CN109119873A - 一种多工质组合式喷雾冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多工质组合式喷雾冷却装置。所述冷却装置包括：支撑装置；至少两个雾化喷嘴，按照预设排列方式安装在所述支撑装置上，所述至少两个雾化喷嘴用于将与各自对应的冷却工质雾化后喷射，雾化后的所述冷却工质在待散热的介质表面形成的雾化区域重叠，其中，所述至少两个雾化喷嘴中有至少两个雾化喷嘴所对应的冷却工质不相同。所述冷却装置可选择的冷却工质种类多，实现了在多冷却工质选择条件下对介质进行高效、均匀的散热。

Description

一种多工质组合式喷雾冷却装置

技术领域

本发明涉及激光器热管理技术领域，具体而言，涉及一种多工质组合式喷雾冷却装置。

背景技术

在高功率固体激光器中，对于激光增益介质的散热，存在高效率散热与低温升需求以及温度均匀分布间的矛盾。目前用于对激光增益介质散热的方法主要包括循环水对流冷却、微通道冷却等，但是这种传统的散热方式存在一些缺陷，例如循环水冷却的散热能力较差、微通道冷却结构设计复杂。

喷雾冷却是一种高效率的散热方式，目前的喷雾冷却主要采用单一冷却工质或者多工质混合溶液经同一喷嘴雾化后喷射至介质表面进行冷却散热。采用单一冷却工质时，散热效果不能达到固体激光器热管理的理想效果；采用多工质混合溶液时，需要考虑混合溶液的相溶性。因此目前的喷雾冷却方式可选择的冷却工质种类少，使这种散热方式存在局限性。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种多工质组合式喷雾冷却装置。

为了实现上述目的，本发明实施例所提供的技术方案如下所示：

本发明提供一种多工质组合式喷雾冷却装置，所述冷却装置包括：

支撑装置；至少两个雾化喷嘴，按照预设排列方式安装在所述支撑装置上，所述至少两个雾化喷嘴用于将与各自对应的冷却工质雾化后喷射，雾化后的所述冷却工质能够在待散热的介质表面形成雾化冷却区；其中，所述至少两个雾化喷嘴中有至少两个雾化喷嘴所对应的冷却工质不相同。

进一步的，所述至少两个雾化喷嘴按照预设排列方式安装，形成阵列。

进一步的，所述至少两个雾化喷嘴中对应不同的冷却工质的雾化喷嘴在斜线方向上交错安装，形成阵列。

进一步的，所述至少两个雾化喷嘴中对应不同的冷却工质的雾化喷嘴在行方向和列方向上均交错安装，形成阵列。

进一步的，所述至少两个雾化喷嘴中相邻两个雾化喷嘴之间的安装距离满足预设距离，使得相邻两个雾化喷嘴的雾化区域部分重叠。

进一步的，所述冷却装置还包括至少两个供给装置，所述至少两个供给装置通过至少两个管道与所述至少两个雾化喷嘴一一对应连接，所述至少两个供给装置分别用于提供与自身连接的雾化喷嘴所对应的冷却工质。

进一步的，所述支撑装置包括一端设置有开口的壳体，所述至少两个雾化喷嘴按照预设排列方式安装在所述壳体上与所述一端相对的另一端，所述壳体能够通过所述一端固定在所述待散热介质表面上。进一步的，所述壳体上安装有调压装置，所述调压装置用于调节所述壳体内的压力值。

进一步的，与任意一个所述雾化喷嘴对应的所述冷却工质为单一冷却工质、多种冷却工质的混合溶液、有机溶液与无机溶液的混悬液中的任意一种。

进一步的，所述冷却装置还包括冷凝吸收装置，所述冷凝吸收装置用于控制所述冷却装置的内部压力并降低所述冷却装置的内部温度。

本发明提供的所述冷却装置通过将至少两个雾化喷嘴安装在所述支撑装置上，且所述至少两个雾化喷嘴有各自对应的冷却工质，所述至少两个雾化喷嘴中至少有两个雾化喷嘴所对应的冷却工质不相同，不同的冷却工质形成的所述雾化区域为待散热介质散热。所述冷却装置可以设置不同的与所述至少两个雾化喷嘴对应的多种冷却工质，从而使所述冷却装置可选择的冷却工质种类多，实现了在多冷却工质选择条件下对待散热介质进行高效、均匀的散热。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的多工质组合式喷雾冷却装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的排列方式第一实施例示意图；

