CN110351981B - 一种高热流密度喷雾冷却装置及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高热流密度喷雾冷却装置及***，所述装置包括喷雾腔体、喷雾腔进液管、喷雾腔出液管和位于喷雾腔体内的喷孔板、阵列喷嘴和复合微结构，喷孔板将喷雾腔体分隔为缓冲室和喷雾室，喷雾腔进液管与缓冲室连通，喷雾腔出液管与喷雾室连通，阵列喷嘴设置在喷孔板位于喷雾室的一侧上，喷孔板上设置有多个连通缓冲室与阵列喷嘴的通孔，复合微结构设置在喷雾室上与阵列喷嘴相对的壁面上，复合微结构包括设置于与阵列喷嘴相对的壁面上的底层吸液芯以及设置在底层吸液芯上的多个肋状吸液芯。复合微结构能够提供更多汽化成核位置数量，提高工质相变换热能力，又可以增强了液膜的延展能力，具有高效的换热能力。

Description

一种高热流密度喷雾冷却装置及***

技术领域

本发明属于喷雾冷却技术领域，具体涉及一种高热流密度喷雾冷却装置及***。

背景技术

随着高功率激光技术、电子元器件高度集成与微型化等技术不断的发展，单位体积内功耗也不断增大，造成电子元器件的发热不断增加，特别是机载设备热流密度可达100～1000W/cm²，直接影响电子器件的使用寿命。因此，迫切需要高效可靠的冷却技术满足高热流密度电子元器件的散热需求。目前，主要有三种有效的冷却技术有希望解决高功率热流密度电子元器件的散热需求。即，微通道冷却、射流冷却和喷雾冷却技术。然而，微通冷却技术压降大，温度不均匀，稳定差；射流冷却流量较大，冷却表面温度梯度较大，会使温度敏感性电子器件失效。相比微通道和射流冲击冷却，喷雾冷却作为一种高效的两相散热技术，具有传统散热技术无法比拟的高换热能力、良好的均温性、较小的工质需求量等优点，被认为是解决未来小平台机载设备高热流密度电子器件最有效的散热技术。

喷雾冷却是在压力下使工质经过喷嘴形成微米级的液体颗粒，液体颗粒不断撞击喷雾换热表面，在喷雾换热表面通过液膜蒸发、对流和相变的换热方式带走大量热量的一种散热技术。并且，由于液体速度较快，粒径较小，均匀的撞击在这个换热表面，所以被冷却换热面温度比较均匀，满足对电子元件散热要求。然而，在喷雾换热过程中，由于过高的热流密度热源容易造成喷雾壁面出现干涸，造成临界热流密度较低，而临界热流密度表征了喷雾冷却***的最大换热能力，是换热性能的重要指标。为此，国内外研究学者对采用表面针肋、沟槽和多孔涂层等强化传热技术提高传热性能进行了广泛的研究。实用新型专利CN201467614U提出了一种喷雾冷却与微槽群相变换热相结合的换热装置。该实用新型虽然通过微槽群增加了换热面积，一定程度上提高了换热量。但是，这种微槽群液膜延展能力低，难以满足高热流密度的散热需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高热流密度喷雾冷却装置及***以提高工质相变换热能力、增强液膜的延展能力、提高临界热流密度。

实现本发明目的技术解决方案为：一种高热流密度喷雾冷却装置，包括喷雾腔体、喷雾腔进液管、喷雾腔出液管和位于所述喷雾腔体内的喷孔板、阵列喷嘴和复合微结构，所述喷孔板将所述喷雾腔体分隔为缓冲室和喷雾室，所述喷雾腔进液管与所述缓冲室连通，所述喷雾腔出液管与喷雾室连通，所述阵列喷嘴设置在喷孔板位于所述喷雾室一侧上，所述喷孔板上设置有多个连通所述缓冲室与所述阵列喷嘴的通孔，所述复合微结构设置在所述喷雾室上与所述阵列喷嘴相对的壁面上，所述复合微结构包括设置于与所述阵列喷嘴相对的壁面上的底层吸液芯以及设置在所述底层吸液芯上的多个肋状吸液芯。

