典型電流體動力學(xué)傳導(dǎo)泵性能的實(shí)驗(yàn)研究

杜中林，馬詩遠(yuǎn)，易紅亮，吳 健

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，空天熱物理工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

0 引言

傳統(tǒng)機(jī)械泵因易發(fā)生機(jī)械故障和過度振動，難以小型化制造，不適用于液膜與多相流輸運(yùn)等缺陷，無法滿足電子元器件熱管理系統(tǒng)高功率散熱等一系列需求。隨著流體傳熱系統(tǒng)向小型化和高功率化方向發(fā)展，基于電場力驅(qū)動的電導(dǎo)泵（electrohydrodynamic conduction pumping）作為一種有效的流體流動生成與控制技術(shù)，近年來獲得廣泛關(guān)注。這種泵具有低振動噪聲、易小型化制作、運(yùn)行可靠、無需運(yùn)動部件和空間跨尺度的良好適應(yīng)性等特征[1]，在航天器高功率散熱系統(tǒng)、微流體冷卻系統(tǒng)、低重力空間散熱及柔性軟機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2-4]。

電導(dǎo)泵泵送流體依賴于流體與電場的相互作用，利用流場中存在的庫侖力驅(qū)動流體流動。液體中的自由電荷來源于介電液體中電解質(zhì)分子的解離過程。在電場作用下，解離的正、負(fù)離子向相反極性的電極板移動，在電極板表面形成電荷層，即異號電荷層[5]。施加于流場中的庫侖力大小與異號電荷層大小成比例。而控制異號電荷層大小的最簡單方式便是控制電導(dǎo)泵電極的幾何形狀。多孔-圓環(huán)電極和尺寸不同的平嵌電極是2 種最典型的電導(dǎo)泵電極。非對稱電極設(shè)計(jì)使得異號電荷層大小不同，從而獲得凈庫侖力驅(qū)動流體流動。多孔電極電導(dǎo)泵性能與孔徑大小有關(guān)，孔徑越小，泵產(chǎn)生的靜壓越大[6-7]。然而小孔徑多孔電極電導(dǎo)泵在產(chǎn)生流動時(shí)存在多孔電極處局部阻力大的問題。為減小泵內(nèi)流動阻力，美國伍斯特理工學(xué)院的Seyed-Yagoobi教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了平嵌電極泵[8-9]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，平嵌電極電導(dǎo)泵的泵送方向?yàn)檎姌O流向?qū)掚姌O，且與多孔電極相比，平嵌電極更適合泵送薄液膜。在2015 年版的《NASA 技術(shù)路線圖》[10]中，電導(dǎo)泵作為主動流動生成與控制技術(shù)，將用于探索下一代航天器高功率電子元器件空間熱管理技術(shù)。于是，Seyed-Yagoobi 教授團(tuán)隊(duì)在NASA 的資助下，開展了一系列電導(dǎo)泵技術(shù)研究，包括單相流、兩相流、液膜沸騰、重力變化及泵長時(shí)間運(yùn)行等實(shí)驗(yàn)研究[11-14]，并將研制的第一代電導(dǎo)泵于2017 年2 月至2018 年8 月在國際空間站上進(jìn)行了在軌測試；第二代電導(dǎo)泵也有計(jì)劃實(shí)施在軌測試。

國內(nèi)對電流體動力學(xué)研究起步較晚[15]，相關(guān)的電流體泵研究也較少。北京工業(yè)大學(xué)于翮等基于MEMS 加工技術(shù)制作了電液動力微注入泵，在施加90 V 電壓時(shí)微泵可獲得最大靜壓268 Pa[16-17]；之后，又在電極材料的選擇、微注入泵設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了改進(jìn)，提升了微泵性能[18]。李斯盟等[19]制作了針-環(huán)和針-網(wǎng)電極注入泵，進(jìn)行了注入泵靜態(tài)驅(qū)動性能實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：增加環(huán)電極寬度和減小電極間距均可提高針-環(huán)和針-網(wǎng)注入泵的驅(qū)動能力。注入泵存在的問題是，電極-液體界面的電化學(xué)反應(yīng)會改變電極表面性質(zhì)，從而影響泵的穩(wěn)定性和壽命。目前國內(nèi)對電導(dǎo)泵的研究相對匱乏。最近，作者研究團(tuán)隊(duì)對電導(dǎo)泵的研究進(jìn)行了綜述[20]，同時(shí)設(shè)計(jì)了平嵌電極和多孔電極這2 種典型結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)泵，并搭建泵性能測試實(shí)驗(yàn)平臺，對它們泵送介電液體的性能進(jìn)行對比分析，以期推進(jìn)電導(dǎo)泵應(yīng)用于電子元器件微通道液冷等領(lǐng)域。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

