CN113739473B - 一种干冰升华冷却喷雾腔室装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种干冰升华冷却喷雾腔室装置，由干冰喷雾腔室与保温外壳内外嵌套组合成；保温外壳在入口处设有向下延伸的喷嘴管，喷嘴管的内径处形成喷嘴通道；干冰喷雾腔室由通孔套在喷嘴管上，且通孔与喷嘴管之间留有回流间隙，回流间隙处设有分流结构；干冰喷雾腔室的顶部及侧部与保温外壳之间留有间隙，间隙处形成出口环形通道；保温外壳的底部设有与出口环形通道连通的出口；干冰喷雾腔室的顶部设有向下的导流座，导流座上设有锥形内通道，锥形内通道与喷嘴管的类锥形外轮廓形成渐扩型回流通道；导流座与干冰喷雾腔室的顶部也留有间隙，间隙处与干冰喷雾腔室连通形成回流环形通道。本发明能够提高干冰喷雾冷却效率，节约干冰用量。

Description

一种干冰升华冷却喷雾腔室装置
技术领域
本发明涉及干冰相变喷雾冷却技术领域，尤其涉及一种干冰升华冷却喷雾腔室装置。
背景技术
随着计算机、通讯、军用、航空航天及民用市场等领域的需求，电子技术得到迅猛的发展。电子器件的封装密度不断地提高，其热流密度不断地增大，电子产品向微型化方向不断发展，功率更大而外形尺寸日益缩小。电子产品的这些发展趋势使得电子设备过热的问题越来越突出。电子设备的过热是电子产品失效的主要原因之一，严重的限制了电子产品性能及可靠性的提高，也降低了设备的工作寿命。因此电子设备内的温升必须予以控制，而运用良好的散热措施来有效地解决这个问题则是关键，但传统的冷却装置(如风冷、水冷)虽能满足温度控制的需求，但其散热能力远远无法满足未来发展要求。
为了设计研究高效的冷却散热***，获取更大的冷却能力，相变冷却技术走入了科学工作者的视野。传统的喷雾冷却技术大多采用的是液体工质作为制冷剂，其***较为复杂，对应用环境与对象的要求也较为高。而干冰升华作为换热机理的应用却很少在喷雾冷却技术中研究。固态二氧化碳，即干冰，升华温度较低为-78.5℃，其升华潜热却很大573kJ/kg，并且升华是由固态吸收大量热直接转变为气态的过程，气态相比于液态在复杂应用***中更加容易处理，干冰升华喷雾冷却技术在热控领域具有较高的应用前景。
但实验表明在对热源表面进行干冰喷雾冷却时，干冰升华与环境的换热量很大，从而降低了干冰喷雾冷却的效率，目前还没有一种用于干冰喷雾冷却的保温，提高换热效率的喷雾腔装置。
公开号CN110381700A的发明专利公开了一种喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置和***，所述装置包括腔体、喷雾腔进液管、喷雾腔出液管和位于腔体内的喷孔板和阵列喷嘴，腔体包括喷雾腔和蒸气腔，喷孔板将喷雾腔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所述喷雾室一侧上，喷孔板上设置有多个连通所述缓冲室与阵列喷嘴的通孔，蒸气腔与所述阵列喷嘴相对设置，所述蒸气腔内密封有相变工质。蒸汽腔与喷雾腔体一体式连接，蒸汽腔能够将电子元件产生的高热流密度热量及时均匀扩展到喷雾表面，喷雾腔体内部工质经阵列喷嘴高速喷洒在喷雾表面，通过对流和相变换热带走大量热量，达到对电子元件的冷却效果。
公开号CN105960145B的发明专利公开了一种倾角可调的封闭式喷雾冷却装置，喷雾室为透明有机玻璃和不锈钢板制成的可密闭腔体，所述喷雾室内设有倾斜喷雾支架、模拟热源、冷凝盘管，所述倾斜喷雾支架固定连接在腔体底部不锈钢板上，倾斜喷雾支架上面连接有喷嘴，所述喷雾室分别与冷却水进水管、冷却水回水管、冷凝水进水管、冷凝水回水管、真空泵接口和压力传感器相连，冷却水进水管通过不锈钢编织软管与喷嘴相连；模拟热源位于喷嘴正下方，模拟热源分别与电控柜和数据采集装置相连。在真空泵提供的真空环境下，利用倾斜喷射消除热源表面中心滞止区，结合微结构表面，可显著提高喷雾冷却散热能力，减小***封装体积，为全面研究影响喷雾冷却换热参数提供可视化实验装置。
