CN105960145A - 倾角可调的封闭式喷雾冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及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，减小系统封装体积，为全面研究影响喷雾冷却换热参数提供可视化实验装置。

Description

倾角可调的封闭式喷雾冷却装置

技术领域

本发明涉及一种用于微电子器件散热降温的装置，具体地涉及一种封闭回路式倾角可调的喷雾冷却装置。

背景技术

随着微电子技术的发展，电子器件的微型化成为电子设备发展的主流趋势，电子芯片的集成度、封装密度以及工作频率不断提高，导致单位体积功耗和热流密度急剧升高，芯片温度显著上升，严重影响了其工作的可靠性和使用寿命。为了满足电子元件在有限空间内的高热流密度和低表面温度的散热要求，迫切需要探索更加高效的冷却方式。

喷雾冷却技术是借助高压气体或依赖自身压力通过喷嘴将液体雾化为微液滴群喷射到待冷却表面，依靠单相或两相换热机理带走大量热量的技术。由于雾状液滴更易于发生相变换热，因而可以大幅度提高换热系数，使冷却效果更佳，被冷却表面温度分布更趋一致，故喷雾冷却的良好性能非常适合用于电子元件的散热。已有学者指出，喷雾冷却换热效果受到系统压力、喷射高度和倾角等因素的影响。在最佳高度上，选取适当的倾斜角能有效地消除中心滞止区，改善表面干涸，同时倾斜喷射有利于减小系统封装体积。

发明内容

本发明的目的在于提供一种倾角可调、可维持真空环境的喷雾冷却及测试装置，将喷雾冷却技术与倾斜喷射、结构表面、真空环境等强化传热方法结合起来，确保在低表面温度情况下，得到较高的热流密度，同时为全面研究喷雾冷却换热的因素提供可视化实验装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种倾角可调的封闭式喷雾冷却装置，包括喷雾室、恒温水域，所述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；所述恒温水域出口通过微型泵、第三截止阀、流量计与冷却水进水口相连；所述恒温水浴的进口连接喷雾室底部回水口形成一个封闭的工质循环；所述冷凝盘管进口通过冷凝水进水管和截止阀连接低温槽，所述冷凝盘管出口经冷凝水回水管连接低温槽。

所述倾斜喷雾支架由竖直丝杆、水平丝杆、燕尾槽滑台、角度调节面板、L型支架构成，竖直丝杆安装在不锈钢支架上，并与不锈钢支架上的竖直丝杆螺母连接，竖直丝杆螺母上连接有燕尾槽滑台，燕尾槽滑台尾部凸块内装有水平丝杆，水平丝杆与燕尾槽滑台上的水平丝杆螺母连接，水平丝杆螺母伸长端与角度调节面板固定连接，角度调节面板上设有扇形槽道和角度刻度盘；L形支架顶端通过螺栓卡在扇形槽道内，L形支架顶端为指针形状，指向角度刻度盘，刻度盘量程为0°-90°；L形支架下部水平端上装有喷嘴。

所述模拟热源由铜柱、保温罩和电加热铜块构成，所述铜柱置于喷雾室内，铜柱通过螺纹与电加热铜块相连，电加热铜块置于喷雾室外，铜柱和电加热铜块均设有中空聚四氟乙烯保温罩，所述保温罩由喷雾室内保温罩和喷雾室外保温罩构成，喷雾室内保温罩上涂有亲水涂层。

所述铜柱表面为直肋片强化表面、三角肋片强化表面、梯形肋片表面和光滑表面中的任一种。

本发明的有益效果在于：利用丝杆和扇形槽道，能够方便地调节喷嘴的高度和角度，同时前后调节确保喷雾区域可外切于热源表面；喷雾室可长久地维持真空泵所提供的真空环境，结合倾斜喷射可有效地消除中心滞止区，避免表面中心干涸，大幅度提高散热能力，微结构表面可进一步提高本装置的散热能力，且铜柱可方便地更换，易于研究不同表面结构对散热的促进作用；中空聚四氟乙烯保温罩避免了缠绕保温棉的繁琐，保温效果更好，且XZ-GT01纳米亲水涂层的设置克服了聚四氟乙烯疏水的弊端，有利于热源表面液膜排开从而强化传热。

附图说明

图1是倾角可调的封闭式喷雾冷却系统图；

图2是倾斜喷雾支架主视图；

图3是倾斜喷雾支架侧视图；

图4是垂直喷射和倾斜喷射对比图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的倾角可调的封闭式喷雾冷却及测试装置，由冷却水循环、冷凝水循环，喷雾室14和数据采集与控制系统组成。本发明的核心为喷雾室，其内部设倾斜喷雾支架7和模拟热源11。具体的结构为：

喷雾室14为透明有机玻璃制成的可密闭腔体。冷却水进水管21通过不锈钢编织软管6与喷嘴9相连。喷嘴9通过倾斜喷雾支架7固定，倾斜喷雾支架7焊接在腔体底部不锈钢板18上。喷雾室14有6个真空孔，分别与冷却水进水管21、冷却水回水管22、冷凝水进水管19、冷凝水回水管20、真空泵接口13和压力传感器P₂相连，冷却水进水管21通过不锈钢编织软管6与喷嘴9相连；喷嘴9正下方设置模拟热源11，模拟热源11分别与电控柜16和数据采集装置15相连。恒温水域3出口通过微型泵1、流量计2、第三截止阀V₃与冷却水进水口21相连。喷雾室14底部回水口22经第一截止阀V₁连接恒温水浴3形成一个封闭的工质循环。低温槽4通过第二截止阀V_{2 、}冷凝水进水管19与喷雾室冷凝盘管5相连，经冷凝水回水管20回到低温槽4。

