CN108225050A - 一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置及方法,该装置包括进液阀、喷嘴、吸声材料、热沉表面、蓄液槽、柱形超声换能器、超声波发生器、液泵、拉瓦尔喷管、排液阀和喷雾腔,所述热沉表面中心处设置柱形超声换能器,所述超声波发生器通过线路传送能量至柱形超声换能器,所述热沉表面周侧设置有蓄液槽,蓄液槽底部通过管路与液泵连接,所述喷雾腔内侧壁面粘贴有吸声材料,所述拉瓦尔喷管安装于液泵出液侧,并与喷雾腔相通,所述进液阀和排液阀安装于进液口和排液口。本发明基于成核气泡的强化传热机理,在喷雾冷却过程中采用超声的方式,在液膜内主动催生空化气泡,强化喷雾冷却性能,解决喷雾冷却传热系数不足引起的电子元器件烧毁的问题。
Description
技术领域
本发明涉及高热流密度强化传热领域,特别是涉及一种喷雾冷却超声空化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2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(其中沸腾气泡分为壁面成核气泡和二次成核气泡)。成核气泡主导的换热机制约贡献总热量的50%。成核气泡强化传热的机制在于:喷雾冷却成核气泡数量大,且喷雾液滴击碎成核气泡形成的真空区诱使液膜高速湍动,强化热沉表面与液膜之间的换热。
通常认为,当电子元器件的温度达到80℃以上时,其工作能力将迅速下降直至失效,本发明专利拟基于成核气泡的强化传热机理,在喷雾冷却过程中采用超声空化的方式,在液膜内主动催生空化气泡,强化喷雾冷却性能。
发明内容
为了解决上述存在的问题,本发明提供一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置及方法,基于成核气泡的强化传热机理,在喷雾冷却过程中采用超声的方式,在液膜内主动催生空化气泡,强化喷雾冷却性能,解决喷雾冷却传热系数不足引起的电子元器件烧毁的问题,为达此目的,本发明提供一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置,包括进液阀、喷嘴、吸声材料、热沉表面、蓄液槽、柱形超声换能器、超声波发生器、液泵、拉瓦尔喷管、排液阀和喷雾腔,所述热沉表面中心处设置柱形超声换能器,所述超声波发生器通过线路传送能量至柱形超声换能器,所述热沉表面周侧设置有蓄液槽,所述蓄液槽底部通过管路与液泵连接,所述喷雾腔的上方中部进液口设置有喷嘴,所述喷雾腔内侧壁面黏贴有吸声材料,所述拉瓦尔喷管安装于液泵出液侧,并与喷雾腔相通,所述进液阀和排液阀安装于进液口和排液口。
本发明结构的进一步改进,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。
本发明结构的进一步改进,所述热沉表面为环状,其中心线与喷嘴中心线重合,根据多普勒激光测试试验,喷嘴正下方局部区域液滴垂直速度分量小,冷却效果差,环状的热沉表面保证热流不经过中心区域,同时为超声换能器提供安装空间。
本发明结构的进一步改进,所述柱形超声换能器通过密封垫密封安装于热沉表面中心处,其热沉表面以上的高度大于液膜厚度,在液膜内和液膜以上区域发射水平无方向柱形超声波,保证液膜以上区域发射的超声波能够击碎液滴,减小液滴沙特直径,从而携带更多的气泡核进入液膜;同时保证液膜内发射的超声波产生空化和声流效应,强化换热。
本发明结构的进一步改进,所述柱形超声换能器数量与喷嘴数量相当,当喷嘴数量多于1个时,不同喷嘴之间的喷雾区域界面应设置有吸声材料,防止不同超声波之间发生干涉。
本发明结构的进一步改进,所述喷雾腔周侧粘贴有吸声材料,防止超声入射波和反射波之间形成半波干涉。
本发明结构的进一步改进,所述拉瓦尔喷管内高速流动的液流形成负压区,诱使喷雾腔内蒸汽或液雾排出,降低喷雾腔内压力,提高喷嘴喷雾效果。
本发明一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置的工作方法:
1)当热源由于工作需要产生高热流密度的热量时,热量通过热沉表面导热;
2)此时开启喷雾冷却装置和超声波发生器,液滴在热沉表面上形成液膜,液膜上部区域的液滴受换能器发射的超声波的影响,碎裂成更细小的液滴,能够携带更多的气泡核进入液膜,液膜受超声波作用,发生超声空化和声流效应;
3)在气泡核处产生空化气泡,并被随之而来的液滴击破,在液膜局部区域形成强烈微扰动,强化换热;
超声波在喷雾腔内传递至喷雾界面区域时被吸声材料吸收;
4)液膜内的流体流经蓄液槽,被液泵抽吸进拉瓦尔喷管,液流加速,形成负压区,诱使喷雾腔内蒸汽或液雾与液流混合并被排出。
本发明一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置及方法,该装置当热源由于工作需要产生高热流密度的热量时,热量通过热沉表面导热,此时开启喷雾冷却装置和超声波发生器,液滴在热沉表面上形成液膜,液膜上部区域的液滴受换能器发射的超声波的影响,碎裂成更细小的液滴,能够携带更多的气泡核进入液膜,液膜受超声波作用,发生超声空化和声流效应,在液膜内气泡核处产生空化气泡,并被随之而来的液滴击破,在液膜局部区域形成强烈微扰动,强化换热;超声波在喷雾腔内传递至喷雾界面区域时被吸声材料吸收;液膜内的流体流经蓄液槽,被液泵抽吸进拉瓦尔喷管,液流加速,形成负压区,诱使喷雾腔内蒸汽或液雾与液流混合并被排出。本专利提供的方法具有催生空化气泡均匀、传热系数高的优点。
附图说明
图1为本发明喷雾冷却超声空化强化传热装置系统图。
图2为两相区喷雾冷却传热机制示意图。
图中的标号名称:1.进液阀;2.喷嘴;3.吸声材料;4.热沉表面;5.蓄液槽;6. 柱形超声换能器;7. 超声波发生器;8. 液泵;9. 拉瓦尔喷管;10. 排液阀;11.喷雾腔。