但是上述技术方案不适用与干冰喷雾冷却技术，不能达到对干冰喷雾冷却***的保温效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种干冰升华冷却喷雾腔室装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种干冰升华冷却喷雾腔室装置，所述干冰升华冷却喷雾腔室装置由干冰喷雾腔室与保温外壳内外嵌套组合成，热源位于干冰喷雾腔室底部；
保温外壳设有入口，保温外壳在入口处设有向下延伸的喷嘴管，喷嘴管的内径处形成喷嘴通道，喷嘴管的外径形成上小、下大的类锥形外轮廓；干冰喷嘴通过入口及喷嘴通道进入干冰喷雾腔室，干冰喷嘴被喷嘴通道所包裹；
干冰喷雾腔室的顶部设有通孔，干冰喷雾腔室由通孔套在喷嘴管上，且通孔与喷嘴管之间留有回流间隙，回流间隙处设有分流结构，以控制气体回流量；
干冰喷雾腔室的顶部及侧部与保温外壳之间留有间隙，间隙处形成出口环形通道；保温外壳的底部设有与出口环形通道连通的出口；
干冰喷雾腔室的顶部设有向下的导流座，导流座上设有锥形内通道，导流座由锥形内通道套设在喷嘴管外，且锥形内通道与喷嘴管的类锥形外轮廓形成渐扩型回流通道；导流座与干冰喷雾腔室的顶部也留有间隙，间隙处与干冰喷雾腔室连通形成回流环形通道。
所述分流结构由两个半圆环形分流板组成，两个半圆环形分流板位于干冰喷雾腔室顶部上侧，并分别位于喷嘴管两侧，两个半圆环形分流板相互靠拢或远离，将回流间隙变小或变大。
两个半圆环形分流板上分别连接有向上伸出的握柄，保温外壳上与握柄对应处设有水平滑槽，握柄分别由对应的水平滑槽穿过。
所述喷嘴管的类锥形外轮廓由上部的圆柱段和下部的锥形段组成，干冰喷雾腔室的顶部通孔套设在圆柱段处，导流座的锥形内通道套设在锥形段处。
所述干冰喷雾腔室底部设有向外水平突出的凸沿，保温外壳底部与凸沿密封连接。
所述干冰喷雾腔室的底部和顶部呈倒圆角结构。
所述干冰喷雾腔室底部留有热源表面放置口，与热源表面水平紧密结合。
所述喷嘴通道为圆柱形通道。
所述出口在保温外壳的底部四周相互对称设置。
本发明的有益效果是：
采用上述技术方案，干冰喷嘴接入干冰喷雾腔室，喷嘴通道外部设有渐扩型回流通道，构成二氧化碳气体回流通道，喷嘴喷出的二氧化碳气体喷射撞击至干冰喷雾腔室底部热源表面，经底部呈一定圆角的回流环形通道流至装置顶部，喷雾腔室顶部设置的分流结构对气体分流，部分二氧化碳冷却气体进入渐扩型回流通道，形成二氧化碳冷却气体幕墙保护层，起到对喷嘴处的干冰保护作用，另一部分二氧化碳冷却气体流入干冰喷雾腔室外部的出口环形通道，构成喷雾腔外部冷却气体保护层，最后经保温外壳底部四个出口排出外界。
本发明能够提高干冰升华喷雾冷却换热效率，一方面通过喷雾腔室与保温装置外壳的间距构成喷雾腔外部冷却气体保护层，喷雾腔外部冷却气体保护层为内部喷雾腔室起到保温作用，另一方面，通过两个半圆形分流板使部分气体重新喷至热源表面，并在回流渐扩型流道出口形成二氧化碳冷却气体幕墙，减少喷嘴处干冰与环境换热，提高干冰喷雾冷却效率，节约干冰用量。
附图说明
附图1为本发明实施例中保温外壳的剖面结构示意图；
附图2为本发明实施例中干冰喷雾腔室的剖面结构示意图；
附图3为本发明实施例中干冰喷雾腔室与保温外壳组合后的剖面结构示意图。
