伺服电动机，以及矿山牵引机等都采用电力电子交直流调速技术等等。这些应用都是 通过电力电子器件来实现的，晶闸管是典型的代表。7 0 年代后期，相续研制成功了门极 可关断晶闸管( g t 0 ) 、电力双极型晶体管( b j t ) 和电力场效应晶体管( p o w e r m o s f e t ) 的全控器件。8 0 年代后期，开始出现复合型器件i g b t 、i g c t 和m c t 等。现在为了使 电力电子装置的结构紧凑、体积小巧，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做 成模块的形式。而且，更趋向于把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起。这样， 不仅功率增大，而且集成密度也有很大提高。因此，热流密度己达到很高的程度。有关 研究表明，芯片级的热流密度高达1 0 0 w c m 2 ，但是半导体集成电路芯片的结温要低于 1 0 0 。c 否则必将严重的影响电子元器件的可靠运行【”。 所以，电力电子器件的热控制已经变成非常重要而且关键的一个环节。对于器件的 芯片级、元件级和组件级，其热量的产生和传递与元件本身、电路设计、工艺流程和集 成标准有紧密联系，本文主要以系统级的角度来对已经商业化的电力半导体模块为对象 进行热控制分析。 热控制首先要从确定器件的冷却方式开始。传统的冷却方式2 1 主要有： 1 自然冷却，与自然环境利用导热、自然对流和辐射换热的单独作用或两种以上换 热形式的组合来冷却的方式。优点是可靠性高，成本低，避免了因机械部件的磨损或 故障影响系统的稳定。因此，在考虑冷去口方式时应优先考虑自然冷却方法。 2 强追风冷，利用风机等风源产生一定流量和流速的风带走热量从而冷却器件的方 式。应用于热流密度大、温升要求比较高的情况。与液体冷却相比，具有设备简单、成 本低的特点。因此，虽然强迫通风冷却系统的体积和重量大些，但对于陆用设备还是非 常合适的一种冷却方式。 3 液体冷却，包括水冷和油冷。应用于体积功率密度较高的元器件，以及必须在高 温环境下工作的情况中。这种方式管路构成复杂，密封接头多，容易发生泄漏事故。 1 大功率整流器件蒸发冷却技术的酬究 蒸发冷却与传统冷却方式相比，是一种全新的冷却技术。它是利用介质的相变来吸 收和释放热量，其机理与传统上的靠介质的比热来传递热量完全不同。其优点： 1 ) 冷却效率高：沸腾换热时热传导率是风冷的1 0 0 倍、油冷的1 0 倍，这就为冷却 装置小型化创造了有利条件。从而，非常适于高热密度发热体的冷却。蒸发介质沸腾时 的放热系数约为1 0 0 0 2 0 0 0 0 w m 2 k ，而空气强迫对流放热系数为1 5 2 9 0 w m 2 k 。 2 ) 自循环方式：冷却系统可以依靠自身重力及压差来进行自循环，即电力电子器 件损耗发热传导给冷却介质，在沸腾点蒸发气态介质上升到冷凝器上部，并与其内的冷 却循环水进行热交换冷凝成液体后，重新流回蒸发器中，故不需要泵类装置等外加动力。 3 ) 沸腾时冷却介质温度均匀：由于在一定压力下，相变吸热温度几乎不变，这样 各个电力电子器件有可能安装在相同温度的散热平台，有利于散热器配置，结构相对简 单，安装方便。 4 ) 较高可靠性：冷却液本身具有绝缘性，可防火灭弧。 1 2 蒸发冷却的研究现状 蒸发冷却也可叫沸腾换热，是通过大量汽泡的形成、成长和运动将工质由液态转换 到汽态的一种剧烈蒸发过程。可按照沸腾发生的不同条件和沸腾特性来进行分类。就沸 腾发生的条件来分，可分为均质沸腾和非均质沸腾两类。前者是指在液体内部没有固定 的加热壁面，汽泡是由能量较集中的液体高能分子团的运动与聚集而产生的。这种沸腾 通常是采用对液体进行辐射加热的办法来实现的，一般需要较大的液体过热度。对均质 沸腾来说，由于无固相表面和异物参与，物理过程比较单纯，一些有机液体实际上就存 在着这种沸腾现象。非均质沸腾主要是指汽泡在与液体相接触的固体加热面上产生、成 长的沸腾过程，故又称表面沸腾。这种沸腾是最常见、最有实用价值的类型。 在非均质沸腾中，按照沸腾液体的流动特性，又可分为大空间沸腾和流动沸腾两种。 前者是指沉浸于原为静止的大容器内的加热面上的液体所发生的沸腾。