平嵌電極和多孔電極電導(dǎo)泵的工作原理如圖1所示。在強(qiáng)電場作用下，解離離子在電極表面形成了不同尺寸的異號電荷層，流場在凈庫侖力的驅(qū)動下產(chǎn)生凈流動。典型電極電導(dǎo)泵的性能測試系統(tǒng)如圖2 所示，主要由電導(dǎo)泵、壓差計(jì)、流量計(jì)、儲液罐、閥門與連接管路組成。為防止燒壞直流高壓電源，電源系統(tǒng)中串聯(lián)了一個(gè)保護(hù)電阻。

圖1 典型非對稱電極結(jié)構(gòu)示意Fig. 1 Schematic diagram of typical asymmetric electrode arrangement

圖2 電導(dǎo)泵性能測試系統(tǒng)Fig. 2 Testing system for the EHD conduction pumping

6 對平嵌電極電導(dǎo)泵設(shè)計(jì)圖與實(shí)物如圖3 所示，泵外殼由亞克力材質(zhì)制成，內(nèi)部流體通道為方腔結(jié)構(gòu)，通道邊長8 mm；電極采用具有高導(dǎo)電性的金屬銅制作，銅制高壓、接地電極板經(jīng)拋光處理后，嵌入方腔底部；蓋板與電導(dǎo)泵主體部分通過螺栓固定，蓋板與電導(dǎo)泵主體相接觸的部位通過玻璃膠進(jìn)行密封處理。設(shè)計(jì)中采用了文獻(xiàn)[8]中的電極寬度、電極間距和電極對間距尺寸，接地電極寬度L1為3 mm，高壓電極寬度L2為9 mm，電極間距L3為3 mm，電極對間距L4為15 mm。

圖3 6 對平嵌電極電導(dǎo)泵設(shè)計(jì)圖及實(shí)物Fig. 3 Design and actual object of EHD conduction pump with six pairs of flushed electrodes

如圖4 所示，多孔電極電導(dǎo)泵的電極采用316 不銹鋼制成，電極間距與電極對間距由聚四氟乙烯（PTFE）制成。多孔高壓電極流體通道處圓孔直徑為1.5 mm，接地電極中心流體通道直徑為8 mm，電極兩側(cè)的螺栓通道孔直徑分別為3 mm 與6 mm。多孔電極厚度為0.6 mm，電極間距與圓環(huán)電極厚度均為3 mm，電極對間距為15 mm。

圖4 3 對多孔電極電導(dǎo)泵實(shí)物Fig. 4 Actual object of EHD conduction pump with three pairs of perforated electrodes

測試中，流量計(jì)處管道內(nèi)徑為5 mm，流量計(jì)與壓差計(jì)測量誤差分別為±0.2 cm/s 和±2 Pa。實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，泵送的介電液體為在EHD 領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景的HFE-7100[21]，其物性參數(shù)參見表1。

表1 介電液體HFE-7100 的物性參數(shù)[21]Table 1 Physical properties of dielectric liquid HFE-7100[21]

2 實(shí)驗(yàn)過程、結(jié)果與分析

電導(dǎo)泵性能測試實(shí)驗(yàn)之前，首先檢查線路是否連接完好；隨后打開儲液罐閥門，使系統(tǒng)管路中充滿介電液體。正式實(shí)驗(yàn)開始前，先開啟高壓直流電源，令電導(dǎo)泵運(yùn)行一段時(shí)間，排盡管路中的氣體后關(guān)閉電源及儲液罐閥門。每次實(shí)驗(yàn)均待壓差計(jì)、流量計(jì)與萬用表示數(shù)穩(wěn)定后，記錄流量、壓差和電流數(shù)據(jù)。

為確定電導(dǎo)泵電極間無電荷注入現(xiàn)象發(fā)生，且系統(tǒng)中的介質(zhì)流動和壓力均由電荷傳導(dǎo)機(jī)制產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)中將萬用表串聯(lián)在系統(tǒng)中，測試電導(dǎo)泵的電流-電壓特性。平嵌電極電導(dǎo)泵電壓-電流特性曲線如圖5 所示，電壓和電流近似呈正比關(guān)系，可確認(rèn)無電荷注入現(xiàn)象發(fā)生。通過觀察流量計(jì)示數(shù)的正負(fù)，可判斷平嵌電極電導(dǎo)泵的流動方向?yàn)橛烧姌O流向?qū)掚姌O。6 對平嵌電極電導(dǎo)泵性能隨施加電壓的變化如圖6 所示：隨著施加電壓的增大，電導(dǎo)泵性能逐漸提高，當(dāng)施加電壓為10 kV 時(shí)，平嵌電極電導(dǎo)泵產(chǎn)生的流量為194.5 mL/min，平均流速165.1 mm/s，動壓為40.3 Pa，泵耗電量僅為0.069 W。關(guān)閉電導(dǎo)泵左右兩側(cè)閥門進(jìn)行靜壓測試，結(jié)果如圖7 所示，平嵌電極電導(dǎo)泵在施加10 kV 電壓時(shí)產(chǎn)生的最大靜壓為72.1 Pa。

圖5 平嵌電極電導(dǎo)泵的電流-電壓特性曲線Fig. 5 Current-voltage curve of flushed electrode EHD conduction pumping

