CN106871520B - 一种基于阵列喷雾的高效散热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于阵列喷雾的高效散热装置，包括受热工件；腔体端盖，与所述受热工件构成封闭雾化腔体，用于安装喷嘴；多个喷嘴，阵列地设置在所述腔体端盖上，用于朝向所述受热工件的受热表面进行喷雾；以及工质压力分配器，用于将换热工质分配至所述多个喷嘴上，使所述多个喷嘴处于均压状态，其中，所述腔体端盖的安装姿态满足所述阵列喷嘴采用向上喷雾的方式，并且所述腔体端盖上设置工质排放孔。本发明可单独使用，亦可与高速旋转等其他结构联用，为大功率微电子机械和芯片、航空航天热控、大功率固体激光冷却、高能粒子加速器靶系统等领域内的散热问题提供有效的散热手段。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对大功率、超高热流密度的喷雾冷却高效散热装置。
背景技术
高热流密度散热技术主要针对大功率微电子机械和芯片、航空航天热控、大功率固体激光冷却、高能粒子加速器靶系统等散热热流密度高和空间要求苛刻、传统冷却方式已不能满足要求的领域。
喷雾冷却是一种针对高热流密度的有效散热方式，由于其具有散热能力强、工质需求量小、过热度低和接触热阻小等优点，在电子器件、激光阵列、离子束阵列等高热流密度的强制散热领域具有广阔的应用前景。
在当前喷雾冷却技术的研究中，较多集中在发热面较小的情形，其中喷雾覆盖范围较小、分布不均匀、雾化不充分等因素，极大制约其散热效率和适用场合。因此，如何实现喷雾喷头的紧凑布置，优化喷雾喷头的设计，使其可以覆盖较大范围且保持高效散热能力，从而拓宽喷雾冷却的应用领域，成为喷雾冷却领域亟待解决的问题。
目前喷雾冷却技术大多应用于空旷或开敞的空间，而在紧凑的空间内，对大面积发热表面布置阵列喷雾喷头面临两个问题：各个喷嘴的压力不均衡，导致喷雾流速差异较大，从而造成发热表面的散热效果不均匀；雾滴在发热表面汽化后，在封闭空间内容易造成气体或液体累积，从而导致无法有效形成喷雾，喷雾冷却失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于阵列喷雾的高效散热装置，以使喷雾冷却能够应用于紧凑空间内的较大发热表面，提供高效的散热能力。
为此，本发明提供了一种基于阵列喷雾的高效散热装置，包括受热工件；腔体端盖，与所述受热工件构成封闭雾化腔体，用于安装喷嘴；多个喷嘴，阵列地设置在所述腔体端盖上，用于朝向所述受热工件的受热表面进行喷雾；以及工质压力分配器，用于将换热工质分配至所述多个喷嘴上，使所述多个喷嘴处于均压状态，其中，所述腔体端盖的安装姿态满足所述阵列喷嘴采用向上喷雾的方式，并且所述腔体端盖上设置工质排放孔。
进一步地，上述基于阵列喷雾的高效散热装置还包括工质压力缓冲器，与所述工质排放孔连接，用于换热工质的气液分离。
进一步地，上述工质压力分配器包括环管和与所述环管连通的多个喷管，其中，所述多个喷管与所述多个喷嘴一一对应地连接。
进一步地，上述基于阵列喷雾的高效散热装置还包括水箱、驱动泵、缓冲器，其中，所述驱动泵用于将水箱中的换热工质在经过所述缓冲器缓冲后输送至所述工质压力分配器。
进一步地，上述受热工件为高能粒子加速器靶系统的靶盘。
进一步地，上述腔体端盖为扁薄圆盘结构，具有多个预留通孔接头，用于安装所述喷嘴和测量探头。
进一步地，上述用于安装所述多个喷嘴的通孔接头呈同心环状排列，所述工质排放孔位于所述同心环状排列的通孔接头的环状中心。
进一步地，上述喷嘴为旋流雾化喷嘴。