大容器内所有流 体的运动是由自然对流和汽泡的成长、运动所形成的对流而引起的。而流豺辣瓣蚋是指 在定向运动的液体中发生的沸彝懿这种定向运动既可由外力驱动而致i 越冒笛旨曩! l 对流7 所形成。流体既有无相交的强迫或自然对流j 又存在着由于大量汽泡成长和运动所引起 的对流。在管内汽水混合物一边流动一边进行沸腾换热，故又称沸腾两相流。 1 2 。l 国内羚的研究现状 1 国外的研究情况 二十世纪四十年代以来，美国、日琦英国、俄罗斯、加拿大等国相继开展了将相 辘一辛一， 实验研究阶段，至今没有成熟产品进入工业应用。他们的主要研究成果i jj 如下： 1 9 4 9 年荷兰人t d e k o n i n g 首先提出了“喷雾式蒸发外冷”技术，其电机结构为在 电机的端部装有幅向的细管，水雾直接落在绕组、铁心和转子表面上吸热而汽化，生成 的水蒸汽在电机的另一端冷凝，由泵送入储液箱再循环使用。这种冷却方式制造和使用 都很不方便，且因水具有导电性而对电机绝缘的要求严格，仅在特种电机上使用。 1 9 6 2 年苏联基辅工学院开始研究“直接膜状蒸发冷却”。其基本原理是用带有空心 导体的定转子绕组作为冷冻机的蒸发器。这种冷却方式在汽轮发电机上使用可使单机容 量比用氢冷时提高一倍，但冷冻功率大、循环系统复杂、操作维护不方便。 1 9 6 9 年日本东芝电气公司研究试验了汽轮发电机的转子强迫循环水蒸发内冷系统。 其循环回路为：冷却水从轴中小孔流向分配环，在离心力的作用下，经配水坏上的喷嘴 喷入最内层的绕组，每层绕组有溢流结构，冷却水通过溢水孔逐步流入最外层绕组中 多余的水流入收集器。一个绝缘套筒套在转子周围，筒内的蒸汽吸入冷凝器进行冷凝， 再送回转子，压力控制阀自动保持筒内压力，可控制沸腾温度。此种方式需要很多外部 管路和冷却装置，同时水对轴及绝缘材料有腐蚀性。 1 9 7 0 年美国通用电气公司在国际大电网会议上发表的论文中提出了转子臼循环燕 发冷却方案。整个转子密封于不锈钢套筒中。冷却介质采用r 1 1 3 、r 】1 4 ，r c 7 5 等。 发电机绕组内充有低沸点、高绝缘的冷却液体。发电机运行时，冷却液体吸收热量后焦 发汽化，经过冷凝器又冷凝为液体，经过与绕组相连通的外部回液管重新返回绕组 旺 成自然循坏。这种自循环蒸发冷却系统冷却效率高，结构简单，操作维护方便，运行砭 全可靠，是一种很有发展前途的冷却方案。 1 2 2 国内研究现状 国内对蒸发冷却的研究是以中科院电工研究所为代表，现已将这项技术投入到了工 业应用。中国科学院电工所在保持内冷技术优越性的同时，为了解决水内冷电机的水系 统故障问题，于1 9 5 8 年开始从事蒸发冷却技术的研究。最早丌展的是“低温冷冻强迫 循环方式【4 】，。这种冷却方式使用沸点较低的介质，汽化后的饱和蒸汽温度低于：次冷2 j 介质温度，必须经过压缩，使其饱和温度高于二次冷却介质温度，j 能上生行热换；， 凝为液体，再次循环使用。1 9 5 8 年在全国第一次三峡科研工作会议上讨论了如阿研究果 用先进技术束设计制造三峡巨型发电机问题。中科院电工所承担了此项课题后，经过渊 查和试验研究提出了利用氟利昂作为介质的自循环蒸发冷却方式。这种冷上j 方式利u 机结构的特点( 例如：立式水轮发电机的定子绕组) ，以及液体汽化后密度发7 l 变化m j 人功率整流措件接投；争却杜米的1 j i 吒 引起压差变化，可以形成自然循环。当时，这在国内外是最早提出的。其原理如下：绕 组空心导体内的冷却液体吸收了热量，在常温下汽化，通道内形成汽液两相的混合物， 其混合密度小于回液管中未受热的液体密度。在重力加速度作用下，两管中的静压头不 同就产生了压差，这就是自循环的动力，成为流动压头。它是利用介质吸收的热量做助， 推动流体循环，无需外加动力。流动压头克服循环回路中的各种阻力损失，保持正常循 环，压头与总阻力相平衡。随着电机负荷的变化，损耗发生变化，流体的流量发生变化 从而介质的流动速度发生相应的变化，流动压头和总阻力损失在新的条件下达到新的平 衡，可以自动适应电机冷却的需要。这个自循环的原理同样适用于转子，由于离，t ：, 3 n 速 度比重力加速度大很多，因此循环的动力也大很多，从而使转子实现多匝自循环。