CN102632009A - 一种可固定多喷嘴的喷雾腔体装置 - Google Patents

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陶毓伽
侯燕
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Abstract

一种可固定多喷嘴的喷雾腔体装置，安装在被冷却物体上，主要包括有：一缓冲腔，置于喷雾腔体内；一进液管插设于喷雾腔体内，与缓冲腔的一端连接，缓冲腔的另一端安装有多个喷嘴；所述喷嘴的下方为一锥形腔，锥形腔的上方设有一堵头，锥形腔的下部为喷出孔；堵头上有至少三个等角度的贯通于堵头的微孔道，各微孔道与堵头平面形成45°角，使各微孔道的出液口指向锥形腔；进液管中的液体经各微孔道在锥形腔中形成旋流后从喷出孔喷出，形成众多微液滴喷射到被冷却物体的表面。本发明的喷雾腔体结构可对多喷嘴喷雾冷却过程进行可视化观察与实验测量，为研究喷雾冷却的流动与换热提供必须的实验装置。

Description

一种可固定多喷嘴的喷雾腔体装置
技术领域
本发明涉及一种用于微电子器件的冷却装置，具体地涉及一种可固定多喷嘴的喷雾腔体结构。
背景技术
近年来，随着微电子技术的迅速发展，电子芯片的集成度、封装密度以及工作频率不断提高，导致单位体积功耗与热流密度急剧增加，芯片温度显著上升，严重影响其可靠性和使用寿命；同时电子器件的微型化已成为现代电子设备发展的主流趋势。在这种情况下，要在毫米甚至微米量级的器件尺度上把高热流密度带走，迫切需要探索高效冷却方式，实现在极其有限的空间内及时消除因功率耗散所转化的热量，解决大功率电子设备的散热冷却问题。
喷雾冷却是借助高压气体或依赖液体本身压力通过喷嘴将液体雾化为液滴群，喷射到被冷却面，依靠射流冲击、强对流以及液滴相变等带走大量热量，实现壁面冷却，是一种极具发展潜力的高效强热流冷却方式，已有文献报道其冷却能力达到1000W/cm2。正是因其冷却过程中能在低表面温度下带走大量热量，临界热流密度高且冷却均匀的特点适合了电子元器件的冷却要求，从而大大拓宽喷雾冷却方式的应用范围。现有关于喷雾冷却的研究中单喷嘴的居多，已有学者指出采用多喷嘴能提高临界热流密度，并有效改善冷却均匀性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可固定多喷嘴的喷雾腔体装置，在喷雾腔体的有限空间内安装多个小型喷嘴，以进行喷雾冷却过程的可视化实验研究。
为实现上述目的，本发明提供的可固定多喷嘴的喷雾腔体装置，安装在被冷却物体上，主要包括有：
一缓冲腔，置于喷雾腔体内；
一进液管插设于喷雾腔体内，与缓冲腔的一端连接，缓冲腔的另一端安装有多个喷嘴；
所述喷嘴的下方为一锥形腔，锥形腔的上方设有一堵头，锥形腔的下部为喷出孔；
堵头上有至少三个等角度的贯通于堵头的微孔道，各微孔道与堵头平面形成45°角，使各微孔道的出液口指向锥形腔；
进液管中的液体经各微孔道在锥形腔中形成旋流后从喷出孔喷出，形成众多微液滴喷射到被冷却物体的表面。
所述的喷雾腔体装置，其中，缓冲腔为方形。
所述的喷雾腔体装置，其中，喷嘴的内壁设有内螺纹，通过该内螺纹与缓冲腔底部的管螺纹相连接。
所述的喷雾腔体装置，其中，堵头上的微孔道为三个，互成120°。
所述的喷雾腔体装置，其中，微孔道的内径为0.2mm。
所述的喷雾腔体装置，其中，锥形腔下部的喷出孔内径为0.3mm。
所述的喷雾腔体装置，其中，喷雾腔体是由耐温电加热玻璃与不锈钢制成的透明封闭箱体。
所述的喷雾腔体装置，其中，喷雾腔体的底部设有两个水流出口。
所述的喷雾腔体装置，其中，被冷却物体与喷雾腔体的底部用螺栓连接，被冷却物体的上表面同时作为被冷却面。
所述的喷雾腔体装置，其中，喷嘴与被冷却面的距离采用卡套结构调节。
这样的喷嘴及其连接结构既便于实验时拆卸、清洗与更换，而且可以根据冷却要求在有限空间内任意设计喷嘴个数。
本发明的喷雾腔体是由耐温电加热玻璃(前后侧)与不锈钢共同制成的透明封闭箱体，一方面可减小外部气流对喷雾流动和换热的影响，另一方面便于对液滴喷射状态与被冷却壁面上液体流动现象进行多角度可视化观测。本发明的喷雾腔体结构可用于对多喷嘴喷雾冷却过程进行可视化实验观测，而且很方便改变多个物理参数(喷嘴个数、喷射高度等)研究其对喷雾冷却的流动与换热的影响。