图3为本发明实施例提供的排列方式第二实施例示意图；

图4为本发明实施例提供的多工质组合式喷雾冷却装置第一实施例结构示意图；

图5为本发明实施例提供的多工质组合式喷雾冷却装置第二实施例结构示意图；

图6为本发明实施例提供的支撑装置结构示意图。

图标：10-冷却装置；11-支撑装置；110-壳体；12-雾化喷嘴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电性连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参照图1，是本发明提供的多工质组合式喷雾冷却装置10结构示意图，所述冷却装置10包括支撑装置11和至少两个雾化喷嘴12。所述至少两个雾化喷嘴12按照预设排列方式安装在所述支撑装置11上，所述至少两个雾化喷嘴12用于将与各自对应的冷却工质雾化，雾化后的所述冷却工质在待散热的介质表面形成的雾化区域重叠；其中，所述至少两个雾化喷嘴12中有至少两个雾化喷嘴12所对应的冷却工质不相同。

所述冷却装置10可以用在高功率激光器中，用于激光增益介质的散热；或者用于其他有限空间内对需要进行散热的介质的高效散热。因此，所述待散热介质可以是激光增益介质或者其他需要高效散热的介质。

所述冷却工质为各种具有冷却效果的冷却液，例如水、酒精等。所述冷却工质经所述雾化喷嘴12雾化后，在待散热介质表面形成雾化区，形成的雾化区能够为所述待散热介质进行快速的散热。其中，所述冷却工质在经过所述雾化喷嘴12喷出时同时雾化，整个喷雾冷却的过程可以概括为：对流散热、液膜蒸发散热、核态沸腾散热以及二次成核散热。

在本发明实施例中，与任意一个所述雾化喷嘴12对应的所述冷却工质可以为单一冷却工质、多种冷却工质的混合溶液、有机溶液与无机溶液的混悬液中的任意一种。其中，单一冷却工质可以是仅包括水或者仅包括酒精或者其他冷却液；多种冷却工质的混合溶液可以是例如水和酒精的混合溶液或者其他具有相溶性的冷却液的混合溶液；有机溶液与无机溶液的混悬液可以是有机冷却液与无机冷却液的混悬液、或者具有相溶性的有机冷却液混合溶液与具有相溶性的无机冷却液混合溶液的混悬液。

可以理解的是，所述至少两个雾化喷嘴12中有至少两个雾化喷嘴12所对应的冷却工质不相同，说明所述至少两个雾化喷嘴12至少对应两种冷却工质，那么对应同一种冷却工质的所述雾化喷嘴12的数量可以为多个，对应每一种所述冷却工质的所述雾化喷嘴12的数量可以相同也可以不相同。

因此，对于所述预设排列方式可以根据对应的所述冷却工质的种类设置、也可以根据需要达到的散热效果设置以及根据雾化喷嘴12的喷雾参数设置等。本发明实施例提供一种可选的实施方式：所述至少两个雾化喷嘴12按照预设排列方式安装，形成阵列。

其中，对于阵列，可以理解的是，所述至少两个雾化喷嘴12成行和列的形式安装在所述支撑装置上。而对于形成的所述阵列，本发明实施例提供两种可选的排列方式。

第一种可选的排列方式：所述至少两个雾化喷嘴12中对应不同的冷却工质的雾化喷嘴在斜线方向上交错安装，形成阵列。

在第一种可选的排列方式中，以所述至少两个雾化喷嘴12对应两种冷却工质为例，假设两种冷却工质分别为：冷却工质1和冷却工质2。那么所述排列方式可以如图2所示，其中冷却工质1对应的所述雾化喷嘴12和冷却工质2对应的所述雾化喷嘴12在斜线方向是交错安装的。

第二种可选的排列方式：所述至少两个雾化喷嘴中对应不同的冷却工质的雾化喷嘴在行方向和列方向上均交错安装，形成阵列。

在第二种可选的排列方式中，以所述至少两个雾化喷嘴12对应两种冷却工质为例，假设两种冷却工质分别为：冷却工质3和冷却工质4。那么所述排列方式可以如图3所示，其中，可以看到，冷却工质3对应的所述雾化喷嘴12和冷却工质4对应的所述雾化喷嘴12在行方向和列方向都为交错式的排列。

在上述两种排列方式中，可以理解的是，为了达到较好的散热效果，与同一种冷却工质对应的所述雾化喷嘴12的数量为多个。

此外，不管采用哪种排列方式，所述至少两个雾化喷嘴12相邻两个雾化喷嘴12之间的安装距离满足预设距离，使得相邻两个雾化喷嘴12的雾化区域部分重叠。如图2中和图3的排列方式中，每个所述雾化喷嘴12之间的安装距离都应该满足预设距离。

