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

一种喷雾冷却超声空化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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