电工 所为了进一步研究蒸发冷却原理和设计计算方法，先后建立了“汽液两相原理模拟”、“定 子模型”和“旋转模型”等实验室及相应的实验装置，对管道内蒸发冷却的基本规律进 行研究，获得了大量的实验数据，为后来的工业应用积累了大量的实验研究基础。电工 所老一辈科学家经过4 0 多年的艰苦研究，从l 万k w 的小机组到4 0 0 m w 的大型水轮 发电机，己积累了总容量达5 7 0 m v a 的运行经验，为我国大型电机冷却方式寻找新的 路做出了极大的贡献。目前不论是在基础试验研究或是机组运行经验，还是在蕉发冷2 、i j 电机方面，均处于世界领先地位。 中国科学院电工所与东方电机厂及上海电机厂等生产制造单位合作，先后将蒸发冷 却技术应用于汽轮发电机和水轮发电机上，取得了良好的工业应用效果。主要的成粜1 5 i 包括： 1 9 7 5 年与北京电力设备厂联合研制了一台1 2 0 0 k w 全蒸发冷却汽轮发电机。 1 9 8 3 年与东方电机股份有限公司合作，在云南省大寨电站将世界上首台蒸发冷却水 轮发电机投入工业运行。机组容量为1 0 m w ，陔电站先后安装两台浚型机组，机组币常 运行至今。 1 9 9 2 年与上海电机厂联合研制了一台5 0 m w 汽轮发电机，该机在上海西郊变1 u 站 作调相机运行至今。 1 9 9 2 年与东方电机股份有限公司台作，研制成功一台5 0 m w 蒸发冷却水轮发电机， 该机在陕西省安康电站正常运行至今。 1 9 9 9 年1 2 月9f 1 ，与东方电机股份有限公司合作，在青海省李家峡i 乜蚋将 i i 4 0 0 m w 蒸发冷却水轮发电机投入运行。 1 3 课题分析 中科院电工所蒸发冷却组受委托对交流1 2 相电流源整流成直流2 5 0 0 a 的大功牢整 流器的电力电子模块的冷却系统进行研制。由于系统受场地、空间的限制，要求整体尽 量小。这样从以下三方面考虑： 1 冷却效果 由于坏境的限制，带散热片的这种自然冷却是不能满足要求的。在封闭空m 和大热 量的条件下应优先选择液冷方式。采用水冷技术时，构成系统的各元件所需冷却水最小 尽相同，水路构成复杂，水密封接头多，一旦发生泄漏容易造成短路事故。 外，如粜 用的水是海水的话，对器件和管路的腐蚀会很严重，这对系统的可靠性和寿命鄙足r f 人 的威胁。采用蒸发冷却技术因介质本身就是绝缘介质，丌i 但不会造成短路，还会人人肌 强绝缘性能，更不会有腐蚀情况，而且具有很高的冷却效率。 2 j 甫助装置 空冷和水冷都需要使系统运行完成热量传递的动力装置，而自循环蒸发冷刖投水小 需要动力，这样更加强了系统运行的可靠性。 】4 论文研究的主要内容 1 探讨大空间沸腾换热的理论基础。 2 分析大空阳j 沸腾换热过程的机理。 3 设计针对半导体器件应用壁挂分离式蒸发冷却方案的系统实验装置，包j 1 ： 1 ) 冷凝器的设汁： 2 ) 蒸发器的设计； 3 ) 冷却基板的设计。 4 。对系统关键部件固定半导体器件的冷却基板在不同材料、不刊结构形- 卜，j 山 率器件在不同热负荷时的传热特性进行实验研究。 5 通过实验数据分析，比较不同材质、不同结构冷却基板的优缺点。 6 对今后间接冷却的方式提出改进意见，并展望深化研究的问题。 大功率整流器件蒸发冷却技术的研究 第二章大空间沸腾换热的理论基础 2 1 汽泡核化 早在本世纪三十年代，人们在研究液体穴化、汽体凝结中，就提出了均质系统核化 理论的一些概念和研究方法，六十年代前后又得到了新的发展。对均质系统核化理论的 研究基本上有两种不同的方法：动力学方法1 6 3 1 和统计学方法t 8 , 9 1 。 动力学理论指出，在纯液体的大量分子团中，能量的分布是不均匀的，这种不均匀 分布造成了液体密度的波动在波动中，部分分子团占据了较多的能量，这些高于平均 值的能量称为活化能。随着分子团的相互碰撞，能量不断地积累，在那些占据活化能的 地区一活化点( 穴) ，借助于足够的活化能促成了汽泡的自发形成。存单位容积的纯液 体中，活化点( 穴) 数量称为活化点( 穴) 密度( 或称活化穴在液体空间的分布) ，它 是形成稳定沸腾过程的决定性因素。 实际上，沸腾液体并1 i 十分纯净，常常含有各种杂质或溶有气体，杂质及溶解气体 剥核化起泡都起促进作用，故实际液体中的沸腾过热度比理想的纯净均质液体的沸腾过 热度要低。