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:
本发明提供一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置及方法,基于成核气泡的强化传热机理,在喷雾冷却过程中采用超声空化的方式,在液膜内主动催生空化气泡,强化喷雾冷却性能,解决喷雾冷却传热系数不足引起的电子元器件烧毁的问题,具有催生空化气泡均匀、传热系数高的优点。
如图1所示,本发明中所述的喷雾冷却超声空化强化传热的装置,由进液阀1、喷嘴2、吸声材料3、热沉表面4、蓄液槽5、柱形超声换能器6、超声波发生器7、液泵8、拉瓦尔喷管9、排液阀10、喷雾腔11及其相关管路配件构成,现以实心圆锥单喷嘴喷雾冷却为例,阐述本发明装置的具体实施过程。
考虑到喷嘴正下方局部区域液滴垂直速度分量小,冷却效果差的特点,根据热源散热面积的需要,将热沉表面4加工成如图1所示的环状结构形式,保证热流不经过中心区域,同时为超声换能器提供安装空间。其中超声波发生器7通过线路传送能量至柱形超声换能器6,柱形超声换能器6通过密封垫密封安装于热沉表面4中心处,换能器6热沉表面以上的高度大于液膜厚度,在液膜内和液膜以上区域发射水平无方向柱形超声波,保证液膜以上区域发射的超声波能够击碎液滴,减小液滴沙特直径,从而携带更多的气泡核进入液膜,同时保证液膜内发射的超声波产生空化和声流效应,强化换热;喷雾腔11周侧粘贴有吸声材料,防止超声入射波和反射波之间形成半波干涉;热沉表面4周侧设置有蓄液槽5,蓄液槽5底部通过管路与液泵8连接;拉瓦尔喷管9安装于液泵8出液侧,并与喷雾腔11相通;进液阀1和排液阀10安装于进液口和排液口。
本发明提供一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置及方法,该装置当热源由于工作需要产生高热流密度的热量时,热量通过热沉表面导热,此时开启喷雾冷却装置和超声波发生器,液滴在热沉表面上形成液膜,液膜上部区域的液滴受换能器发射的超声波的影响,碎裂成更细小的液滴,能够携带更多的气泡核进入液膜,液膜受超声波作用,发生超声空化和声流效应,在液膜内气泡核处产生空化气泡,并被随之而来的液滴击破,防止气泡过生长,被击碎的气泡区域形成真空,周边区域的液体快速涌动,强化热沉表面与液膜之间的换热;超声波在喷雾腔内传递至喷雾界面区域时被吸声材料吸收;液膜内的流体流经蓄液槽,被液泵抽吸进拉瓦尔喷管,液流加速,形成负压区,诱使喷雾腔内蒸汽或液雾与液流混合并被排出。
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 (7)
1.一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置,包括进液阀(1)、喷嘴(2)、吸声材料(3)、热沉表面(4)、蓄液槽(5)、柱形超声换能器(6)、超声波发生器(7)、液泵(8)、拉瓦尔喷管(9)、排液阀(10)和喷雾腔(11),其特征在于:所述热沉表面(4)中心处设置柱形超声换能器(6),所述超声波发生器(7)通过线路传送能量至柱形超声换能器(6),所述热沉表面(4)周侧设置有蓄液槽(5),所述蓄液槽(5)底部通过管路与液泵(8)连接,所述喷雾腔(11)的上方中部进液口设置有喷嘴(2),所述喷雾腔(11)内侧壁面黏贴有吸声材料(3),所述拉瓦尔喷管(9)安装于液泵(8)出液侧,并与喷雾腔(11)相通,所述进液阀(1)和排液阀(10)安装于进液口和排液口。
2.根据权利要求1所述的一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置,其特征在于:所述喷嘴(2)有1-5个。
3.根据权利要求1所述的一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置,其特征在于:所述热沉表面(4)为环状,其中心线与喷嘴(2)中心线重合。
4.根据权利要求1所述的一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置,其特征在于:所述柱形超声换能器(5)通过密封垫密封安装于热沉表面(4)中心处,其热沉表面以上的高度大于液膜厚度。
5.根据权利要求1所述的一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置,其特征在于:所述柱形超声换能器(4)数量与喷嘴(2)数量相当。
6.根据权利要求1所述的一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置,其特征在于:当喷嘴(2)数量多于1个时,不同喷嘴(2)之间的喷雾区域界面应设置有吸声材料(3)。
7.使用权利要求1-6任意一项所述的一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置的工作方法,其特征在于:
1)当热源由于工作需要产生高热流密度的热量时,热量通过热沉表面(4)导热;
2)此时开启喷雾冷却装置和超声波发生器(7),液滴在热沉表面(4)上形成液膜,液膜上部区域的液滴受换能器(6)发射的超声波的影响,碎裂成更细小的液滴,能够携带更多的气泡核进入液膜,液膜受超声波作用,发生超声空化和声流效应;
3)在气泡核处产生空化气泡,并被随之而来的液滴击破,在液膜局部区域形成强烈微扰动,强化换热;
超声波在喷雾腔(11)内传递至喷雾界面区域时被吸声材料(3)吸收;
4)液膜内的流体流经蓄液槽(5),被液泵(8)抽吸进拉瓦尔喷管(9),液流加速,形成负压区,诱使喷雾腔(11)内蒸汽或液雾与液流混合并被排出。
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