附图说明
图1为多喷嘴喷雾腔体组装示意图。
图2为喷孔板及喷嘴结构示意图，其中图2a上喷孔板示意图，图2b是喷嘴结构示意图。
图3为进液堵头结构示意图，其中图3a是堵头的放大剖视图，图3b是图3a的仰视图。
附图中主要组件符号说明：
1进液管，2卡套，3喷雾腔体，4缓冲腔，5喷孔板，6喷嘴，7被冷却物体，8管螺纹，9内螺纹，10软垫圈，11堵头，12锥形腔，12喷出孔，14微孔道，15出液口，16水流出口。
具体实施方式
本发明的可固定多喷嘴的喷雾腔体，是由进液管1、喷孔板5、喷嘴6、被冷却物体7与喷雾腔体3组成。具体的结构为：
在一喷雾腔3内，固定有一进液管1，在进液管1的下端连接固定一个方形的缓冲腔4，该缓冲腔4的下方通过一喷孔板5安装有数量不限的喷嘴6，本发明的缓冲腔4是为了使各喷嘴6的进液压力均匀而设置的。喷孔板5的下方伸出有管螺纹8，每一管螺纹8通过内螺纹9连接一喷嘴6。各喷嘴6内平行地安装有一堵头11，由管螺纹8旋入喷嘴6内压紧，在管螺纹8与堵头11之间设有软垫圈10。堵头11上有至少三个等角度分布的贯通于堵头的微孔道14(本实施例是以三个为例，相互之间的角度为120°)，各微孔道14与堵头平面形成45°角，使各微孔道14的出液口15指向锥形腔12的中心点。液体通过堵头11的微孔道14以45°角进入锥形腔12中，在锥形腔12中形成旋流后从下方的喷出孔13喷出，形成众多微液滴喷射到被冷却物体7的表面。这样的喷嘴及其连接结构既便于实验时拆卸、清洗与更换，而且可以根据冷却要求在有限空间内任意设计喷嘴个数。
喷雾腔体3是由耐温电加热玻璃(前后侧)与不锈钢共同制成的透明封闭箱体，一方面可减小外部气流对喷雾流动和换热的影响，另一方面便于对液滴喷射状态与被冷却壁面上液体流动现象进行多角度可视化观测。喷射过程会有液滴溅射到观察窗上，因此采用电加热方式使液滴无法附着在玻璃上，有助于观察和拍摄腔体内部流场。喷雾腔体左右两侧留有接口可安装温度与压力传感器(公知技术，图中未示)。喷雾腔体3的底部设有两个水流出口16。被冷却物体7是可以加热的加热块，作为模拟热源与腔体底部盖板采用螺栓连接，被冷却物体7(加热块)上表面同时也是被冷却面。喷嘴6与被冷却面之间的距离采用卡套2调节(公知技术)。本发明的喷雾腔体结构可用于对多喷嘴喷雾冷却过程进行可视化实验观测，而且很方便改变多个物理参数(喷嘴个数、喷射高度等)研究其对喷雾冷却的流动与换热的影响。
图1是本发明多喷嘴喷雾腔体的结构示意图。多喷嘴喷雾腔体主要由进液管、喷孔板、喷嘴、加热块以及腔体本身构成。如图1所示，进液管直径为10mm，通过卡套与喷雾腔体的上盖板之间采用螺栓固定，采用卡套结构是为了调节喷嘴距离被冷却表面的高度。进液管下方是一个方形的压力缓冲腔，可保证每个喷孔的喷射压力均匀。缓冲腔与多喷孔板焊接在一起。喷孔板与喷嘴的结构如图2a、b所示，这里显示的是单个喷嘴。喷嘴直径为9mm，喷嘴与喷孔板上的伸出段采用M6的螺纹连接。每个喷嘴包括内螺纹段、软垫圈、堵头、锥形腔和喷出孔。射流从堵头(如图3a、b所示)上方三个互成120°，直径为0.2mm的微孔成45°角进入锥形腔，在锥形腔中形成旋流后从下方直径为0.3mm的微孔喷出，形成微液滴。这样的喷嘴及其连接结构便于实验时拆卸、清洗与更换。本实施例中喷孔板上连接的喷嘴个数为6个。
喷雾腔体的前后侧均设有电加热玻璃视窗，便于对内部喷雾过程进行清楚地可视化观察；左右侧留有接口可安装温度与压力传感器；喷雾腔体底部设有两个水流出口。
本发明通过下述实验例可以证明其冷却效果：
采用加热块内嵌加热棒作为模拟热源，加热块与喷雾腔体底部盖板采用螺栓连接，其上表面凸起在喷雾腔体内部作为被冷却表面。在模拟热源加热功率为100W/cm2时，采用本发明的喷雾腔体进行多喷嘴喷雾冷却实验，在喷射流量为48L/h时，可使被冷却表面温度降到20℃左右，从而证明本发明具有良好的冷却效果。
采用本发明的喷雾腔体结构可对多喷嘴喷雾冷却过程进行可视化实验观测，而且很方便改变多个物理参数(喷嘴个数、喷射高度等)研究其对喷雾冷却的流动与换热的影响。