而在实际- 丁程中，常见的那种有固体加热表面参与的液体沸腾过热度则更低 一些。无论则于带有杂质或溶有气体的沸腾还是有固体加热表面参与的沸腾均属非均质 沸腾尤其是表而沸腾更有其独特的重要性。 2 1l 表面沸腾起泡过程 一、表面沸腾的一个重要概念接触角目：当液体与固体表面接触时，由于液体与固 体性质的不同，冈此将出现显著不同的两种情形： 1 液体滴在固体水平面上呈球形，如图2 1 ( a ) 所示，在竖直壁面上则呈图2 2 ( a ) 所示的 形状在物理学中定义：自由液面的切线与固体表 面切线间的夹角为接触角。上述两例巾，o e 。 对于接触角大于兰的情形，称固体表面不被液体所 z 润湿，简称不润湿。当日= 7 时，则称完全不润湿。 2 液体滴能够在水平表面上流布，如图2 1 ( b ) ， 或在竖直壁上呈图2 - 2 ) 所示形状。根据接触角的 定义，上述两种情形中的9 = 2 9 - 。当p p 一丝 f2 - 9 ) ， 也就是表面张力平衡不了内外压差时，汽泡丌始长大。在这一短短的时叫i u j 隔内，汽泡 内蒸汽温度一基本上与液体温度巧( 正高于液体压力p ，下的饱和温度f ) 相等，即，i 泡 在保持其内部温度与液体温度相同的条件下等温成长。在这段时间内，汽泡的成长过程 主要由汽液界面及液体的运动方程控制，汽泡成长率主要取决于液体的惯性力与表嘶张 力。以上所述的汽泡成长阶段称为汽泡成长的初始阶段，又称等温成长模式、流体动力 控制成长时期或惯性力控制时期，其特点是时问较短( 约为几毫秒) h 其成k 述嫂技jl 它阶段迅速。 2 后期阶段 当汽泡尺寸增长到一定程度时，液体的惯性力和表面张力的作用减弱到可以忽田 怕 程度，则汽泡内蒸汽压力p ，近似与液体主流的压力且相等。出于p ，不随时问丽变，救 可知汽泡界面是在接近等压条件下移动。对汽泡成长的上述过程称为汽泡成长的后期f 行 段。在这一阶段中，若汽泡的汽液界面处的汽液两相处于热力学平衡状态，则界面汽侧 温度必与界面液侧温度相同。由于界面上液体不断蒸发而吸热，使界面液温降低到与液 体主流压力相应的饱和温度相近的程度。在这一时期内，汽泡的成长率主要取决于过热 液体向汽泡传递热量的快慢程度，即汽泡成长过程受热扩散方程控制。所以汽泡后期成 长阶段又称等压成长阶段、热扩散控制或渐近热控制时期。其特点是经历的时间间隔较 长，而成长速率较初始阶段速率缓慢。在汽泡成长的整个过程中，热扩散控制阶段占 主导地位。 3 过渡阶段 介于上述两个阶段之间的汽泡成长过程的成长速率既受惯性力、表面张力的影响， 也受过热流体传热速茸f 的影响。也就是说，汽泡成长受流体运动和热扩散共同控制。因 此，过渡阶段兼有初始及后期两个成长阶段的特性。必须指出，上述汽泡成长的各不网 阶段在整个汽泡成长过程中所占据的地位与作用与沸腾系统的性质、系统的压力等许多 因素有关。 第一午j 、守州7 w ；梅拽热帖肚：7f 日 2 3 3 复杂性与多变性 汽泡的成长、跃离和运动过程与沸腾液及加热表面的温度分柿、系统的u 肌1 “! l 方向、传热途径与强度、壁面及沸腾液体的物性等各种因素有关。在实际沸腾过w ， 1 、 各活化核心所形成的汽泡在成长、跃离及运动中相互干扰和影响，使过程更加复杂化 此外，由于许多因素在质与量方面对沸腾过程的影响尚未查明，因此在实际沸腾；h 汽 泡成长、跃离与运动过程的许多参数具有随机性。如在保持实验条件、测量方法小变的 情况下，对汽泡的某些参数如等候时间r 一跃离直径见以及成长速率掣进行测量，所 盯r 得数据有较大的波动，重现性较差。 由于现象的复杂性和多变性，形成了对汽泡成长、跃离与运动各参数估计方法的多 样性和所得数据的分散性。到目前为止，已提出了大量的由实验或经验数据所整理而啦 的各种经验公式和半经验公式。虽然它们都具有较苛刻的局限条件，但列那些j - | 数倒靖 计方法将实验数据整理而成的经验公式，由于已将过程参数的可信度做了仞步什i _ i 以在符台经验公式的使用条件下，这类经验公式在工程实用中有一定的可靠性。丌1 埘那 些在简化或理想条件下，根据模型设想由理论分析而得到的计算公式，在某些场合f 打 使用中可作参考。更重要的是，这些在理论研究中所提出的论点、模式及分析疗浊，将 有益于对现象本质认识的深化，以逐步逼近汽泡成长、跃离与运动全过程的客观规律。 