冷却系统是机器的重要组成部分。机器工作的时候会产生热量。热量太多机器就会坏掉。冷却系统把多余的热量带走。这样机器可以正常工作。我们研究冷却系统的设计和改进。这个研究对很多机器都有用。

汽车的发动机需要冷却系统。发动机燃烧汽油产生动力。燃烧过程产生大量热量。金属部件温度快速上升。温度太高机油会失效。零件可能卡住或者烧毁。散热器是汽车冷却系统的关键。散热器里面有许多细小的管道。冷却液在这些管道里流动。冷却液吸收发动机的热量。热的冷却液流到散热器前面。风扇吹风经过散热器表面。空气带走冷却液的热量。冷却液温度下降。降温的冷却液流回发动机。这个循环不断进行。散热器的设计很重要。管道太细容易堵塞。管道太粗散热效果差。风扇的大小需要合适。风扇太小风力不足。风扇太大消耗过多电力。冷却液的选择也有讲究。水是最便宜的冷却液。但是水在零度会结冰。冬天结冰可能撑破管道。水在一百摄氏度会沸腾。发动机温度可能超过一百度。普通水不适合做冷却液。人们在水里加入防冻液。防冻液降低冰点提高沸点。防冻液还能防止金属生锈。冷却液需要定期更换。旧的冷却液性能会下降。杂质会堵塞冷却通道。

电脑也有冷却系统。电脑的芯片工作时发热。现在的芯片速度很快。芯片越小发热越集中。温度过高芯片会损坏。电脑需要散热器帮助降温。最常见的散热器是风扇加金属片。金属片紧贴芯片表面。芯片的热量传到金属片。风扇吹风经过金属片。空气带走金属片的热量。有些电脑需要更强的冷却。高功率的电脑产生更多热量。普通风扇散热不够用。水冷系统可以解决这个问题。水冷系统用液体代替空气。液体吸热能力比空气强。小水泵推动液体循环。液体流过芯片表面的金属块。吸收热量后液体变热。热的液体流到远处的散热器。散热器上有风扇吹风。液体冷却后流回芯片。水冷系统散热效果好。但是水冷系统更复杂。可能漏水损坏电脑零件。安装维护需要更小心。

工厂的大型机器更需要冷却系统。发电机运行产生很多热量。没有冷却系统发电机不能工作。大型机器常用水循环冷却。冷却水从河里或者水库里抽取。冷却水流过机器的发热部位。吸热后的水温升高。热水流到冷却塔降温。冷却塔把热水洒成小水滴。空气接触水滴带走热量。水温降低后再次使用。冷却水需要处理干净。杂质会沉积在管道里。水垢影响传热效果。定期清洗管道很重要。有些工厂用空气冷却。空气冷却不用水。节约水资源。空气冷却靠巨大的风扇。风扇吹过机器表面的散热片。空气冷却适合缺水地区。空气冷却效果比水冷差。需要更大的散热面积。

我们研究冷却系统的效率。效率高的冷却系统效果好。节能是重要的目标。冷却系统本身消耗能量。风扇水泵都需要电力。设计目标是减少能量消耗。我们测试不同的散热片形状。扁平的散热片最常见。我们尝试波浪形的表面。波浪形表面面积更大。空气流动更容易产生涡流。涡流增强热交换效果。实验证明波浪形有一定改进。我们测试不同的材料。金属传热速度不一样。铜的传热很快。铜的价格很贵。铝的传热也不错。铝比较轻价格便宜。大多数散热器用铝制作。我们尝试铝铜复合材料。接触热源的部分用铜。其他部分用铝。这样平衡性能和成本。

我们研究冷却液的流动方式。冷却液流动越快带走热量越多。快速流动需要更大水泵。水泵耗电增加。我们寻找合适的流速。实验测量不同流速的散热效果。流速很低散热不够。流速很高效果提升不明显。存在一个最佳流速点。这个点散热好而且耗电少。管道布局也很关键。管道弯曲太多阻力大。需要更大动力推动液体。直管道阻力小。机器内部空间有限。管道必须弯曲适应空间。我们设计弯曲角度小的路线。减少流动阻力。管道内壁光滑度有影响。光滑内壁摩擦小。我们对内壁做抛光处理。抛光后冷却液流动更顺畅。

风扇的设计有很多学问。风扇叶片的角度影响风量。角度太大风阻大。角度太小风量不足。叶片数量需要合适。叶片太少风压不够。叶片太多相互干扰。我们测试不同叶片形状。传统叶片是直的。弯曲叶片可能效率更高。我们用计算机模拟气流。找到效率高的叶片形状。风扇的噪音也是问题。噪音太大影响使用。叶片形状影响噪音。我们设计噪音小的叶片。电机转速可以调节。温度高时转速加快。温度低时转速减慢。这样节约电能。我们给风扇加上温度传感器。传感器信号控制电机速度。

冷却系统需要维护保养。灰尘是散热的大敌。散热片上积灰影响散热。灰尘阻挡空气流动。热量散不出去机器温度升高。需要定期清理灰尘。冷却液会慢慢蒸发。液面下降影响循环。需要定期补充冷却液。管道接头可能松动。松动会导致液体泄漏。泄漏不仅浪费还可能损坏机器。需要检查接头是否牢固。风扇轴承需要润滑。润滑不足轴承磨损。磨损后风扇噪音变大。严重时风扇会停转。定期加润滑油延长寿命。

我们做实验验证改进效果。搭建一个测试平台。模拟机器发热的过程。电加热器代替真实机器。可以精确控制发热量。测量不同冷却系统的温度。记录电力消耗数据。比较改进前后的效果。改进后温度降低五度。电力消耗减少百分之十。这个效果很有意义。机器寿命得到延长。电费支出减少。我们的研究有实用价值。

冷却系统技术不断发展。新的材料不断出现。石墨烯传热性能很好。石墨烯散热片很薄。适合小型电子设备。研究还在继续。我们希望冷却系统更高效。更节能更安静。这个领域还有很多工作要做。我们的研究是一个小部分。很多人在研究这个问题。未来会有更好的冷却系统。机器可以更可靠地工作。能源消耗进一步降低。这是我们的目标。