Claims (10)

1.一种可固定多喷嘴的喷雾腔体装置，安装在被冷却物体上，主要包括有：
一缓冲腔，置于喷雾腔体内；
一进液管插设于喷雾腔体内，与缓冲腔的一端连接，缓冲腔的另一端安装有多个喷嘴；
所述喷嘴的下方为一锥形腔，锥形腔的上方设有一堵头，锥形腔的下部为喷出孔；
堵头上有至少三个等角度的贯通于堵头的微孔道，各微孔道与堵头平面形成45°角，使各微孔道的出液口指向锥形腔；
进液管中的液体经各微孔道在锥形腔中形成旋流后从喷出孔喷出，形成众多微液滴喷射到被冷却物体的表面。
2.根据权利要求1所述的喷雾腔体装置，其中，缓冲腔为方形。
3.根据权利要求1所述的喷雾腔体装置，其中，喷嘴的内壁设有内螺纹，通过该内螺纹与缓冲腔底部的管螺纹相连接。
4.根据权利要求1所述的喷雾腔体装置，其中，堵头上的微孔道为三个，互成120°。
5.根据权利要求1或4所述的喷雾腔体装置，其中，微孔道的内径为0.2mm。
6.根据权利要求1所述的喷雾腔体装置，其中，锥形腔下部的喷出孔内径为0.3mm。
7.根据权利要求1所述的喷雾腔体装置，其中，喷雾腔体是由耐温电加热玻璃与不锈钢制成的透明封闭箱体。
8.根据权利要求1或7所述的喷雾腔体装置，其中，喷雾腔体的底部设有两个水流出口。
9.根据权利要求1所述的喷雾腔体装置，其中，被冷却物体与喷雾腔体的底部用螺栓连接，被冷却物体的上表面同时作为被冷却面。
10.根据权利要求1或9所述的喷雾腔体装置，其中，喷嘴与被冷却面的距离采用卡套调节。
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