2 3 4 加热表面上汽泡成长过程的特点 与初始均匀过热均质液体系统中汽泡的成长过程相比较，固体加热表面上汽泡的成 长过程有如下特点： 1 汽泡是在加热表面及其附近的液体边界层这一组台环境下成长的。而对由加热表 面及其附近液体边界层所组成的系统，其温度随时间与空间坐标而变，这种非均匀温度 场对汽泡的成长过程有重大影响，它不仅直接改变了汽、液相的转化、运动及能量的传 递，而且使汽、液物性发生变化。所有这些变化构成了加热表面上汽泡成长规律的特殊 性。 2 由于固体加热表面的参与，使系统变为非均质系统。固体表面、蒸汽、液体之间 的相互作用与影响必须予以考虑。例如固体与液体之亲合性能、固体的导热性能及表面 状况等都对汽泡的成长发生影响。而这些相互作用与影响的大小与供热速率、沸腾工 况、系统压力等许多因素有关。 3 加热表面上汽泡的整个成长过程虽与初始均匀过热均质系统一样具有阶段性，即 亦呈现出由流体动力效应控制的初期阶段与由热扩散效应控制的后期阶段，以及介于两 j1 人功牛整流器件运，友i 冬圳 i 氐的1 。”： 者之矧的过渡阶段，但却有其不同的特点，如在汽泡后期成长阶段的术期，即汽泡i 惦近 跃离固体表面时，其控制因素发生显著变化，此时浮力、流体运动阻力、表面张力及峨 性力的相互作用则是不可忽略的。另外，在大气压力下，一般说柬汽泡在加热表皿j ? l 戊 长的初始阶段历时甚短，大部分时间为热扩散控制阶段。 以上特点的形成主要与下列因素有关： 1 汽泡是在加热面附近的液体边界层中成长起来的，因而该液体边界层的质量、动 量和能量平衡对汽泡成长的影响将是固体加热表面上汽泡动力学所讨论的主要内容之 一。 2 汽泡在跃离前一直与加热壁面保持着直接接触，汽泡成长所需能量也是由壁曲汀f 接提供。因此加热壁面的物性、表面状况及其温度分布对汽泡成长过程的影响必须加以 考虑。 由上述分析可知，与初始均温均质液体系统比较加热表面上汽泡成长过程更为复 杂，且因影响因素更多、作用各异而具有多变性，以致使过程具有更大的随4 ：jl 。睫。l t 然 在某种特设条件下，已初步获得了能与初始均温均质系统的理论与公式十h 媲荚的t j 。lj 戍 果，但是迄今为止，还不能不大量地采用近似的方法，甚至经验的或半经验的方法按不 同情况分别去描述汽泡成长规律。 2 4 本章小结 沸腾换热理论就是研究汽泡的形成、成长、运动的理论。本章以汽泡核化和汽泡动 力学为着入点：在汽泡核化方面阐述了表面沸腾汽泡过程的重要概念接触角：并简 要分析光滑平面上汽泡形成的过程。在汽泡动力学方面阐述了汽泡成长、跃离、运动的 基本过程及特点。 第三章大空间沸腾换热过程机理 3 1 沸腾换热曲线 就非均质沸腾而言，无论是大空间沸腾还是流动沸腾，热流密度q 、换热系数h 。j 换热温差一壁面过热度l = l t ( l 为壁温，r 为液体饱和温度) 之侧存在着确j 的关系。表示这些关系的沸腾曲线就是对沸腾换热规律的宏观描述。人们为探寸这种父 系，曾作过许多研究。1 7 5 6 年l e i d e n f r o s t ，j 8 8 8 年l a n g 都用自己的实验证明过：沸腾 热流密度q 随, x l 的变化有最高值与最低值。1 9 3 5 年n u k i y a m a 在较系统、全面的实验 基础上得到了q 一l ，h 一l 关系曲线。后来又分别为f a r b e r ，s c o r a h ，m c a d a m s 等人的实验所证实。现以大气压力下单组分水的大空间沸腾换热为例，对沸腾曲线作如 下的分析和说明。 图3 1 的横坐标为l g ( l ) ，纵坐标为l g q 及l g h 。，图中实线a b c d e f g 就址、个n j 沸腾曲线。由图示曲线可以看出，随着壁面过热度t 的增加，热流密度发q i 变化，l 现出不同的沸腾工况。 圈3 i 大空间沸腾曲线 3 1 1 单相自然对流( a b ) 阶段 当壁面过热度l 较低时，在加热表面上的液体尚未达到饱和温度，但靠近热壁面 的液体温度己高于液体主流温度，从而形成自然对流。此时，从加热表面到液体主流， 从液体主流到自由液面，热量传输均以自然对流方式进行，而液体的蒸发主要在自由液 面上进行。由图线可知，这一阶段的换热系数与一般自然对流换热相同。