进一步地，所述底层吸液芯和所述肋状吸液芯均由铜粉颗粒烧结而成。

进一步地，所述底层吸液芯为单层结构，由粒径为0.050～0.1mm的铜粉颗粒烧结而成，所述多个肋状吸液芯在所述底层吸液芯的表面垂直向外延伸，所述多个肋状吸液芯采用粒径0.13～0.18mm的铜粉颗粒烧结而成。

进一步地，每个所述肋状吸液芯在与所述底层吸液芯的表面垂直方向的长度为0.7mm，在与所述底层吸液芯的表面平行的方向的长度为0.7mm，每个所述肋状吸液芯之间的间距为0.7mm。

进一步地，每个所述肋状吸液芯在与所述底层吸液芯的表面垂直方向的长度为0.7mm，在与所述底层吸液芯的表面平行的方向的长度为0.7mm，所述肋状吸液芯在中间位置平行排列、在两端位置呈发散状排列从而多个肋状吸液芯整体上构成一个矩形。

进一步地，所述喷雾腔体的材料为铜或铝。

进一步地，所述阵列喷嘴包括多个喷嘴，每个喷嘴出口直径为0.2～2mm，出口压力在0.2～2MPa范围内，喷嘴到与所述喷雾室与所述喷嘴相对的壁面的距离在4～100mm范围内。

一种高热流密度喷雾冷却***，包括电子元件、冷却器、储液罐、泵、加热器、流量计和根据上述所述的高热流密度喷雾冷却装置，所述电子元件位于设置有复合微结构的所述喷雾室的壁面的外侧，所述喷雾腔出液管与冷却器的进口连接，所述冷却器的出口与储液罐连接，所述储液罐的出口与加热器的进口连接，所述加热器的出口与所述流量计的进口连接，所述流量计的出口与所述喷雾腔进液管连接。

进一步地，所述***还包括旁通管路与第一调节阀，所述第一调节阀设置于所述泵与加热器之间，所述旁通管路的出口连接储液罐、进口位于所述泵与所述第一调节阀之间，所述旁通管路上设置有第二调节阀。

进一步地，所述***还包括电源与温度传感器，所述电源和温度传感器分别与所述电子元件连接。

本发明与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

(1)烧结型肋具有较高的渗透率，在毛细力的作用下能够将喷雾表面液态工质输送到中间高热流密度区域，同时具有蒸汽流道，减小蒸汽流动阻力；并且烧结型颗粒提供了较大的润湿面积从而增加了沸腾发生的成核位置的数量，提高换热性能；

(2)喷雾表面单层吸液芯，能够提高液膜延展能力，防止局部干涸，同时小粒径铜粉颗粒具有较小的热阻；

(3)喷雾表面单层吸液芯与烧结型肋组合，在毛细力的作用下液体工质沿烧结型肋输运到高热流密度区域，同时单层液芯将液膜铺展开，进一步提高了喷雾表面临界热流密度；

(4)多喷嘴阵列喷雾具有良好的高效、均温和稳定性，能够实现高功率、大面积的散热需求。

附图说明

图1为高热流密度喷雾冷却装置的剖视图。

图2为高热流密度喷雾冷却***的***连接图。

图3为复合微结构侧视图。

图4为复合微结构截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种高热流密度喷雾冷却装置，包括喷雾腔体10、喷雾腔进液管 16、喷雾腔出液管17和位于所述喷雾腔体10内的喷孔板14、阵列喷嘴11和复合微结构13，所述喷孔板14将所述喷雾腔体10分隔为缓冲室15和喷雾室18，所述喷孔板14与喷雾腔体10经一体加工而成，无焊接泄露隐患，所述喷雾腔进液管16与所述缓冲室15连通，缓冲室15用来为阵列喷嘴11提供均匀的进液压力，所述喷雾腔出液管17与喷雾室18连通，喷雾腔体10与喷雾腔进液管16 和喷雾腔出液管17经一体加工而成，无焊接泄露隐患，所述阵列喷嘴11设置在喷孔板14位于所述喷雾室18一侧上，所述喷孔板14上设置有多个连通所述缓冲室15与所述阵列喷嘴11的通孔，所述复合微结构13设置在所述喷雾室18 上与所述阵列喷嘴11相对的壁面上，所述复合微结构13包括设置于与所述阵列喷嘴11相对的壁面上的底层吸液芯13-1以及设置在所述底层吸液芯13-1上的多个肋状吸液芯13-2，阵列喷嘴11在压力下产生细小液滴喷向复合微结构13。

