CN107223004B - 一种微通道表面式喷雾冷却强化传热的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种微通道表面式喷雾冷却强化传热的装置及方法，属于高热流密度强化传热领域，主要解决两相区喷雾冷却膜态沸腾引起的热表面温度过高及其喷雾液膜过厚的问题。该装置由控制阀、喷嘴、喷雾腔、集气腔、多孔高导热材料、微槽道、气泵、单向阀及其相关管路配件构成。该装置以喷雾冷却和微通道表面换热系数相当为依据，热沉表面由多孔高导热材料和微槽道构成，喷雾工质通过喷嘴将工质雾化为液滴，并冷却多孔高导热材料，部分工质冲刷多孔高导热材料表面，部分工质在气泵抽吸作用下通过多孔高导热材料孔径流入微槽道内，与槽道壁面换热，该装置与传统的热沉表面相比具有换热面积大、能有效消除热沉表面蒸汽膜层、降低液膜厚度、综合换热能力强的优点。

Description

一种微通道表面式喷雾冷却强化传热的装置及方法
技术领域
本发明涉及高热流密度强化传热领域，特别是涉及一种微通道表面式喷雾冷却强化传热的装置及方法。
背景技术
喷雾冷却作为一种高效的高热流密度散热方式，在高功率激光武器、高集成度电子元器件等大热流密度散热条件下具有广阔应用前景。据研究，两相区喷雾冷却过程包括四种传热机制（如图4所示）：液滴击打表面换热、液膜冲刷表面换热、表面与环境换热、液膜内的沸腾换热。两相区喷雾冷却换热时，当热沉表面温度过高会导致液膜与热沉表面之间形成蒸汽膜层，增加热沉表面与液膜之间的传热热阻，同时过高的喷雾工质流量会导致液膜过厚影响传热，本发明专利拟基于微通道与喷雾冷却表面传热系数相当的特点，采用微通道与喷雾冷却相结合的方式，解决热沉表面过热与液膜过厚的问题，强化喷雾冷却换热。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明提供一种微通道表面式喷雾冷却强化传热的装置及方法，基于微通道与喷雾冷却表面传热系数相当的特点，采用微通道与喷雾冷却相结合的方式，解决热沉表面过热与液膜过厚的问题，强化喷雾冷却换热，为达此目的，本发明提供一种微通道表面式喷雾冷却强化传热的装置，包括控制阀、喷嘴、喷雾腔、集气腔、多孔高导热材料、微槽道和气泵，所述喷雾腔内有喷嘴、集气腔、多孔高导热材料和微槽道，所述喷嘴设置在顶部，所述控制阀通过管道与喷雾腔内喷嘴相连，所述多孔高导热材料和微槽道构成装置的热沉表面，所述多孔高导热材料通过真空扩散焊的方式与微槽道结合，其导热系数与微槽道的导热系数相当，所述集气腔在微槽道两侧，所述喷雾腔底部有热源，两个集气腔通过各自管道接气泵。
本发明的进一步改进，所述多孔高导热材料表面有粗糙层，多孔高导热材料表面粗糙，汽化核心点较多，利于沸腾换热，同时工质可在气泵的驱动下通过细密的孔径流入微槽道内，提高工质与热沉表面之间的综合换热能力。
本发明的进一步改进，所述喷嘴有1-5个，根据热源的散热面积，喷嘴的数量可以是1个或多个，多个喷嘴时采用点阵式布局，保证喷雾区域对散热表面的全局覆盖。
本发明的进一步改进，所述喷雾腔一侧通过管道连有单向阀，单向阀的作用在于防止气泵出口侧压力过高引起工质倒流入喷雾腔。