如图2，3所示，倾斜喷雾支架7由竖直丝杆24、水平丝杆25、燕尾槽滑台28、角度调节面板27、L型支架26构成。竖直丝杆24通过不锈钢支架固定，不锈钢支架焊接在喷雾室底部不锈钢板18上。燕尾槽滑台28固定在竖直丝杆螺母上，且尾部凸块作为基座支撑水平丝杆25，水平丝杆螺母伸长端与角度调节面板27焊接，角度调节面板27上设有扇形槽道23和角度刻度盘。L形支架26顶端通过螺栓卡在扇形槽道23内，L形支架26顶端为指针形状，指向角度刻度盘，刻度盘量程为0°-90°。喷嘴9固定在L形支架26的水平端。

如图1所示，模拟热源11由铜柱17、保温罩12和电加热铜块10构成。铜柱17通过螺纹与电加热铜块10相连，铜柱17置于喷雾室内，电加热铜块10置于喷雾室外，铜柱17和电加热铜块10均设中空聚四氟乙烯保温罩12。保温罩12由喷雾室内保温罩和喷雾室外保温罩构成，喷雾室内保温罩其上涂有亲水涂层。所述亲水涂层为利用XZ-GT01纳米亲水涂料在聚四氟乙烯表面喷涂形成的厚度小于100μm的涂膜，涂膜持续亲水角≤20°。

本装置可探究喷嘴距离热源表面中心的距离和喷射倾角对喷雾冷却换热效果的影响。图4为垂直喷射和倾斜喷射的对比图。其中：（a）图为通过垂直丝杆调节喷嘴与热源表面中心的距离，获得有利于换热的最佳高度；（b）图为倾斜角为20°的情况，调节方法为：旋转L形支架，使顶部指针指向倾角20°，通过丝杆向上调节高度H，使喷嘴中心距离热源表面得高度与a图最佳高度相同；调节水平丝杆，使喷嘴向前移动距离L，确保喷雾区域与热源表面外切。用此方法，可以根据实际实验中设置的热源表面大小和所用喷嘴的雾化锥角设定最佳的喷雾高度和喷射倾角，满足实验的多样化需求。

Claims (4)

1. 一种倾角可调的封闭式喷雾冷却装置，包括喷雾室（14）、恒温水域（3），其特征在于：所述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（14）内设有倾斜喷雾支架（7）、模拟热源（11）、冷凝盘管（5），所述倾斜喷雾支架（7）固定连接在腔体底部不锈钢板（18）上，倾斜喷雾支架（7）上面连接有喷嘴（9），所述喷雾室（14）分别与冷却水进水管（21）、冷却水回水管（22）、冷凝水进水管（19）、冷凝水回水管（20）、真空泵接口（13）和压力传感器（P₂）相连，冷却水进水管（21）通过不锈钢编织软管（6）与喷嘴（9）相连；模拟热源（11）位于喷嘴（9）正下方，模拟热源（11）分别与电控柜（16）和数据采集装置（15）相连；所述恒温水域（3）出口通过微型泵（1）、第三截止阀（V₃）、流量计（2）与冷却水进水口（21）相连；所述恒温水浴（3）的进口连接喷雾室底部回水口（22）形成一个封闭的工质循环；所述冷凝盘管（5）进口通过冷凝水进水管（19）和第二截止阀（V₂）连接低温槽（4），所述冷凝盘管（5）出口经冷凝水回水管（20）连接低温槽（4）。

2. 根据权利要求1所述的倾角可调的封闭式喷雾冷却装置，其特征在于：所述倾斜喷雾支架（7）由竖直丝杆（24）、水平丝杆（25）、燕尾槽滑台（28）、角度调节面板（27）、L型支架（26）构成，竖直丝杆（24）安装在不锈钢支架上，并与不锈钢支架上的竖直丝杆螺母连接，竖直丝杆螺母上连接有燕尾槽滑台（28），燕尾槽滑台（28）尾部凸块内装有水平丝杆（25），水平丝杆（25）与燕尾槽滑台（28）上的水平丝杆螺母连接，水平丝杆螺母伸长端与角度调节面板（27）固定连接，角度调节面板（27）上设有扇形槽道（23）和角度刻度盘；L形支架（26）顶端通过螺栓卡在扇形槽道（23）内，L形支架（26）顶端为指针形状，指向角度刻度盘，刻度盘量程为0°-90°；L形支架（26）下部水平端上装有喷嘴（9）。

3.根据权利要求1所述的倾角可调的封闭式喷雾冷却装置，其特征在于：所述模拟热源（11）由铜柱（17）、保温罩（12）和电加热铜块（10）构成，所述铜柱（17）置于喷雾室（14）内，铜柱（17）通过螺纹与电加热铜块（10）相连，电加热铜块（10）置于喷雾室（14）外，铜柱（17）和电加热铜块（10）均设有中空聚四氟乙烯保温罩（12），所述保温罩（12）由喷雾室（14）内保温罩和喷雾室（14）外保温罩构成，喷雾室（14）内保温罩上涂有亲水涂层。

4.根据权利要求书3所述的倾角可调的封闭式喷雾冷却装置，其特征在于：所述铜柱（17）表面为直肋片强化表面、三角肋片强化表面、梯形肋片表面和光滑表面中的任一种。