进一步地，上述工质压力缓冲器包括缓冲容器，其中，所述缓冲容器的顶部设有与所述工质排放孔相连的排放接收孔，所述缓冲容器的上部是中空的并且通过排气孔将未液化的气体排出，以保持中空区域为设定压力，所述缓冲容器的底部设有排液孔。
本发明基于阵列喷雾的原理，并巧妙利用工质压力分配器将换热工质均衡且高效的输送到发热表面，均匀冷却发热表面；同时，利用工质压力缓冲器将喷雾冷却后产生的气体和液体进行分离，液体经排出孔被回收泵输送到冷源，形成换热回路；工质压力分配器的设计，能够有效的对阵列喷雾进行管理，工质压力缓冲器的设计能够使得气液分离，从而使雾化空间内压力稳定在一个大气压，使喷雾能够稳定持续且高效的运行下去。上述设计将喷雾冷却技术从单喷嘴，扩展到多喷嘴，可针对大尺寸、高热流密度部件进行有效散热。
本发明可单独使用，亦可与高速旋转等其他结构联用，为大功率微电子机械和芯片、航空航天热控、大功率固体激光冷却、高能粒子加速器靶系统等领域内的散热问题提供有效的散热手段。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明的基于阵列喷雾的高效散热装置的工作流程图，图中展示了系统工作所需的一些设备/部件/装置；
图2是根据本发明的基于阵列喷雾的高效散热装置的结构分解图，其中1为工质压力分配器；
图3是根据本发明的基于阵列喷雾的高效散热装置的腔体端盖的立体结构示意图；以及
图4是根据本发明的基于阵列喷雾的高效散热装置的工质压力缓冲器示意图，在压力缓冲器中实现气液分离。
附图标记说明
1、工质压力分配器； 2、腔体端盖；
3、密封圈； 4、喷嘴；
5、受热工件； 6、紧固螺栓；
7、喷嘴安装孔； 8、探测器安装孔；
9、工质排放孔； 10、排放接收孔；
11、排气孔； 12、排液孔。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1至图4示出了根据本发明的一些实施例。
结合参照图1和图2，基于阵列喷雾的高效散热装置包括腔体端盖2、受热工件5、多个喷嘴(喷雾喷头)4和工质压力分配器1。其中，腔体端盖2与受热工件5相连，组合成封闭雾化腔体，由工质压力分配器1向多个喷嘴4分配换热工质。
在本发明中，换热工质经过压力分配器分液进入各个喷雾喷头，阵列喷嘴采用向上喷雾的方式，通过喷嘴雾化冷却受热工件上的发热表面，最后高温工质从腔体端盖底部的工质排放孔排出，达到对受热工件的发热表面进行散热的目的。本发明可实现直径达数百毫米的大尺寸工件的高效、均匀散热。
在一实施例中，上述基于阵列喷雾的高效散热装置和其他部件构成一循环冷却系统，水箱中的换热工质在驱动泵的作用下经过过滤器、仪表、缓冲器、阀门等输送至工质压力分配器1中，工质压力分配器1与喷雾喷头4相连，使换热工质处于均压状态，经雾化后喷射到受热工件5进行冷却，换热工质被加热后会发生相变，换热效率得到提高，经过上述过程后形成的高温气液混合物经腔体端盖的工质排放孔9排放至工质压力缓冲器中实现气液分离，缓冲器中气体经排气孔11排放至大气中，高温液体经排液孔12被回收泵回收至制冷机组、参与热交换，然后至水箱继续参与冷却，构成一循环冷却系统。
结合参照图1至图4，本实施例的散热对象为靶盘，该靶盘与腔体端盖2构成密封的喷雾空腔，利用喷嘴对冷却工质进行雾化，对靶盘进行冷却。液体的冷却工质经过驱动泵驱动，进入工质压力分配器，经工质压力分配器均压后，冷却工质以相同的压力，均匀分配到环形分布的喷嘴中，然后经过喷嘴的雾化，在喷雾腔内破碎成细小液滴，细小液滴高速撞击到靶盘上，最后高温液体和蒸汽从腔体端盖中间的排放口排出到工质压力缓冲器中。压力缓冲容器上端开有排气孔，与外界大气联通，避免容器内造成液体堆积而导致的雾化腔积液，提高雾化散热效果。工质压力缓冲容器下方是液体且有回收泵接口，及时将工质排出至冷源，最终实现散热目的。
