CN109654932B - 一种具有螺纹圆锥体热沉的冲击射流冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业冷却相关技术领域，并公开了一种具有螺纹圆锥体热沉的冲击射流冷却系统。该冲击射流冷却系统包括射流喷嘴、热沉和热源，其中所述热沉包括圆锥体和底座两部分，所述圆锥体的底面与所述底座的上表面连接，所述射流喷嘴位于所述圆锥体顶点的正上方，所述热源与所述底座的下表面紧密贴合。本发明提供的冲击射流冷却系统中驻点区的局部传热系数较高，并且转折区的二次冲击射流减小了壁面射流区形成的温度边界层厚度，从而达到增强换热能力，提高冷却效率的效果；此外，热沉的圆锥体侧面和底座的上表面作为冲击换热面，本发明采用螺纹加工的方式以增加其表面粗糙度，用于降低因高速射流冲击而产生的气动噪声。

Description

一种具有螺纹圆锥体热沉的冲击射流冷却系统

技术领域

本发明属于工业冷却相关技术领域，更具体地，涉及一种具有螺纹圆锥体热沉的冲击射流冷却系统。

背景技术

冲击射流换热是传热效率最高的单相强化换热方式之一，与其他换热方式相比，它不仅具有相对较高的传热效率，而且能够方便、精确地通过控制流动参数或者流场区域的几何结构达到调整传热系数的目的，以此来满足不同的实际工程的需要。因此，冲击射流冷却技术广泛应用于燃气轮机组件的冷却、过程工业中物理的冷却干燥、电力电子元件的散热等众多工程领域。

在以气体为冷却工质的冲击射流冷却系统中，低温气体由喷嘴射出直接冲击热沉表面，通过对流传热的方式带走热量。冲击射流的流场结构一般可以分为三部分:自由射流区、驻点区及壁面射流区。冲击射流在驻点区附近形成的边界层厚度较薄，具有很高的局部换热强度；而在壁面射流区远离驻点区的方向，边界层厚度增加，传热强度降低。因此，冲击面的几何结构即热沉的形状是影响冲击射流换热效率的重要因素之一。为了满足实际工程领域日益增加的冷却负荷的需求，从现有的普通平面热沉的使用情况来看，需要进一步优化热沉的几何结构设计，从而提高冲击射流冷却系统的冷却能力。

另外，随着时代发展，国内外对工业领域噪声标准的要求不断提高，降低实际工程中的噪声越来越成为工业设计中的重要研究内容。在冲击射流冷却系统中，噪声主要来自射流冲击固体壁面产生的气动噪声。增加射流速度在提高局部换热强度的同时，也增加了冲击射流的气动噪声。因此，在设计冲击射流冷却系统时，如何降低高速冲击射流的气动噪声也成为了需要重点考虑的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有螺纹圆锥体热沉的冲击射流冷却系统，其中通过将热沉设计为圆锥体加底座的形状，并对冲击换热面进行螺纹加工，相应的可有效解决冲击射流冷却系统的冷却效率低的问题，同时还具备降低气动噪声的效果，因而尤其适用于工业冷却的应用场合。

为实现上述目的，本发明提出了一种具有螺纹圆锥体热沉的冲击射流冷却系统，其特征在于，该冲击射流冷却系统包括射流喷嘴、热沉和热源，其中：

所述热沉包括圆锥体和底座两部分，所述圆锥体的底面与所述底座的上表面连接；

所述射流喷嘴位于所述圆锥体的顶点正上方，该射流喷嘴喷射出气流冲击所述热沉的表面，所述射流喷嘴产生的冲击射流的流场结构分为自由射流区、驻点区、转折区和壁面射流区，该冲击射流通过强制对流换热方式带走该热沉的热量，使其温度保持恒定；