圖6 平嵌電極電導(dǎo)泵性能隨施加電壓的變化Fig. 6 Performance of flushed electrode EHD conduction pumping against the applied voltage

圖7 平嵌電極電導(dǎo)泵產(chǎn)生的靜壓隨施加電壓的變化Fig. 7 Static pressure produced by the flushed electrode EHD conduction pumping against applied voltage

3 對多孔電極電導(dǎo)泵的電壓-電流特性曲線如圖8 所示，其電壓-電流處于準(zhǔn)歐姆區(qū)，表明此時(shí)泵中凈電荷密度的產(chǎn)生僅依靠介電液體HFE-7100 中電解質(zhì)的解離-結(jié)合機(jī)制。多孔電極電導(dǎo)泵泵送流向?yàn)橐后w由圓環(huán)電極流向多孔電極。多孔電極電導(dǎo)泵性能隨施加電壓的變化如圖9 所示：當(dāng)施加10 kV電壓時(shí)，泵所產(chǎn)生的流量為438.2 mL/min，動壓為173.0 Pa，泵耗電量為0.083 W。3 對多孔電極電導(dǎo)泵在施加10 kV 電壓時(shí)產(chǎn)生的最大靜壓為363.5 Pa（見圖10）。

圖8 多孔電極電導(dǎo)泵的電流-電壓特性曲線Fig. 8 Current-voltage curve of perforated electrode EHD conduction pumping

圖9 多孔電極電導(dǎo)泵性能隨施加電壓的變化Fig. 9 Performance of perforated electrode EHD conduction pumping against the applied voltage

圖10 多孔電極電導(dǎo)泵產(chǎn)生的靜壓隨施加電壓的變化Fig. 10 Static pressure produced by the perforated electrode EHD conduction pumping against applied voltage

綜上可知，相比平嵌電極電導(dǎo)泵，多孔電極電導(dǎo)泵具有更好的性能。從圖1 所示的2 種典型非對稱電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即可看出，相比于平嵌電極設(shè)計(jì)，多孔電極處的異號電荷層使得流場中具有更大的軸向凈庫侖力，更有利于驅(qū)動流體產(chǎn)生軸向凈流。

表2 對比了本文與文獻(xiàn)[7]中多孔電極電導(dǎo)泵的性能，它們的差異原因可能是電導(dǎo)泵流體通道面積和自由電荷在電極表面的附著面積不同：1.59 mm孔徑的多孔電極表面積約為81.71 mm2，其中41%為流體通道（約為33.5 mm2）；而本文設(shè)計(jì)的1.50 mm孔徑的多孔電極表面積為50.27 mm2，其中流體通道面積為20.44 mm2。1.59 mm 孔徑的多孔電極投影面積大，自由電荷附著面積大，故可產(chǎn)生更大的壓差；但同時(shí)其投影面積過大，導(dǎo)致通道內(nèi)流體流動阻力較大，因而產(chǎn)生的流量較小。

表2 本文及文獻(xiàn)[7]中多孔電極電導(dǎo)泵性能對比Table 2 Performance of the perforated electrode EHD conduction pumpings between this paper and result of Ref. [7]

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了2 種典型電極結(jié)構(gòu)電導(dǎo)泵——平嵌電極和多孔電極電導(dǎo)泵，并搭建電導(dǎo)泵性能測試平臺，實(shí)驗(yàn)研究了這2 種電導(dǎo)泵的動態(tài)、靜態(tài)驅(qū)動特性，介電液體為HFE-7100。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：

1）在測試電壓10 kV 以內(nèi)，2 種泵的電壓-電流特性曲線均處于準(zhǔn)歐姆區(qū)，泵內(nèi)無電荷注入發(fā)生，泵內(nèi)自由電荷主要來源于電解質(zhì)的解離過程。

2）動態(tài)驅(qū)動特性：施加10 kV 電壓時(shí)，6 對平嵌電極電導(dǎo)泵產(chǎn)生流量194.5 mL/min，動壓40.3 Pa；3 對孔徑1.50 mm 的多孔電極電導(dǎo)泵產(chǎn)生流量438.2 mL/min，動壓173.0 Pa。

3）靜壓驅(qū)動特性：施加10 kV 電壓時(shí)，6 對平嵌電極電導(dǎo)泵產(chǎn)生最大靜壓72.1 Pa；3 對多孔電極電導(dǎo)泵產(chǎn)生最大靜壓363.5 Pa。

4）多孔電極電導(dǎo)泵比平嵌電極電導(dǎo)泵具有更好的性能。原因在于，在多孔電極處形成的異號電荷層具有更大的軸向庫侖力，更有利于驅(qū)動流體產(chǎn)生軸向凈流動或獲得更大的靜壓。

未來的研究中將利用電導(dǎo)泵作為系統(tǒng)動力源，進(jìn)行高熱流密度電子元器件強(qiáng)化散熱應(yīng)用研究，探索電導(dǎo)泵技術(shù)在航天器高功率電子元器件熱管理、高熱流密度芯片散熱等領(lǐng)域的應(yīng)用。