CN111417291A - 一种喷雾气化自动冷却*** - Google Patents

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Abstract

一种喷雾气化自动冷却***，所述***包括冷却***和自动控制***；所述冷却***通过管路依次连接储液罐、减压阀、流量调节阀、分路器、雾化喷嘴，所述热沉一侧与所述雾化喷嘴相对设置，所述热沉另一侧与发热光电元件连接；所述自动控制***包括压力传感器、温度传感器、电流传感器、控制器；本发明使用常压下饱和温度低于室温的制冷剂，且该制冷剂的气化潜热较大，能够满足便携式高热流的大功率激光设备、电子设备的散热需求。

Description

一种喷雾气化自动冷却***
技术领域
本发明属于制冷设备技术领域，特别涉及高热流密度激光、电子设备的喷雾冷却***。
背景技术
随着激光、电子设备功率的大幅度增长，在有限的空间内散发出的热量急剧增加，如果不采取有效的散热措施，这些热量会使激光器、电子器件的温度迅速升高导致器件无法正常工作甚至被烧坏，因此如何及时消除因耗散功率所转化的高热流密度的热量成为制备高效高可靠性半导体激光器、电子设备的关键。而当前高热流密度的大功率激光器、电子元器件要求工作温度范围小、温度均匀性好，这必然就要求配套的散热***的散热能力强、响应快、热阻小、散热均匀、效率高。
喷雾冷却作为高效散热手段其热流密度可达到1000W/cm2，在高热流密度的激光器、电子设备散热上具有广阔的应用前景。喷雾冷却是将微量液体混入压力气流中形成雾状气液两相流体，通过喷雾产生射流并喷射到高温表面，通过液滴冲击、液膜流动、液膜表面蒸发、液膜核态沸腾以及二次成核等机理强化换热以使高温表面得到充分冷却。其主要优点是热阻低，具有较好的等温性和较高的热负荷能力并且需要的工质少，如压力雾化喷嘴使用水时热负荷达1000W/cm2，对应过热温度不超过60℃；蒸汽雾化喷嘴使用水时热负荷达1300W/cm2，对应过热温度不超过5℃。通过降低***压力、液体过冷或使用微喷嘴阵列和压电板雾化流体，喷雾冷却方法很可能在未来的大功率激光器、电子设备冷却***得到广泛的应用。
发明内容
本发明提供一种可快速更换制冷剂的便携式喷雾气化自动冷却***，通过喷雾冷却的高效散热能力与制冷剂较大的气化潜热结合起来，提高散热***的散热能力，并通过控制器能实现自动控制。
本发明的技术方案如下：
一种喷雾气化自动冷却***，所述***包括冷却***和自动控制***；所述冷却***通过管路依次连接储液罐、减压阀、流量调节阀、分路器、雾化喷嘴，所述雾化喷嘴与热沉一侧相对设置，所述热沉另一侧与发热光电元件连接；所述储液罐内设置有制冷剂，所述制冷剂自所述储液罐经所述减压阀、流量调节阀、分路器、雾化喷嘴作用后，喷射至所述热沉表面，降低所述热沉温度；所述自动控制***包括压力传感器、温度传感器、电流传感器、控制器；所述控制器与所述压力传感器、所述温度传感器、所述减压阀、所述流量调节阀电连接；所述温度传感器输送所述热沉的温度数据到所述控制器，所述控制器控制调节所述流量调节阀的开度，使所述热沉的温度达到设定温度值；所述控制器调整调节所述减压阀节阀的开度，使所述减压阀出口压力值与设定压力值保持一致,达到冷却效果。
进一步的，所述储液罐、减压阀之间设置有快速接头，所述储液罐与所述快速接头设置有多组，多组所述储液罐与所述快速接头并联连接，能够快速而方便的更换所述储液罐，使自动冷却***连续工作；所述储液罐倒置，所述储液罐内设置有液态的所述制冷剂，室温下所述制冷剂气化使得所述储液罐内始终保持一定压力，管路接通后所述制冷剂被压出所述储液罐，所述制冷剂经过所述减压阀后处于过热状态，经所述雾化喷嘴作用雾化喷射至所述热沉表面，降低所述热沉温度。
进一步的，所述冷却***设置有喷雾室，所述雾化喷嘴设置于所述喷雾室一内侧壁，所述热沉设置于所述喷雾室另一内侧壁，所述喷雾室上端为开口，所述开口设置有与所述喷雾室相连通的排气室，所述排气室内有一受控制器调节转数的排气扇，制冷剂在所述喷雾室内吸收所述热沉散发出的热量发生相变变成气体，在所述排气扇作用下从喷雾室的开口处快速逸散至大气环境中，所述排气室出口设置有网状或栅格结构。
进一步的，所述压力传感器设置于所述储液罐下方，将所述储液罐由重力而产生的压力数据实时传输至所述控制器；所述温度传感器为多个，均匀分布于所述热沉上，将所述热沉的温度数据实时传输至所述控制器；所述电流传感器串联在发热光电元件的主线路上，并向所述控制器实时输送所在线路的电流数据。