进一步地，所述喷雾腔体10的材料选用紫铜，紫铜具有良好的导热性和结构强度，喷雾腔体10长65mm，宽30mm，高45mm，壁厚为0.5mm，所述喷雾腔进液管16内径为6mm，喷雾腔出液管17内径为8mm，管壁厚均1mm

进一步地，结合图3-4，所述底层吸液芯13-1和所述肋状吸液芯13-2均由铜粉颗粒烧结而成。所述底层吸液芯13-1采用单层直径为0.05～0.1mm的小粒径铜粉烧结铺满整个喷雾表面，所述多个肋状吸液芯13-2在所述底层吸液芯13-1 的表面垂直向外延伸，所述多个肋状吸液芯13-2采用直径为0.13～0.18mm的粒径较大的铜粉颗粒在单层吸液芯上烧结形成，每个所述肋状吸液芯13-2在与所述底层吸液芯13-1的表面垂直方向的长度为0.2～3mm，优选0.7mm，在与所述底层吸液芯13-1的表面平行的方向的长度为0.2～3mm，优选0.7mm，每个所述肋状吸液芯13-2之间的间距为0.2～5mm，优选0.7mm。大粒径铜粉烧结形成的沟槽能够提供大的渗透率，液体工质渗透到高热流密度区域；单层小粒径烧结铺在换热表面具有较小的热阻。优选的，结合图3，所述肋状吸液芯13-2在中间位置平行排列、在两端位置呈发散状排列从而多个肋状吸液芯13-2整体上构成一个矩形。

进一步地，所述喷雾腔体10的材料为铜或铝，具有较高的热传导性和结构强度。

进一步地，所述阵列喷嘴11包括多个喷嘴，每个喷嘴出口直径为0.2～2mm，出口压力在0.2～2MPa范围内，喷嘴到与所述喷雾室18与所述喷嘴相对的壁面的距离在4～100mm范围内，喷射角度在30～130°范围内。

结合图2，一种高热流密度喷雾冷却***，包括电子元件12、冷却器2、储液罐3、泵4、加热器7、流量计8和根据上述所述的高热流密度喷雾冷却装置，所述电子元件12位于设置有复合微结构13的所述喷雾室18的壁面的外侧，所述喷雾腔出液管17与冷却器2的进口连接，所述冷却器2的出口与储液罐3连接，所述储液罐3的出口与加热器7的进口连接，所述加热器7的出口与所述流量计8的进口连接，所述流量计8的出口与所述喷雾腔进液管16连接，冷却器 2和的作用是用来调节喷雾腔体10流出的工质温度，泵4用于给***提供动力，储液罐3用于储存***工质，喷雾***采用的工质为R245fa。

进一步地，所述***还包括旁通管路与第一调节阀6，所述第一调节阀6设置于所述泵4与加热器7之间，所述旁通管路的出口连接储液罐3、进口位于所述泵4与所述第一调节阀6之间，所述旁通管路上设置有第二调节阀5。