本发明的进一步改进，所述微槽道的热沉表面为矩形或者圆形，当所述微槽道的热沉表面为矩形，槽道间距均匀布置，当所述微槽道的热沉表面为圆形，槽间距沿径向逐渐减小，肋厚与槽道间距应合理匹配，既要保证热量通过肋片有效地传递到多孔高导热材料上，并通过喷雾方式冷却，同时要保证工质在微通道内的流动阻力和换热能力；对于圆形的微槽道，槽间距沿径向逐渐减小，以平衡各槽道间阻力，对于矩形微槽道，槽道间距可均匀布置。
本发明提供一种微通道表面式喷雾冷却强化传热的装置的使用方法，工作过程中，当热源产生高热流密度的热量时，热量通过微槽道传递到多孔高导热材料表面，此时开启控制阀与气泵，喷雾工质通过喷嘴将工质雾化为液滴，并在多孔高导热材料表面形成液膜，同时液膜内会形成成核气泡，部分工质冲刷多孔高导热材料表面，带走大部分热量，部分工质通过气泵抽吸的方式克服工质在微通道内的阻力，同时保证工质在各槽道内流量的均匀分配，之后喷雾腔内的工质通过管路流经单向阀与集气腔的工质混合后进入后续的部件并经冷却后流经控制阀完成一次工质循环。
本发明一种微通道表面式喷雾冷却强化传热的装置及方法，以喷雾冷却和微通道表面换热系数相当为依据，热沉表面由多孔高导热材料和微槽道构成，喷雾工质通过喷嘴将工质雾化为液滴，并冷却多孔高导热材料，部分工质冲刷多孔高导热材料表面，部分工质在气泵抽吸作用下通过多孔高导热材料孔径流入微槽道内，与槽道壁面换热，该装置与传统的热沉表面相比具有换热面积大、能有效消除热沉表面蒸汽膜层、降低液膜厚度、综合换热能力强的优点。
附图说明
图1为本发明微通道表面式喷雾冷却强化传热装置系统图。
图2为本发明复合热沉表面结构图。
图3为本发明复合热沉表面结构剖面图。
图4为两相区喷雾冷却传热机制示意图。
图中的标号名称：1.控制阀；2.喷嘴；3.喷雾腔；4.集气腔；5.多孔高导热材料；6.微槽道；7.气泵；8.单向阀。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提供一种微通道表面式喷雾冷却强化传热的装置及方法，基于微通道与喷雾冷却表面传热系数相当的特点，采用微通道与喷雾冷却相结合的方式，解决热沉表面过热与液膜过厚的问题，强化喷雾冷却换热，解决两相区喷雾冷却热沉表面过热与液膜过厚的问题，该装置与传统的热沉表面相比具有换热面积大、能有效消除热沉表面蒸汽膜层、降低液膜厚度、综合换热能力强的优点。
如图1所示，本发明中所述的微通道表面式喷雾冷却强化传热的装置，由控制阀1、喷嘴2、喷雾腔3、集气腔4、多孔高导热材料5、微槽道6、气泵7、单向阀8及其相关管路配件构成，现以实心圆锥单喷嘴两相区喷雾冷却为例，阐述本发明装置的具体实施过程。
根据热源散热面积的需要，将复合热沉表面加工成如图2-3所示的圆形结构形式。其中：圆形的微槽道槽间距沿径向逐渐减小，以平衡各槽道间阻力；微槽道肋厚与相邻槽间距相等，从而既保证热量通过肋片有效地传递到多孔高导热材料上，并通过喷雾方式冷却，又保证了工质在微通道内的流动阻力和换热能力；多孔高导热材料5表面粗糙，汽化核心点较多，利于沸腾换热，同时工质可在气泵7的驱动下通过细密的孔径流入微槽道6内，提高工质与热沉表面之间的综合换热能力；多孔高导热材料5通过真空扩散焊的方式与微槽道6结合，其导热系数与微槽道6的导热系数相当，保证热源散发的高热流密度的热量得到有效传递。
当热源产生高热流密度的热量时，热量通过微槽道6传递到多孔高导热材料5表面，此时开启控制阀1与气泵7，喷雾工质通过喷嘴2将工质雾化为液滴，并在多孔高导热材料5表面形成液膜，同时液膜内会形成成核气泡，部分工质冲刷多孔高导热材料表面，带走大部分热量，部分工质通过气泵7抽吸的方式克服工质在微通道内的阻力，同时保证工质在各槽道内流量的均匀分配，工质流经微通道，不仅增加了工质与热沉表面的换热面积，同时能有效消除热沉表面蒸汽膜层、降低液膜厚度，从而避免热沉表面过早进入膜态沸腾区。