进一步的，所述自动控制***设置有安全开关、报警器；所述安全开关串联在发热光电元件的主线路上，受所述控制器控制；所述报警器接受来自所述控制器的报警信息，发出相应的语音和闪光，警示操作人员。
进一步的，所述控制器设置有报警压力值和报警温度值；当所述控制器接受所述压力传感器输送的压力低于设定报警压力值时，向所述报警器输送相应的报警信息；当所述控制器接受所述温度传感器输送的温度超过设定报警温度值时，向所述报警器输送相应的报警信息；所述控制器设置有极限压力值和极限温度值，当所述控制器接受所有所述压力传感器输送的压力低于设定的极限压力值时，所述控制器控制所述安全开关强制断开；当所述控制器接受所述温度传感器输送的温度高于设定的极限温度值时，所述控制器控制所述安全开关强制断开。
进一步的，所述储液罐为承压罐。
进一步的，所述制冷剂在一个大气压下的饱和温度不高于40℃。
进一步的，所述制冷剂为R134a、R142b、R21、R152a、R32的一种或多种。
进一步的，所述快速接头为自锁式接头，更换所述储液罐时，所述自锁式接头断开后会封住管路，防止管路中的所述制冷剂泄漏。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明的一种喷雾气化自动冷却***，通过喷雾冷却的高效散热能力与制冷剂较大的气化潜热结合起来，提高散热***的散热能力，并通过控制器能实现自动控制；本发明提出的方案可以对高热流密度的大功率激光器、电子设备进行高效的散热，特别适合于便携式高热流的激光器、电子设备，满足其正常工作时的热控需求。
本发明简单可靠，通过并联以及快速接头的设置，使得制冷剂可以很方便地更换，并且能够防止管路中的制冷剂泄露；
本发明使用后的制冷剂直接排散到大气环境中，不需要压缩机、冷凝器等设备，最大限度地减小了***的质量，使得喷雾气化自动冷却***可为便携式***；
本发明设置有报警器，通过报警器发出语音和声光，警示操作人员。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为本发明的一种喷雾气化自动冷却***的连接原理示意图。
图中标记：1-储液罐、2-制冷剂、3-快速接头、4-减压阀、5-流量调节器、6-分路器、7-雾化喷嘴、8-喷雾室、9-热沉、10-温度传感器、11-电流传感器、12-安全开关、13-排气室、14-报警器、15-控制器、16-压力传感器。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
为了更好的说明本发明，下方结合附图对本发明进行详细的描述。
一种喷雾气化自动冷却***，所述***包括冷却***和自动控制***；所述冷却***通过管路依次连接储液罐1、减压阀2、流量调节阀5、分路器6、雾化喷嘴7，所述雾化喷嘴7与热沉9一侧相对设置，所述热沉9另一侧与发热光电元件连接；所述储液罐1内设置有制冷剂2，所述制冷剂2自所述储液罐1经所述减压阀4、流量调节阀5、分路器6、雾化喷嘴7作用后，喷射至所述热沉9表面，降低所述热沉温度；所述自动控制***包括压力传感器16、温度传感器10、电流传感器11、控制器15；所述控制器15与所述压力传感器16、所述温度传感器10、所述减压阀4、所述流量调节阀5电连接；所述温度传感器10输送所述热沉9的温度数据到所述控制器15，所述控制器15控制调节所述流量调节阀6的开度，使所述热沉9的温度达到设定温度值；所述控制器15调整调节所述减压阀节阀4的开度，使所述减压阀出口压力值与设定压力值保持一致,达到冷却效果。
本发明的一种喷雾气化自动冷却***，通过喷雾冷却的高效散热能力与制冷剂较大的气化潜热结合起来，提高散热***的散热能力，并通过控制器能实现自动控制；本发明提出的方案可以对高热流密度的大功率激光器、电子设备进行高效的散热，特别适合于便携式高热流的激光器、电子设备，满足其正常工作时的热控需求。