在一实施例中，上述腔体端盖为扁薄圆盘结构(可视发热表面形状和大小调节)，上面有多个预留通孔接头(具体数目可根据发热情况增减)，腔体内外可由通孔连接；通孔上可安装喷头，亦可安装测量探头，通孔可根据发热情况布置数目和位置，可设置多层；腔体端盖安装喷嘴等设备后，与靶盘连接组合成封闭腔体，喷雾方向朝上，冷却上方靶盘上的发热靶面；腔体端盖正中间有一较大排液口，排液口跟工质压力缓冲器连接，工质压力缓冲器与回收泵连接。
在一实施例中，上述靶盘为圆形铜合金片，在本工况中，靶盘与腔体端盖相连，靶盘受环带状热源加热，靶盘的散热由腔体内均匀分布的若干喷雾喷头实现，热量基于射流和相变换热的机理由冷却工质带走。
在一实施例中，上述喷嘴为旋流雾化喷嘴，包括导流片和雾化腔，其尾部连接到腔体端盖。
在一实施例中，上述工质压力分配器为内外侧设有进出口的环管，用于分配液体，使较大流量的液体工质均匀分配到每个喷嘴。可根据发热表面的实际形状和尺寸设置多组工质压力分配器，每组工质压力分配器上的喷管个数也可设置不同数目。如图2中所示，针对本工况的环形加热面共设置两组工质压力分配器，第一组对最外圈散热，喷嘴数量较多；第二组对内圈散热，喷嘴数量较少。具体数量可针对实际情况进行调整。
在一实施例中，工质压力缓冲器为一上部开有排气孔，底部开有排液孔的缓冲容器，如图4所示。缓冲器中的液体经排液孔被回收泵抽走参与冷却换热；排气孔与大气连接，缓冲器的上部是中空的，通过排气孔将未液化的气体排出并保持中空区域的压力为一个大气压。如此设计可保证腔体端盖与靶盘之间的空间处于液体不饱和状态，有利于喷雾换热的进行。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于阵列喷雾的高效散热装置，包括受热工件，其特征在于，还包括：
腔体端盖，与所述受热工件构成封闭雾化腔体，用于安装喷嘴；
多个喷嘴，阵列地设置在所述腔体端盖上，用于朝向所述受热工件的受热表面进行喷雾；
工质压力分配器，用于将换热工质分配至所述多个喷嘴上，使所述多个喷嘴处于均压状态；
其中，所述腔体端盖的安装姿态满足所述阵列喷嘴采用向上喷雾的方式，并且所述腔体端盖上设置工质排放孔；
工质压力缓冲器，与所述工质排放孔连接，用于换热工质的气液分离；所述工质压力缓冲器包括缓冲容器，其中，所述缓冲容器的顶部设有与所述工质排放孔相连的排放接收孔，所述缓冲容器的上部是中空的并且通过排气孔将未液化的气体排出，以保持中空区域为设定压力，所述缓冲容器的底部设有排液孔；
水箱、驱动泵、缓冲器，其中，所述驱动泵用于将水箱中的换热工质在经过所述缓冲器缓冲后输送至所述工质压力分配器；以及
回收泵和冷凝器，其中，所述回收泵用于将所述工质压力缓冲器分离后的液体在经过所述冷凝器冷却后输送至所述水箱；
所述受热工件为高能粒子加速器靶系统的靶盘。
2.根据权利要求1所述的基于阵列喷雾的高效散热装置，其特征在于，所述工质压力分配器包括环管和与所述环管连通的多个喷管，其中，所述多个喷管与所述多个喷嘴一一对应地连接。
3.根据权利要求1所述的基于阵列喷雾的高效散热装置，其特征在于，所述腔体端盖为扁薄圆盘结构，具有多个预留通孔接头，用于安装所述喷嘴和测量探头。
4.根据权利要求3所述的基于阵列喷雾的高效散热装置，其特征在于，用于安装所述多个喷嘴的通孔接头呈同心环状排列，所述工质排放孔位于所述同心环状排列的通孔接头的环状中心。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20171117 |