即 5 q ( l ) “ 并按下列自然对流换热关联式进行换热计算 肋，：o 1 4 ( g r ，p n ) ( 3 1 ) ，、山：整；克擀似发冷l i 1 、们一l7 ： 式中n u ，g n ，p r 分别为液体n u s s e l t 准数、g r a s l z o f 准数及p r a n d t l 准数，同 肌，：丝g ：丝垒翌：鱼p 卜生丝 k |“tk t 其中l 为定性尺寸，岛、p l 、h 、c 。、分别为液体的导热系数、密度、动力粘度、 比热、容和膨胀系数，g 为重力加速度。 3 1 2 泡态沸腾( b e ) 阶段 由图线可知，曲线b e 段是由b c 与c e 两段组成的。 b c 段是由单相自然对流到完全泡态沸腾的过渡阶段。当l 选坌峙：确j 它值i i ，j ) j i i 热表面在少数汽化核心处开始形成汽泡，热流曲线逐渐变陡，换热系数h 。有所增l ：自，f i - j 所形成的汽泡或就地破灭或跃离到液体中凝结下来，这便是过冷沸腾阶段。 c e 段称为充分发展泡态沸腾阶段。随着l 的增加，加热面上汽化核心需：膻增多， 汽泡频率升高。此时，液体主流温度达到或超过相应压力下的饱和温度，在加热壁i f i | f ： 所形成的汽泡不仅不再凝结，而且跃离到液体主流中还要继续成长。大量汽泡的形成、 长大、跃离和运动，形成了加热壁面与液体之间的强烈对流换热。般说柬，充分技f ；! ：i 泡态沸腾热流密度q 与l 的”次方成j 下比 9 = ( l ) ”( = 2 5 ) 应当指出，如图3 - l 所示，当l = ( a t ) 。时，由于加热面上成核密度和汽泡频率 的急剧增加，许多汽泡来不及向主流跃动而在表面聚集，部分汽泡互相合并成为离散的 大汽泡，从而增加了主流液体向壁面回流的阻力，故使换热系数开始下降，而换热系数 的降低必然导致热流密度的下降。但是由于此时尚未在加热表面上形成汽膜，而随着汽 泡数量的急剧增多仍从表面带走大量汽化潜热并对液体进行了扰动，故仍使热流密度 有所增高。上述两种效应的综合结果是，后者对热流密度的增强贡献大于前者对热流 密度的削弱影响。也就是说，在这一阶段泡态沸腾的作用是主要的，即热流密度随l 的增加仍在升高，但其增长速率较充分发展泡态沸腾为低。对于这一相应的沸腾工况 称之为泡态沸腾偏离点( d e p a r t u r ef r o mn u c l e a t eb o i l i n g ，缩写为d n b ) 。 当l 继续升高到达( l l 时，加热面上开始形成汽膜，换热情况迅速恶化，而 热流密度则达到最高值留一，若l 继续增加，热流密度q 就开始下降，就是说热流曲 线出现了转折点。所以，将g 一称为临界热流密度q 。，或临界热负荷，也有称之为最高 热流密度。 辩二辛、守闻绑孵撷热1 柑机j 3 1 3 膜态沸腾( e g 或e f g ) 阶段 随着加热或控制方式的不同，在越过沸腾临界点进入膜念沸腾阶段时，7 删莓? tl i 沿图中的实线e f g 或虚线e g 进行。如采用蒸汽或高温液体加热时，壁潞成为拧制岳， 沸腾则沿盯g 进行。而如采用电加热，控制热流密度恒定时，则沸腾曲线将沿虚线从 点直接达到g 点。这是由于为了使热阻很大的汽膜所传递的热流密度不变，9 1 0 传热流等 必然跃增。对于非低沸点液体，到达g 点时壁面温度可能跃升至壁面材料的熔_ 。i 以l ? ， 以致使壁面遭到破坏，这也就是将临界热流密度q 出现时的工况视为沸腾危机及烧毁 点的原因所在。 由图3 ，l 可知，e 阳分为两段：段为e f ，另一段为f g 。 三f 段称为部分膜态沸腾( p a r t i a lf i l mb o i l i n g ) 或过渡沸腾阶段。在这一阶段内，。加热 表面上的汽膜是不稳定的或不完全的：一方面，部分地区被汽膜所覆需，而另i _ ：分地 区仍存在着大小各异的汽泡的形成、成长和运动过程；另一方面，加热表面轮罱地做；l 膜和液体所占据。也就是说，加热表面在时间上，与液体保持着间断的接触，而确：。i h j 上总与液体保持着局部的接触。总之，在过渡沸腾中，膜态、泡念沸腾既同时存在叉交 替转换，随着壁面温度的升高，汽膜覆盖之百分比增加，到达尸点时，加热表面j ：7 肜成 稳定的汽膜，因而热阻增加，热流密度达到最小值g 。