具体的，在一应用例中，热控环境是：对发热功率为10KW的600mm*400mm的矩形发热板进行冷却，并保证发热表面的温度为10-40℃。一种喷雾气化自动冷却***，所述***包括冷却***和自动控制***；所述冷却***通过管路依次连接储液罐1、减压阀4、流量调节阀5、分路器6、雾化喷嘴7，所述雾化喷嘴7与热沉9一侧相对设置，本实施例设置10个所述雾化喷嘴7，所述雾化喷嘴7的喷射半角为60°，所述雾化喷嘴7流量通过流量调节阀控制5在0.2L-1.2L/min，所述雾化喷嘴7与所述热沉9相对距离为50mm，所述制冷剂2通过所述雾化喷嘴7喷出，对所述热沉9的覆盖率为79％，所述热沉9另一侧与一发热功率为10KW的600mm*400mm的发热光电元件连接；
参见图1，本优选实施例喷雾气化自动冷却***，所述制冷剂2为R134a，所述储液罐1最大承载压力为1.2MPa，所述制冷剂2被压缩呈液态的R134a装入所述储液罐1内储存，R134a在所述储液罐1最大承压值1.2MPa是对应的饱和温度为46℃；在46℃以下的储存、作业条件下所述储液罐1内气化的R134a的压力始终低于1.2MPa，保证设备的安全。
参见图1，本优选实施例喷雾气化自动冷却***，所述控制器15设定减压阀4出口基准压力为0.3MPa，设定所述热沉的工作温度为20℃，设定所述热沉9的温度超过35℃时报警，设定当所述热沉9的温度超过40℃时强制断开所述安全开关12。
设定所述压力传感器16的值低于0.5MPa时报警，设定所述压力传感器16的值低于0.3MPa时强制断开所述安全开关12。正常工作情况下，随着工作的进行，储液罐中制冷剂越来越少，当储液罐和制冷剂的质量之和小于5kg时，压力传感器将此数据传输至控制器，控制器随后向报警器输出报警信息，发出闪烁的光和语音警示，提醒作业人员尽快更换相应的储液罐，当操作人员换装上储有足量的制冷剂的储液罐后，相应的压力传感器输送至控制器的值会高于5Kg，此时控制器向报警器输送解除警报信息，报警器解除警报。如果操作人员没有及时更换储液罐，以至于所有的压力传感器的值均低于3Kg时，此时控制器会强制断开安全开关。设定所述电流传感器11输送的值为0后继续工作两分钟关闭所述减压阀4与所述流量调节阀5；当光电元件停止工作后，电流传感器输送至控制器的电流数据为0，此时控制器会使本冷却***继续工作两分钟，随后关闭减压阀与流量调节阀。
所述减压阀4控制所述储液罐1的出口压力基本保持恒定，所述减压阀4出口压力设置为0.3MPa时，所述减压阀4出口与所述雾化喷嘴7出口存在0.2MPa的压差；R134a在0.3MPa时的饱和温度为0.8℃，经所述减压阀4降压后R134a为处于过热状态的液态R134a，在所述雾化喷嘴7前后0.2MPa的压差的作用下，液态R134a流至所述分路器6分为若干个流量基本相等的支路，随后处于处于过热状态的液态R134a到达所述雾化喷嘴7，所述雾化喷嘴7将液态R134a雾化后快速喷至所述热沉9，开口的所述喷雾室8内的压力与环境压力均为一个大气压，此时R134a的饱和温度为-26℃，所以处于过热状态的小液滴状的R134a随即吸收大量的热量进而发生相变变成气态，气化后还会继续吸收一部分的热量，最终流至所述排气室13，在受控制器调节转速的排气扇的作用下快速逸散到大气环境中；位于所述热沉9上的所述温度传感器10将所述热沉9的温度数据实时传输至所述控制器15中，所述控制器15将温度数据与设定工作温度进行处理，进而控制所述流量调节阀5的开度控制管路中流量的大小，使得所述热沉9的温度稳定在设定工作温度范围内。
特殊情况下，光电元器件的发热功率过大时，导致所述流量调节阀5开度最大也不能有效地将光电元件产生的热量带走，使得所述热沉9的温度最终会达到35℃，所述温度传感器10将此数据传输至所述控制器15，所述控制器15调节所述减压阀4增大所述减压阀4的出口压力使管路中的流量增加进而增强冷却效果，同时所述控制器15向所述报警器14输出报警信号，发出闪烁的光和语音警示当前工作模式非常危险需及时终止工作。如果报警后操作人员一直没有使设备终止工作，并且温度传感器输送的温度数据没有超过极限温度，并且当减压阀的出口压力足够大使得温度传感器实时输送的热沉的温度数据低于报警温度时，控制器会向报警器输送解除警报信息，报警器随之解除警报，控制器则依据设定的策略使减压阀的出口压力值最终稳定下来，***处于相对稳定工作状态，如果减压阀的出口压力最大时温度传感器输送的温度数据还是高于报警温度，则热沉的温度会升高至极限温度，此时控制器会强制断开安全开关，以保证光电元件的安全。