图中各部件的附图标记：1—保温外壳；2—干冰喷雾腔室；101—喷嘴通道；102—滑槽；103—出口；201—半圆环形分流板；202—锥形内通道；203—导流座；204—热源表面放置口；205-握柄；301—渐扩型回流通道；302—回流环形通道；303—出口环形通道。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1至图3所示，本实施例的一种干冰升华冷却喷雾腔室装置，由干冰喷雾腔室2与保温外壳1内外嵌套组合成，干冰喷雾腔室2底部留有热源表面放置口204，与方形热源表面水平紧密结合。
保温外壳1设有圆形入口，保温外壳在圆形入口处设有向下延伸的喷嘴管，喷嘴管的内径处形成圆柱形的喷嘴通道101，喷嘴管的外径形成上小、下大的类锥形外轮廓；干冰喷嘴通过圆形入口及喷嘴通道进入干冰喷雾腔室，喷嘴通道101的直径略大于干冰喷嘴直径，干冰喷嘴被喷嘴通道101所包裹，干冰通过干冰喷嘴喷射撞击模拟热表面，冷却气体沿模拟热源表面向四周扩散。
干冰喷雾腔室2的顶部设有通孔，干冰喷雾腔室2由通孔套在喷嘴管上，且通孔与喷嘴管之间留有回流间隙，回流间隙处设有分流结构，以控制气体回流量。
干冰喷雾腔室2的顶部及侧部与保温外壳1之间留有间隙，间隙处形成出口环形通道303；保温外壳1的底部设有与出口环形通道303连通的出口103，出口103在保温外壳1的底部四周相互对称设置。
干冰喷雾腔室2的顶部设有向下的导流座203，导流座203上设有锥形内通道，导流座由锥形内通道202套设在喷嘴管外，且锥形内通道202与喷嘴管的类锥形外轮廓形成渐扩型回流通道301；导流座203与干冰喷雾腔室的顶部也留有间隙，间隙处与干冰喷雾腔室连通形成回流环形通道302。
本实施例中，分流结构由两个半圆环形分流板201组成，两个半圆环形分流板201位于干冰喷雾腔室顶部上侧，并分别位于喷嘴管两侧，两个半圆环形分流板201相互靠拢或远离，将回流间隙变小或变大。两个半圆环形分流板203完全靠拢在喷嘴管上，可回流间隙完全闭合。
两个半圆环形分流板201上分别连接有向上伸出的握柄205，保温外壳1上与握柄202对应处设有水平滑槽102，握柄202分别由对应的水平滑槽102穿过。水平移动握柄205可控制干冰冷却气体排出量和回收量，水平滑槽10用以限制握柄水平移动空间。
本实施例中，喷嘴管的类锥形外轮廓由上部的圆柱段和下部的锥形段组成，干冰喷雾腔室2的顶部通孔套设在圆柱段处，导流座202的锥形内通道套设在锥形段处。
本实施例中，干冰喷雾腔室2底部设有向外水平突出的凸沿，保温外壳1底部与凸沿密封连接。
本实施例中，干冰喷雾腔室2的底部和顶部均呈一定倒圆角结构，减少冷却气体流动阻力。
本发明的工作原理如下：
干冰喷嘴通过圆形入口及喷嘴通道进入干冰喷雾腔室2，喷嘴处干冰喷射撞击热源表面，冷却气体沿热源表面沿回流环形通道302快速扩散至干冰喷雾腔室顶部，回流环形通道302底部和顶部均设有倒圆角，以减少冷却气体流动阻力，降低流道对冷却气体流速影响。
当干冰冷却气体沿回流环形通道302流至顶部时，干冰喷雾腔室顶部设有半圆环形分流板201，水平移动握柄205可控制干冰冷却气体排出量和回收量，握柄205处设有水平滑槽102，以限制握柄水平移动空间。
当冷却气体流至干冰喷雾腔室顶部时，部分分流至渐扩型回流通道301，冷却气体将喷嘴包裹，并在喷嘴出口处形成锥形冷却气体幕墙，减少喷嘴出口处的冷却气体与空气换热量，最后再次喷射撞击热源表面，提高干冰冷却气体的利用率。
其余冷却气体通过出口环形通道303流至出口103，最终排至环境。需要强调的是，当干冰冷却气体在出口环形通道303流动时，会形成第二道环形冷却气体幕墙，对干冰喷雾腔室进行保温，减少其与周围环境的换热，提高干冰升华冷却能力。
本发明的工作过程如下：