护 f g 段称为稳定膜态沸腾( s t e a d yf i l mb o i l i n g ) 或充分发展膜态沸腾。加热表面上形成 稳定的蒸汽膜后，汽膜周期性地释放出蒸汽，形成按一定规律排列的汽泡逸出汽膜由 于液体主流与加热壁面之间被汽膜隔开，所以对流换热强度大大削弱。但随着壁温r 的 迅速升高，辐射换热量增加，所以沸腾曲线恢复为上升形式，即热流密度随l 的升高 而增加。但曲线斜率较泡态沸腾阶段为低，即热流密度增长率较缓慢。 3 2 泡态沸腾换热机理的主要模型 泡态沸腾无论是在理论探讨还是在实际应用中都是最常见、最普通、也是最重要的 一种沸腾工况。大空间泡态沸腾可分为过冷泡态沸腾和充分发展泡态沸腾。 3 - 2 i l 汽泡扰动模型 汽泡的形成、成长和跃离能够引起壁面附近液体 的可观扰动1 1 7 】，如图3 - 2 所示。这种扰动所影响的范 围约为以汽泡核为中心的、两倍于汽泡直径的区域。 被扰动的液体形成了平移、旋转和振动，使沸腾换热 得到了强化。著名的r o h s e n o w 关联式就是基于这种 l5 田3 - 2 汽 乜扰动梗型 人j j j ： 整流器川量垃t ? ? 二：，、1 j “ 模型设想，据根实验数据归纳出来的 掣= 岛甚 南 1 2 r 其中惫 赤j 趣半咄s 为撒。躲甄卧= ；， s 与c 。则与沸腾液体和壁面材料的匹配有关：叽为沸腾换热热流。 但是，上述关联式的精确度并不取决于模型设想，而是在很大程度k 取诀j 二所他川 的实验数据的精确程度及回归整理方法中的误差。但是，这种模型设想尚有小少值利i , i j 榷之处。由于液体流动阻力的存在，由汽泡成长、跃离及运动而引起的扰动所形成的液 体湍动速度是有一定限度的，不可能使这种属于单相湍流自然对流的换热系数与高强度 的泡念沸腾换热系数相等。 有的研究者卅以电解汽泡的实验证明，汽泡的扰动作用至多将对流换热强化f g m 上述事实说明，单纯的汽泡扰动效应不可能使泡态沸腾换热具有较单相对流高得多f 1 0 换 热系数。当然也应当肯定，气泡扰动效应对泡态沸腾换热起了重要作用，但泡念沸腾换 热高效性却并非这一效应的单独贡献所致。 3 2 2 蒸汽一液体交换模型 ( a ) 妞盎亚 9 j 圉3 - 3 汽泣交换机理模型 有的研究者【1 9 】提出了下列设想，即汽泡将热流体从壁面附近推到大空间中去，而随 着汽泡的跃离或破灭又将冷液体从大空间主流吸到加热壁面上来，如图3 3 ( a ) 所示。 也就是说，汽泡的成长、跃离起着一种类似活塞的泵浦作用以 g = 中 ( 3 - 3 ) 来表示换热热流密度，其中m 为每个汽泡所传递之热流，j v 为壁面上的汽泡密度。如设 铺二争人守问汛肫批扎_ 2 t 1 k 【 汽泡成长至半球状，也即半径达到r 。时即破裂，而相同容积的温度为的冷液被i l ! 乏入 原汽泡的所在地。在每一汽泡循环周期内，这部分冷液被加热到液体主流温度t 转温 的平均值半，若以，表示汽泡频率，则由g ：巾可得到 瞄p g “) ( 半一疋 删 b 。， 此式与实验值之偏差为4 8 ，但上述分析与计算仅限于过冷泡念沸腾。 部分研究者【2 0 1 对饱和泡念沸腾提出了与上述模型相类似的容积对流模型。l 受模要“认 为，当汽泡跃离壁面时，同时携走其影响区范围的部分热液，如图3 - 3 ( b ) 所示。 3 2 3 微层蒸发模型 还有的研究者。“指出，单个汽泡经蒸发而传递的热 量大大超过其所需要的汽化潜热如图3 - 3 所示，汽泡 在壁面产生的同时于其底部形成薄液层。在汽泡成长 7 羹培 期间，泡内之汽体是由这一薄层的液体蒸发而产生的。 固3 3 徽层蒸发模型 在汽泡顶部，由于液温较低( 尤其在过冷沸腾中更是如此) ，则有部分蒸汽凝结。于是 在汽泡顶部出现了汽相转化为液相并向周围液体放出热量的传质传热过程。所以，薄液 层液体的蒸发不仅为汽泡成长提供了蒸汽，而且维持了上述传质传热过程。因而可以断 定，单个汽泡经其底部薄液层蒸发由壁面所传递的热量大大超过一个汽泡内的蒸汽所需 的汽化潜热。 3 2 4 组合模型 只考虑一种效应对沸腾换热的贡献显然是片面的。若将各种效应的作用综合起来， 组成对沸腾换热过程的全面描述，即利用组合模型则可比较全面、真实地反映过程的客 观情况。