正常工作情况下，随着工作的进行，储液罐中制冷剂越来越少，当储液罐和制冷剂的质量之和小于5kg时，压力传感器将此数据传输至控制器，控制器随后向报警器输出报警信息，发出闪烁的光和语音警示，提醒作业人员尽快更换相应的储液罐，当操作人员换装上储有足量的制冷剂的储液罐后，相应的压力传感器输送至控制器的值会高于5Kg，此时控制器向报警器输送解除警报信息，报警器解除警报。如果操作人员没有及时更换储液罐，以至于所有的压力传感器的值均低于3Kg时，此时控制器会强制断开安全开关。当光电元件停止工作后，电流传感器输送至控制器的电流数据为0，此时控制器会使本冷却***继续工作两分钟，随后关闭减压阀与流量调节阀。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种喷雾气化自动冷却***，所述***包括冷却***和自动控制***；其特征在于，
所述冷却***通过管路依次连接储液罐、减压阀、流量调节阀、分路器、雾化喷嘴，热沉一侧与所述雾化喷嘴相对设置，所述热沉另一侧与发热光电元件连接；所述储液罐内设置有制冷剂，所述制冷剂自所述储液罐经所述减压阀、流量调节阀、分路器、雾化喷嘴作用后，喷射至所述热沉表面；
所述自动控制***包括压力传感器、温度传感器、电流传感器、控制器；所述控制器与所述压力传感器、所述温度传感器、所述减压阀、所述流量调节阀电连接；所述温度传感器输送所述热沉的温度数据到所述控制器，所述控制器控制调节所述流量调节阀的开度，使所述热沉的温度达到设定温度值；
所述控制器调整调节所述减压阀节阀的开度，使所述减压阀出口压力值与设定压力值保持一致。
2.根据权利要求1所述的喷雾气化自动冷却***，其特征在于，所述储液罐、减压阀之间设置有快速接头，所述储液罐与所述快速接头设置有多组，多组所述储液罐与所述快速接头并联连接，所述储液罐倒置，所述储液罐内设置有液态的所述制冷剂，室温下所述制冷剂气化使得所述储液罐内始终保持一定压力，管路接通后所述制冷剂被压出所述储液罐，所述制冷剂经过所述减压阀后处于过热状态，经所述雾化喷嘴作用雾化喷射至所述热沉表面。
3.根据权利要求1所述的喷雾气化自动冷却***，其特征在于，所述冷却***设置有喷雾室，所述雾化喷嘴设置于所述喷雾室一内侧壁，所述热沉设置于所述喷雾室另一内侧壁，所述喷雾室上端为开口，所述开口设置有与所述喷雾室相连通的排气室，所述排气室内有一受控制器调节转数的排气扇，所述排气室出口设置有网状或栅格结构。
4.根据权利要求1所述的喷雾气化自动冷却***，其特征在于，所述压力传感器设置于所述储液罐下方，将所述储液罐由重力而产生的压力数据实时传输至所述控制器；所述温度传感器为多个，均匀分布于所述热沉上，将所述热沉的温度数据实时传输至所述控制器；所述电流传感器串联在发热光电元件的主线路上，并向所述控制器实时输送所在线路的电流数据。
5.根据权利要求4所述的喷雾气化自动冷却***，其特征在于，所述自动控制***设置有安全开关、报警器；所述安全开关串联在发热光电元件的主线路上，受所述控制器控制；所述报警器接受来自所述控制器的报警信息，发出警示。
6.根据权利要求5所述的喷雾气化自动冷却***，其特征在于，
所述控制器设置有报警压力值和报警温度值；当所述控制器接受所述压力传感器输送的压力低于设定报警压力值时，所述控制器向所述报警器输送相应的报警信息；当所述控制器接受所述温度传感器输送的温度超过设定报警温度值时，所述控制器向所述报警器输送相应的报警信息；
所述控制器设置有极限压力值和极限温度值，当所述控制器接受的所有所述压力传感器输送的压力低于设定的极限温度值时，所述控制器控制所述安全开关强制断开，当所述控制器接受所述温度传感器输送的温度高于设定的极限温度值时，所述控制器控制所述安全开关强制断开。
7.根据权利要求1或2所述的喷雾气化自动冷却***，其特征在于，所述储液罐为承压罐。
8.根据权利要求1所述的喷雾气化自动冷却***，其特征在于，所述制冷剂在一个大气压下的饱和温度不高于40℃。
9.根据权利要求8所述的喷雾气化自动冷却***，所述制冷剂为R134a、R142b、R21、R152a、R32的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的喷雾气化自动冷却***，其特征在于，所述快速接头为自锁式接头，更换所述储液罐时，所述自锁式接头断开后会封住管路，防止管路中的所述制冷剂泄漏。
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