进一步地，所述***还包括电源1与温度传感器9，所述电源1和温度传感器9分别与所述电子元件12连接。

本发明在蒸汽腔体10的喷雾表面制作单层吸液芯结构和烧结型肋复合微结构不仅能提供毛细力，能使液体输送到容易发生干涸的高热流密度区域，提高液膜的延展能力，并且能够提供更多气泡成核位置，增强两相换热能力。喷雾表面的小粒径铜粉烧结具有较小的热阻，存在三相接触线附近液膜区域中高强度蒸发和核态沸腾换热，可以提高换热性能。另外，喷嘴采用多喷嘴阵列布置，能够实现高功率、大面积的散热需求。冷却工质在阵列喷嘴中雾化成无数速度较快的细小液滴，液滴不断撞击喷雾表面，在喷雾表面复合微结构上进行对流换热和相变换热带走大量热量。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种高热流密度喷雾冷却装置，其特征在于，包括喷雾腔体(10)、喷雾腔进液管(16)、喷雾腔出液管(17)和位于所述喷雾腔体(10)内的喷孔板(14)、阵列喷嘴(11)和复合微结构(13)，所述喷孔板(14)将所述喷雾腔体(10)分隔为缓冲室(15)和喷雾室(18)，所述喷雾腔进液管(16)与所述缓冲室(15)连通，所述喷雾腔出液管(17)与喷雾室(18)连通，所述阵列喷嘴(11)设置在喷孔板(14)位于所述喷雾室(18)的一侧上，所述喷孔板(14)上设置有多个连通所述缓冲室(15)与所述阵列喷嘴(11)的通孔，所述复合微结构(13)设置在所述喷雾室(18)上与所述阵列喷嘴(11)相对的壁面上，所述复合微结构(13)包括设置于与所述阵列喷嘴(11)相对的壁面上的底层吸液芯(13-1)以及设置在所述底层吸液芯(13-1)上的多个肋状吸液芯(13-2)，所述底层吸液芯(13-1)和所述肋状吸液芯(13-2)均由铜粉颗粒烧结而成，所述底层吸液芯(13-1)为单层结构，由粒径为0.05～0.1mm的铜粉颗粒烧结而成，所述多个肋状吸液芯(13-2)在所述底层吸液芯(13-1)的表面垂直向外延伸，所述多个肋状吸液芯(13-2)采用粒径0.13～0.18mm的铜粉颗粒烧结而成，

每个所述肋状吸液芯(13-2)在与所述底层吸液芯(13-1)的表面垂直方向的长度为0.7mm，在与所述底层吸液芯(13-1)的表面平行的方向的长度为0.7mm，每个所述肋状吸液芯(13-2)之间的间距为0.7mm，

所述肋状吸液芯(13-2)在中间位置平行排列、在两端位置呈发散状排列从而多个肋状吸液芯(13-2)整体上构成一个矩形。

2.根据权利要求1所述的高热流密度喷雾冷却装置，其特征在于：所述喷雾腔体(10)的材料为铜或铝。

3.根据权利要求1所述的高热流密度喷雾冷却装置，其特征在于：所述阵列喷嘴(11)包括多个喷嘴，每个喷嘴出口直径为0.2～2mm，出口压力在0.2～2MPa范围内，喷嘴到与所述喷雾室(18)与所述喷嘴相对的壁面的距离在4～100mm范围内。

4.一种高热流密度喷雾冷却***，其特征在于包括电子元件(12)、冷却器(2)、储液罐(3)、泵(4)、加热器(7)、流量计(8)和根据权利要求1-3任一项所述的高热流密度喷雾冷却装置，所述电子元件(12)位于设置有复合微结构(13)的所述喷雾室(18)的壁面的外侧，所述喷雾腔出液管(17)与冷却器(2)的进口连接，所述冷却器(2)的出口与储液罐(3)连接，所述储液罐(3)的出口与加热器(7)的进口连接，所述加热器(7)的出口与所述流量计(8)的进口连接，所述流量计(8)的出口与所述喷雾腔进液管(16)连接。

5.根据权利要求4所述的高热流密度喷雾冷却***，其特征在于：所述***还包括旁通管路与第一调节阀(6)，所述第一调节阀(6)设置于所述泵(4)与加热器(7)之间，所述旁通管路的出口连接储液罐(3)、进口位于所述泵(4)与所述第一调节阀(6)之间，所述旁通管路上设置有第二调节阀(5)。

6.根据权利要求4或5所述的高热流密度喷雾冷却***，其特征在于：所述***还包括电源(1)与温度传感器(9)，所述电源(1)和温度传感器(9)分别与所述电子元件(12)连接。

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