所述预设距离可以根据待散热介质的散热热流密度需求、散热面积、所述雾化喷嘴12喷射的发散角、所述雾化喷嘴12的与所述待散热介质之间的高度差等设置。

所述预设距离的设置方式可以是：例如，所述待散热介质的散热面积较大，那么所述预设距离可以相应的较大；所述雾化喷嘴12喷射的发散角比较大，那么所述预设距离也可以相应的较大，发散角较小的时候，为了保证形成重叠区域，所述预设距离可以较小；所述高度差较大的时候，喷射的冷却工质到达所述待散热介质上时扩散范围也较大，所述预设距离可以相应较大，高度差较小的时候同理。应该注意的是，在设置所述预设距离时，可以结合考虑多方面的因素设置，以达到最好的区域重叠效果。

请参照图4，为所述对应的冷却工质为冷却工质A和冷却工质B时，在所述待散热介质表面形成的一种雾化区域重叠示例图，可以看出，重叠的多个雾化区域在所述待散热介质上均匀的分布，使所述待散热介质能够均匀有效的进行散热。

请参照图5，为所述对应的冷却工质为冷却工质A、冷却工质B、冷却工质C时在所述待散热介质表面形成的一种雾化区域重叠示例图，可以看出，重叠的多个雾化区域在所述待散热介质上均匀的分布，使所述待散热介质能够均匀有效的进行散热。

可以理解的是，在所述待散热介质表面形成的重叠的雾化区域的散热效果也受多方面的影响。例如：所述对应的冷却工质的组合方式，即形成重叠的所述雾化区域包括了哪些冷却工质，不同的冷却工质组合的散热效果不同；所述预设排列方式，不同的排列方式形成的重叠区域不一样，会产生不同的散热效果，如图2和图3中的两种排列方式的散热效果是不一样的；所述雾化喷嘴的结构参数：包括喷射发散角、喷射速度、喷嘴安装的高度、喷嘴直径、喷射流量等，以及冷却液工质温度、待散热介质热流密度等。在具体的实施中，可以通过从这些方面进行设计，以达到更好的散热效果。

对于所述雾化喷嘴内雾化和喷射的冷却工质，可以由单独设计的供给装置提供。因此，可选的，所述冷却装置还包括至少两个供给装置，所述至少两个供给装置通过至少两个管道与所述至少两个雾化喷嘴一一对应连接，所述至少两个供给装置分别用于提供与自身连接的雾化喷嘴所对应的冷却工质。

对应的所述冷却工质会流经对应的管道，进入对应的所述雾化喷嘴，所述雾化喷嘴再进行雾化和喷射。以两个供给装置为例，包括提供冷却工质E的供给装置E和提供冷却工质F的供给装置F，所述供给装置E通过管道E与所述冷却工质E对应的雾化喷嘴12连接，所述供给装置F通过管道F与所述冷却工质F对应的雾化喷嘴12连接，从而使所述供给装置为所述雾化喷嘴12提供与自身对应的冷却工质以进行雾化和喷射。其中，对于所述至少两个雾化喷嘴12中对应的冷却工质相同的雾化喷嘴12，可以通过同一管道与所述雾化喷嘴12对应的供给装置连接，也可以通过不同的管道与所述雾化喷嘴12对应的供给装置连接。

所述至少两个雾化喷嘴12是按照预设排列方式安装在所述支撑装置11上的，对于所述支撑装置11，本发明提供一种可选的实施方式。

请参照图6，所述支撑装置11包括一端设置有开口的壳体110，所述至少两个雾化喷嘴12按照预设排列方式安装在所述壳体110上与所述一端相对的另一端，所述壳体110能够通过所述一端固定在所述待散热介质表面上。所述一端固定在所述待散热介质上的方式，以所述待散热介质为固体激光器中的激光增益介质为例：所述壳体110的开口端固定在激光增益介质表面上，与所述壳体110开口部分所覆盖激光增益介质区域形成密封的壳体。所述壳体110与激光增益介质表面固定的方式可以是焊接，例如铟焊等。

在这种实施方式中，可以理解的是，所述支撑装置11还包括固定件，所述固定件用于固定所述至少两个雾化喷嘴12在所述另一端上。所述固定件可以是固定螺钉或者固定螺丝等，所述固定件还可以是固定支架，所述固定支架上设置有按照所述预设排列方式分布的点，将所述至少两个雾化喷嘴12固定在各自对应的点上，所述固定支架可以与所述壳体110一体成型，方便所述雾化喷嘴12的安装。

所述一端设置有开口，所述开口的大小可以与所述待散热介质的散热面积匹配，所述另一端上安装所述至少两个雾化喷嘴12，在将所述壳体110固定在所述待散热介质表面上时，所述壳体110相对于所述待散热介质表面的固定方向可以根据实际需求设置，例如上下固定、水平固定等。