喷雾腔3内的工质通过管路流经单向阀8与集气腔4的工质混合后进入后续的部件并经冷却后流经控制阀1完成一次工质循环，单向阀8的作用在于防止气泵7出口侧压力过高引起工质倒流入喷雾腔3。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种微通道表面式喷雾冷却强化传热的装置，包括控制阀（1）、喷嘴（2）、喷雾腔（3）、集气腔（4）、多孔高导热材料（5）、微槽道（6）和气泵（7），其特征在于：所述喷雾腔（3）内有喷嘴（2）、集气腔（4）、多孔高导热材料（5）和微槽道（6），所述喷嘴（2）设置在顶部，所述控制阀（1）通过管道与喷雾腔（3）内喷嘴（2）相连，所述多孔高导热材料（5）和微槽道（6）构成装置的热沉表面，所述多孔高导热材料（5）通过真空扩散焊的方式与微槽道（6）结合，其导热系数与微槽道（6）的导热系数相当，所述集气腔（4）在微槽道（6）两侧，所述喷雾腔（3）底部有热源，两个集气腔（4）通过各自管道接气泵（7）；
所述多孔高导热材料(5) 表面有粗糙层；
所述喷嘴（2）有1-5个；
所述喷雾腔（3）一侧通过管道连有单向阀（8）；
所述微槽道（6）的热沉表面为矩形或者圆形；
所述微槽道（6）的热沉表面为矩形，槽道间距均匀布置；
所述微槽道（6）的热沉表面为圆形，槽间距沿径向逐渐减小。
2.一种微通道表面式喷雾冷却强化传热的装置的工作方法，所述装置包括控制阀（1）、喷嘴（2）、喷雾腔（3）、集气腔（4）、多孔高导热材料（5）、微槽道（6）和气泵（7），所述喷雾腔（3）内有喷嘴（2）、集气腔（4）、多孔高导热材料（5）和微槽道（6），所述喷嘴（2）设置在顶部，所述控制阀（1）通过管道与喷雾腔（3）内喷嘴（2）相连，所述多孔高导热材料（5）和微槽道（6）构成装置的热沉表面，所述多孔高导热材料（5）通过真空扩散焊的方式与微槽道（6）结合，其导热系数与微槽道（6）的导热系数相当，所述集气腔（4）在微槽道（6）两侧，所述喷雾腔（3）底部有热源，两个集气腔（4）通过各自管道接气泵（7）；
所述多孔高导热材料(5) 表面有粗糙层；
所述喷嘴（2）有1-5个；
所述喷雾腔（3）一侧通过管道连有单向阀（8）；
所述微槽道（6）的热沉表面为矩形或者圆形；
所述微槽道（6）的热沉表面为矩形，槽道间距均匀布置；
所述微槽道（6）的热沉表面为圆形，槽间距沿径向逐渐减小；
其特征在于，具体步骤如下：
工作过程中，当热源产生高热流密度的热量时，热量通过微槽道（6）传递到多孔高导热材料（5）表面，此时开启控制阀（1）与气泵（7），喷雾工质通过喷嘴（2）将工质雾化为液滴，并在多孔高导热材料（5）表面形成液膜，同时液膜内会形成成核气泡，部分工质冲刷多孔高导热材料表面，带走大部分热量，部分工质通过气泵（7）抽吸的方式克服工质在微通道内的阻力，同时保证工质在各槽道内流量的均匀分配，之后喷雾腔（3）内的工质通过管路流经单向阀（8）与集气腔（4）的工质混合后进入后续的部件并经冷却后流经控制阀（1）完成一次工质循环。
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