干冰喷嘴通过喷嘴通道101进入喷雾腔室后，干冰喷嘴被喷嘴通道101所包裹。干冰从喷嘴喷射撞击至热源表面，冷却气体沿回流环形通道302向干冰喷雾腔室1顶部运动，喷雾腔室顶部设有两个半圆环形分流板201，通过调节握柄控制冷却气体排出量和回收再利用量，部分气体经回流环形通道302流出出口，在喷嘴出口处形成锥形的二氧化碳冷却气体幕墙保护层，对干冰喷嘴进行保温，并再次喷至热源表面对其冷却降温，达到了干冰冷却气体回收利用的目的。其余冷却气体进入干冰喷雾腔室2外部的的出口环形通道303，再次形成喷雾腔外部冷却气体保护层，再次减少喷雾腔室干冰冷却气体与环境的换热量，气体最终经保温外壳1的出口排出。
本发明能够提高干冰升华喷雾冷却换热效率，一方面通过喷雾腔室与保温装置外壳的间距构成喷雾腔外部冷却气体保护层，喷雾腔外部冷却气体保护层为内部喷雾腔室起到保温作用，另一方面，通过两个半圆形分流板使部分气体重新喷至热源表面，并在回流渐扩型流道出口形成二氧化碳冷却气体幕墙，减少喷嘴处干冰与环境换热，提高干冰喷雾冷却效率，节约干冰用量。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “左”、“右”、“前”、“后”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

Claims (9)

1.一种干冰升华冷却喷雾腔室装置，其特征在于：所述干冰升华冷却喷雾腔室装置由干冰喷雾腔室与保温外壳内外嵌套组合成，热源位于干冰喷雾腔室底部；
保温外壳设有入口，保温外壳在入口处设有向下延伸的喷嘴管，喷嘴管的内径处形成喷嘴通道，喷嘴管的外径形成上小、下大的类锥形外轮廓；干冰喷嘴通过入口及喷嘴通道进入干冰喷雾腔室，干冰喷嘴被喷嘴通道所包裹；
干冰喷雾腔室的顶部设有通孔，干冰喷雾腔室由通孔套在喷嘴管上，且通孔与喷嘴管之间留有回流间隙，回流间隙处设有分流结构，以控制气体回流量；
干冰喷雾腔室的顶部及侧部与保温外壳之间留有间隙，间隙处形成出口环形通道；保温外壳的底部设有与出口环形通道连通的出口；
干冰喷雾腔室的顶部设有向下的导流座，导流座上设有锥形内通道，导流座由锥形内通道套设在喷嘴管外，且锥形内通道与喷嘴管的类锥形外轮廓形成渐扩型回流通道；导流座与干冰喷雾腔室的顶部也留有间隙，间隙处与干冰喷雾腔室连通形成回流环形通道。
2.根据权利要求1所述的干冰升华冷却喷雾腔室装置，其特征在于：所述分流结构由两个半圆环形分流板组成，两个半圆环形分流板位于干冰喷雾腔室顶部上侧，并分别位于喷嘴管两侧，两个半圆环形分流板相互靠拢或远离，将回流间隙变小或变大。
3.根据权利要求2所述的干冰升华冷却喷雾腔室装置，其特征在于：两个半圆环形分流板上分别连接有向上伸出的握柄，保温外壳上与握柄对应处设有水平滑槽，握柄分别由对应的水平滑槽穿过。
4.根据权利要求1-3任一项所述的干冰升华冷却喷雾腔室装置，其特征在于：所述喷嘴管的类锥形外轮廓由上部的圆柱段和下部的锥形段组成，干冰喷雾腔室的顶部通孔套设在圆柱段处，导流座的锥形内通道套设在锥形段处。
5.根据权利要求4所述的干冰升华冷却喷雾腔室装置，其特征在于：所述干冰喷雾腔室底部设有向外水平突出的凸沿，保温外壳底部与凸沿密封连接。
6.根据权利要求4所述的干冰升华冷却喷雾腔室装置，其特征在于：所述干冰喷雾腔室的底部和顶部呈倒圆角结构。
7.根据权利要求4所述的干冰升华冷却喷雾腔室装置，其特征在于：所述干冰喷雾腔室底部留有热源表面放置口，与热源表面水平紧密结合。
8.根据权利要求4所述的干冰升华冷却喷雾腔室装置，其特征在于：所述喷嘴通道为圆柱形通道。
9.根据权利要求4所述的干冰升华冷却喷雾腔室装置，其特征在于：所述出口在保温外壳的底部四周相互对称设置。
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