在所述支撑装置11为所述壳体110时，所述一端是固定在所述待散热介质表面上形成封闭的壳体，所述壳体110内相当于形成了一个空腔，空腔内的气压可调节。经过雾化的所述冷却工质喷射在待冷却介质表面后，吸收待散热介质的热量而发生蒸发或汽化，从而会影响所述壳体110内的压力。而所述冷却装置10由于主要用于高功率激光器等设备，如果压力值持续增加或者降低会影响所述冷却装置10的散热效果，进而甚至影响所述激光器设备的使用。

因此，可选的，所述壳体110上安装有调压装置，所述调压装置用于调节所述壳体110内的压力值。

所述调压装置可以是雾化气体导出装置，例如在所述壳体110上开设排气口或者安装排气管等，在压力升高时，通过所述排气口或者排气管排出一部分气体平衡压力值；所述调压装置还可以是设置在所述壳体110上的压力调节阀，在所述壳体110内的压力值超过预设的值时，进行排压以调节压力值。

在所述冷却工质雾化喷射后，形成的微小液滴有可能会形成液流，因此，可选的，所述壳体110上还可以设置液流导出装置。所述液流导出装置可以是例如排液口或者排液管等。

可选的，所述冷却装置10还包括冷凝吸收装置，所述冷凝吸收装置用于控制所述冷却装置的内部压力并降低所述冷却装置的内部温度。以所述壳体110为例：所述冷却工质在吸收待散热介质的热量后，会蒸发或者汽化，在所述密封的壳体内，过多的蒸汽会影响内部压力。所述冷凝吸收装置可以将蒸发或者汽化的所述冷却工质冷凝为液体，从而保持所述壳体110的内部压力。另一方面，由于冷凝吸收装置自身的冷凝作用，还可以降低所述壳体110内的温度。

所述冷凝吸收装置可以是冷凝管，所述冷凝管可以放置在所述壳体110内；所述冷凝吸收装置还可以是各种能够实现冷凝的冷凝器；在本发明实施例中不再详细介绍。

当然，所述冷却装置10还可以包括能够用于辅助散热的装置，从而进一步提高散热效果。例如换热器、在所述壳体110上增加进风口等，在本发明实施例中不再详细介绍。

综上所述，本发明提供的所述冷却装置通过将至少两个雾化喷嘴安装在所述支撑装置上，且所述至少两个雾化喷嘴有各自对应的冷却工质，所述至少两个雾化喷嘴中至少有两个雾化喷嘴所对应的冷却工质不相同，不同的冷却工质形成的所述雾化区域为待散热介质散热。所述冷却装置可以设置不同的与所述至少两个雾化喷嘴对应的多种冷却工质，从而使所述冷却装置可选择的冷却工质种类多，实现了在多冷却工质选择条件下对待散热介质进行高效、均匀的散热。

以上所述仅为本发明的实施例而已，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 (10)

1.一种多工质组合式喷雾冷却装置，其特征在于，包括：

支撑装置；

至少两个雾化喷嘴，按照预设排列方式安装在所述支撑装置上，所述至少两个雾化喷嘴用于将与各自对应的冷却工质雾化后喷射，雾化后的所述冷却工质在待散热的介质表面形成的雾化区域重叠，其中，所述至少两个雾化喷嘴中有至少两个雾化喷嘴所对应的冷却工质不相同。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述至少两个雾化喷嘴按照预设排列方式安装，形成阵列。

3.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，所述至少两个雾化喷嘴中对应不同的冷却工质的雾化喷嘴在斜线方向上交错安装，形成阵列。

4.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，所述至少两个雾化喷嘴中对应不同的冷却工质的雾化喷嘴在行方向和列方向上均交错安装，形成阵列。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的冷却装置，其特征在于，所述至少两个雾化喷嘴中相邻两个雾化喷嘴之间的安装距离满足预设距离，使得相邻两个雾化喷嘴的雾化区域部分重叠。

6.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置还包括至少两个供给装置，所述至少两个供给装置通过至少两个管道与所述至少两个雾化喷嘴一一对应连接，所述至少两个供给装置分别用于提供与自身连接的雾化喷嘴所对应的冷却工质。

7.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述支撑装置包括一端设置有开口的壳体，所述至少两个雾化喷嘴按照预设排列方式安装在所述壳体上与所述一端相对的另一端，所述壳体能够通过所述一端固定在所述待散热的介质表面上。

8.根据权利要求7所述的冷却装置，其特征在于，所述壳体上安装有调压装置，所述调压装置用于调节所述壳体内的压力值。

9.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，与任意一个所述雾化喷嘴对应的所述冷却工质为单一冷却工质、多种冷却工质的混合溶液、有机溶液与无机溶液的混悬液中的任意一种。

10.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置还包括冷凝吸收装置，所述冷凝吸收装置用于控制所述冷却装置的内部压力并降低所述冷却装置的内部温度。