CN102322751B - 用于高热流热源冷却的喷雾冷却装置 - Google Patents

用于高热流热源冷却的喷雾冷却装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于高热流热源冷却的喷雾冷却装置，包括喷雾冷却器、泵、储液桶以及冷凝器，喷雾冷却器一端通过泵与储液桶连接，喷雾冷却器的另一端连接冷凝器的入口，冷凝器的出口连接至所述的储液桶，在所述的喷雾冷却器内布置具有构形特征的传输管道，所述的构形特征传输管道入口通过所述的泵与所述的储液桶连接，在所述的构形特征传输管道出口安装雾化器。本发明具有构形特征传输管道的喷雾式冷却装置，实现了喷雾冷却装置内工质输运优化配置，提高了流体雾化的均匀程度，强化了喷雾冷却器的冷却性能。

Description

用于高热流热源冷却的喷雾冷却装置
技术领域
本发明设计一种用于冷却高热流密度热源的冷却装置，具体涉及的是一种具有构形特征传输管道喷雾冷却器的喷雾冷却系统。
背景技术
自然对流、强迫对流等传统的散热方式虽然应用广泛，但如果遇到高热流密度的热源，传统的散热方式无法有效的在短时间内对其进行冷却。因此，必须寻找更好的冷却方式来解决此问题。
喷雾冷却系统利用冷却液吸热后产生相变的原理来加强散热。由于液体汽化时潜热极高，因此适合应用在具有高热流密度热源的散热系统中。目前喷雾冷却系统已经成功应用于航空航天、高功率电子系统、高功率激光系统等领域内，具有散热能力高、辅助设备少、耗能低、体积小、质量轻等特点。
喷雾冷却系统的工作原理为：通过泵的驱动，由储液桶进入到喷雾器产生喷雾至热源上。利用液体吸收热量发生汽化达到冷却目的，蒸汽流至冷凝器内凝结成液体，再通过泵抽回至储液桶完成一个冷却循环。在雾化器的设计方面，现有的设计有基于压电技术的喷墨型喷雾装置，具有压电片以及具有多个微喷孔的微喷孔片等。但是现有的喷雾结构设计存在着冷却液流动阻力大，消耗了大量的泵功用于传输冷却液，同时容易出现各个喷雾点的压力不同，造成喷雾不均匀，雾化程度不高，从而影响喷雾冷却系统的散热性能。
为此，迫切需要开展喷雾冷却系统的优化设计，使得其既能有效产生均匀喷雾，提高换热性能，同时也能有效降低泵功消耗，使得冷却系统的热有效性（换热量/泵功）得到最大限度的提高。
发明内容
要解决的技术问题
为了解决现有的喷雾冷却系统结构设计上存在的泵功消耗和冷却能力不匹配的问题，本发明提供了一种新型的传输管道按照构形特征布置的喷雾冷却装置，该冷却装置能优化配置喷雾冷却装置内工质输运，提高了流体雾化的均匀程度，强化了喷雾冷却器的冷却性能。
技术方案
为解决喷雾冷却器结构设计上存在的技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于高热流热源冷却的喷雾冷却装置，包括喷雾冷却器、泵、储液桶以及冷凝器，所述的喷雾冷却器一端通过所述的泵与所述的储液桶连接，喷雾冷却器的另一端连接冷凝器的入口，冷凝器的出口连接至所述的储液桶，其特征在于：在所述的喷雾冷却器内布置具有构形特征的传输管道，所述的构形特征传输管道入口通过所述的泵与所述的储液桶连接，在所述的构形特征传输管道出口安装雾化器。
所述的连通管道用于连接各个工作部分，其中，连接所述的储液桶和所述的喷雾器的管道通过泵将储液桶内的液体输送至喷雾冷却器；在喷雾冷却器中，所述的连通管道则是用于将流体均匀输送至各个喷口；连接所述的喷雾冷却器和所述的冷凝器的传输管道则是用于将流体吸热汽化后的蒸汽输送至冷凝器冷凝放热。连接所述的冷凝器和所述的储液桶的管道通过泵将冷凝器内的冷凝后液体输送至储液桶。
本发明的技术方案基于构形理论构建了构形特征输送管道。在喷雾冷却器内，所述的传输管道依照构形原理通过分叉产生越来越多的分支，并使得各喷雾出口点平均分布在喷雾冷却器内，在最末级分叉出口处安装雾化器，这样，传输管道结构类似于优化了的流体分流器，能够有效降低传输管道内的流体流动压降，使得各个喷雾出口的压力平均一致，流体雾化也就能够更均匀，喷雾冷凝器的散热能力更强。
所述的构形传输管道从喷雾冷却器流体入口向外发散直至布满整个喷雾冷却面（冷却面形状为矩形）。构形传输管道的截面形状可为圆形、矩形、螺旋形、波纹形等任意形状。在对人体血管构形特征的研究中发现，分支结构中第n级管径与下一级管径之间的关系为                                                
Figure 565480DEST_PATH_IMAGE001
(N为每级的分叉管道数目，取为大于等于2的整数)，式中D为水力直径。大量实验证明，当
Figure 63458DEST_PATH_IMAGE002
=3时，流体在构形管内的层流流动阻力取得最小值，当
Figure 897422DEST_PATH_IMAGE002
=7/3时，流体在构形管内的湍流流动阻力取得最小值，。这样，第n级传输管道与第0级传输管直径（即最初级的传输管）的关系为