但对各种不同的沸腾工况和类型，如何根据过程的实际情况去恰当地确定对沸 腾换热起作用的各种效应，并估计各效应影响之大小，是组合模型面临的必须加以解决 的问题。目前有两种比较典型的组合模型实例。 ( 一) g r a h a m - h e n d r i c k s 模型 g r a h a m 和h e n d r i c k s 提出“”，将沸腾壁面按换热机制之不同分为三个区域( 如图 3 - 4 所示) 1 汽泡成长区该区包括单汽泡和重叠汽泡，汽泡与壁面的接触面积与接触角0 有 关。在汽泡成长期间接触角是变化的，所以要按整个成长时间对口取平均值。 人j j j 年整流器件董笸；拿j = | j j t n 1 “ i团因口 蠡发区强化对瘫区瞬态导热区ij 时= 流暖t i 兰13 - 4 泡态沸腾时壁面1 符小i 叫区域 对于单个汽泡，按汽泡与壁面的接触面积又可划分为： 干涸区在此区内，泡内蒸汽与固体壁面直接接触其换热系数甚低。在泡态沸腾 的大部分时间内，干涸区面积以基本上保持不变，而且与壁总面积码相比彳，甚小，战 干涸区对换热的影响可以忽略不计。但当接近沸腾临界点时，干涸区的面积增加，其影 响则不可不加以考虑。 微液层蒸发区这是位于汽泡底部、其接触单位约与汽泡半径相同的一个变厚度的 薄液层。在这一区域内，液膜蒸发是主要换热方式，如以行。表示平均汽泡数，“表示 汽泡半径，m 。表示单个汽泡干涸区所占的百分数，则干涸区总面积a 。为 a d = n 。2 中d s i n 20 ( 3 5 ) 而壁面上液膜蒸发区面积总和a 则为 a 。= 疗。刀2 1 。由于汽泡成长与运动之影响，使影响区内的液体对流被盟化， 其换热系数高于壁面上液体普通自然对流换热的a 倍。 2 汽泡准备区当汽泡跃离壁面后，在活化核心处则又酝酿形成另个新汽泡。花 新汽泡形成前，位于这个区域的液体与壁面之间处于非稳态导热的状况，如将其视为存 r 。( 等候时间) 内壁面对半无限大液体块的非稳念导热过程，以a ，柬表示坎区面秘， 则导热热流应为 q 一= g 甜爿。， ( 3 一g ) 3 非沸腾区这是指那些由非活化点所组成的、基本上不直接受汽泡行为影响的区 域。因而在这个区域内，换热过程由普通的液体自然对流控制，其换热量为 q r = q n c m ( 3 1 ( ) ) 泡态沸腾过程的总换热量为上述各部分传热量之总和即 譬= q r = 盟号 鱼 ，” 实验表明，蒸发换热和非稳态导热在泡态沸腾换热中占据重要地位。当热流密度增 高时，蒸发换热的贡献加大。当到达接近临界热负荷的沸腾工况时，蒸发换热则成为沸 腾换热的主要换热模式。 ( 二) j u d d h w a n g 模型 与上述的组台模型相比，区别在于j u d d h w a n g 将壁面全部活化点归结为个汽泡 区，即将汽泡成长区与准备区合并。”，如图3 - 5 所示。 畅 翻3 - 5j u d d h w a n g 模型1 i 意图 】9 大j j ，扣整流器件董蔹r 扎i _ 、。 在此汽泡区内汽泡底部液体微层蒸发及汽泡成长所引起的容积对流是t 要换热 奠 式。 微层蒸发换热的热流密度q 。为 铲譬嘲一m 等厩 制， 出汽泡成长、运动所引起的容积对流换热，可采用平均热流计算方法确定 舻譬 ( 3 _ ，。) 至于非沸腾区的换热亦应是以液体的普通自然对流方式在壁面与液体蚓进行的。| j 1 j 此对流换热热流为 g 。= 兰蔓二学= q ，+ g 。+ 9 。( 3 一1 4 ) 3 3 本章小结 本章对揭示沸腾换热规律的沸腾曲线进行宏观描述，分析说i 月了驴相n 然刈流阶 段、泡念沸腾阶段、膜态沸腾阶段所呈现的不同沸腾工况。并对实际应用中最常址、最 重要的泡态沸腾阶段的换热模型：汽泡扰动模型、蒸汽一液体交换模型、微层蒸发模型、 组合模型进行了系统分析论述。每种模型虽然都不能全面、真实的反映沸腾过程的客观 情况，但是都从一定的角度分析论述了沸腾过程的某个方面。比较而言，组合模型址犄 各种效应的作用综合起来的模型，因此其揭示的沸腾过程具有一定的全面、客观性。 第四章大功率整流器件蒸发冷却系统设计 4 1 功率半导体模块的结温和热阻 功率半导体器件在工作时，由于p a r 结的功率消耗，结的温度会升高。器什使川j 的结温丁与器件的寿