Figure 848060DEST_PATH_IMAGE003
。不同层次的传输管长度也存在着类似于管径分布的关系，即第n级传输管长度与第n-1级传输管长度的比为
Figure 792882DEST_PATH_IMAGE004
 N -1/d (N为每级的分叉管道数目，长度维数d取大于1且小于等于2的实数)，递推得 N -n/d （
Figure 672204DEST_PATH_IMAGE006
为初级传输管长）。
所述传输管道根据工作条件、流体性质等可以选择不同的材料，可选用碳素钢、低合金钢、不锈钢、铜（合金）、铝（合金）、镍（合金）、石墨、氟塑料、玻璃等材料。
本发明提供的构形传输管道式的喷雾冷却系统，其采用的流体可为水、氨、乙醇、丙醇、丙酮、有机物、制冷剂等任意液态工质；其喷雾冷却器内的冷却方式为喷雾冷却，所述的喷雾冷却器受热面可以根据热源灵活调节。并且，该喷雾冷却系统吸热蒸发过程与冷凝放热过程相分离，可以有效地将吸收的热量迅速带走，保证系统正常高效运行。
本发明具有构形特征传输管道的喷雾式冷却装置。在该装置使用过程中，泵将冷却工质从储液桶中抽送至所述的喷雾冷却器中，冷却工质到达所述的喷雾冷却器入口后，经由具有构形特征的传输管道，迅速分流到达各分支管道，经过多级分流后到达所述传输管道的出口，经由位于出口处的雾化器雾化喷至受热面，冷却工质受热气化后迅速从喷雾冷却器出口排出，到达所述的冷凝器内冷凝放热，然后再被泵抽吸至储液桶完成一个循环。由于构形特征传输管道的存在，与传统的喷雾冷却系统相比，本发明的喷雾冷却系统各个喷雾出口的压力分布更加平均，雾化程度更均匀，能够使受热面迅速得到均匀冷却。另外，构形特征传输管道的存在能够明显降低流体流动阻力，减小了泵功的消耗，这对于提高系统热有效率是有益的。
有益效果
本发明具有构形特征传输管道的喷雾式冷却装置，不仅减小了喷雾冷却装置内流体的流动阻力，降低了泵功的消耗，还能将喷雾压力分布不均对流体雾化的影响减到最小，大大增强了流体雾化的均匀程度，提高了喷雾冷却器的冷却性能，同时也提高了喷雾冷却系统的热有效性。
附图说明
图1 构形特征喷雾冷却系统示意图。
图2 本发明构形特征喷雾冷却器结构示意图。
图3 本发明构形特征传输管道结构示意图。
图中 1．储液器；2．冷凝器；3．喷雾冷却器；4．雾化器；5．循环泵；6．构形传输管道；7．热源；8．充液口；9．排气口。
具体实施方式：
下面结合附图进行更进一步的详细说明：
图1给出了本发明的装置示意图，一种具有构形特征传输管道的喷雾冷却装置，由喷雾冷却器、冷凝器、储液器和循环泵等构成。具体结构包括：储液器1、冷凝器2、喷雾冷却器3、雾化器4、循环泵5、构形传输管道6等主要部分组成。在喷雾冷却器内3内，雾化器4设置于构形传输管道6的出口处，喷雾冷却器3与储液器1通过循环泵5连接，冷凝器2则设置在喷雾冷却器3和储液器1之间，整个系统形成一个闭合的循环。
图2给出了所述喷雾冷却器结构示意图，冷却工质从循环泵进入到喷雾冷却器内后迅速分流，最后从雾化器喷出，对受热面进行冷却。
图3给出了所述构形传输管道结构示意图，从图4中可以明显看出，冷却工质在传输管道内能够得到充分均匀的分流。
下面结合图1、图2说明该系统的工作原理：如图1所示，先将冷却工质从充液口8充入储液桶1，储液桶内的多余的气体从排气口9排出。充液完毕之后打开循环泵5，所述的循环泵5将冷却工质从储液桶1中抽出，加压后送至喷雾冷却器3内，冷却工质进入所述的喷雾冷却器3后，按照图2所示的方式进行分流，最后经由雾化器4雾化喷出，雾化后的冷却工质在喷雾冷却器3内受热蒸发成为气态，进入到冷凝器2内放热冷凝，最终回到储液桶1内，完成一个冷却换热过程。本发明涉及的构形传输管道能优化配置流体工质输运，增强喷雾均匀程度，有效提高了系统的冷却性能。

Claims (1)

1.一种用于高热流热源冷却的喷雾冷却装置，包括喷雾冷却器、泵、储液桶以及冷凝器，所述的喷雾冷却器一端通过所述的泵与所述的储液桶连接，喷雾冷却器的另一端连接冷凝器的入口，冷凝器的出口连接至所述的储液桶，其特征在于：在所述的喷雾冷却器内布置具有构形特征的传输管道，所述的构形特征传输管道入口通过所述的泵与所述的储液桶连接，在所述的构形特征传输管道出口安装雾化器，所述的传输管道至少为两级且每级分叉至少含有2个分叉传输管道，所述的第一级分叉传输管道与传输管道入口连接，所述的最后一级分叉传输管道连接所述的雾化器，所述的上下级分叉传输管道的直径之比为
Figure 2011102562423100001DEST_PATH_IMAGE002
，所述的上下级分叉传输管道的长度之比为N -1/d  ，其中：N为每级的分叉管道数目，N取大于等于2的整数，直径维数取大于7/3且小于3，长度维数d取大于1且小于等于2的实数。
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