所述热源与所述底座的下表面紧密贴合，通过热传导的方式向所述热沉散热，从而达到冷却该热源的目的。

作为进一步优选地，所述射流喷嘴的出口直径D优选为5mm～10mm。

作为进一步优选地，所述圆锥体的锥角α为75°～105°。

作为进一步优选地，所述圆锥体的锥角α优选为90°。

作为进一步优选地，所述圆锥体的高度Hc优选为D～5D。

作为进一步优选地，所述圆锥体的底面半径Rc优选为D～5D。

作为进一步优选地，所述射流喷嘴的出口与所述底座的上表面之间的距离H优选为2D～10D。

作为进一步优选地，所述热沉的材料优选采用钨铜合金。

作为进一步优选地，所述热沉的圆锥体侧面和底座的上表面作为冲击换热面，采用螺纹加工的方式以增加其表面粗糙度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明构建的冲击射流冷却系统中热沉包括圆锥体和底座两部分，与平板式热沉相比不仅能够降低驻点区的温度边界层厚度，从而提高局部对流换热效果，并且冲击射流沿圆锥体侧面流动到转折区变为水平流动，在底座的上表面形成二次冲击射流，使得壁面射流区的边界层厚度减小，提高了对流换热效果，因此能够有效提高系统的换热效率；

2.本发明构建的圆锥体的锥角α过小时，会造成驻点区的冲击射流冲击不足，对流换热效果较差，当圆锥体的锥角α过大时，转折区的二次冲击射流强度较小，导致边界层厚度减小不明显，因此圆锥体的锥角α为75°～105°时能够保证较高的换热效率；

3.同时，当圆锥体的体积过小时，会使得部分冲击射流位于圆锥体外部而造成浪费，降低系统的换热效率，圆锥体的体积过大时，气流到圆锥体底部后风速较小，导致二次冲击射流的效果不明显，影响换热效率，因此圆锥体的高度Hc优选为射流喷嘴出口直径D的1倍～5倍，圆锥体的底面半径Rc优选为射流喷嘴出口直径D的1倍～5倍；

4.冲击射流的自由射流区中存在射流核心区，其长度约为6D，该区域内流体的速度与喷口的初始速度相同，为使得冲击到圆锥体表面的流体具有较高的流速，从而提高换热效率，射流喷嘴的出口与底座的上表面之间的距离H优选为2D～10D；

5.此外，热沉的圆锥体侧面和底座的上表面作为冲击换热面，本发明采用螺纹加工的方式以增加其表面粗糙度，进而影响高速射流冲击热沉时气流的速度分布，用于降低因高速射流冲击而产生的气动噪声。

附图说明

图1是本发明提供的具有螺纹圆锥体热沉的冲击射流冷却系统的结构示意图；

图2是本发明一个优选实施例提供的热沉的结构示意图；

图3是本发明提供的冲击射流冷却系统进行冲击换热时的流场结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1：射流喷嘴，2：热沉，3：热源，4：冲击换热面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提出了一种具有螺纹圆锥体热沉的冲击射流冷却系统，其特征在于，该冲击射流冷却系统包括射流喷嘴1、热沉2和热源3，其中：

所述热沉2包括圆锥体和底座两部分，所述圆锥体的底面与所述底座的上表面连接；

所述射流喷嘴1位于所述圆锥体的顶点正上方，该射流喷嘴1喷射出低温高速的气流冲击所述热沉2的表面，所述射流喷嘴1产生的冲击射流的流场结构分为自由射流区、驻点区、转折区和壁面射流区，该冲击射流通过强制对流换热方式带走该热沉的热量，使其温度保持恒定；

所述热源3与所述底座的下表面紧密贴合，通过热传导的方式向所述热沉散热，从而达到冷却该热源的目的。

所述冲击射流冷却系统的工作原理为：所述热源3通过热传导的方式向所述热沉2传递热量，而所述射流喷嘴1射出低温高速的气流作为冲击射流冲击所述热沉2的表面，该冲击射流通过强制对流换热的方式将所述热沉2的热量带走，使其温度保持恒定，以此达到冷却热源的目的。

进一步，所述热沉2的结构会直接影响到所述冲击射流与所述热沉2之间的对流换热效果，其中：

所述射流喷嘴1的出口直径D的取值基本不影响对流换热效果，考虑到实际工程应用，射流喷嘴1的出口直径D优选为5mm～10mm；

所述冲击射流冷却系统中热沉的形状会直接影响到对流换热效果，如图3所示，所述冲击射流的流场结构主要分为四部分：自由射流区、驻点区、转折区和壁面射流区，其中自由射流区的气流冲击所述圆锥体后形成驻点区，气流沿所述圆锥体侧面流动到所述圆锥体底部的转折区后变为水平流动，在该热沉2底座的上表面形成二次冲击射流，最后气流沿水平方向向四周流动形成壁面射流区；与普通平面热沉相比，所述热沉2驻点区的边界层厚度较小，因而局部对流换热效果较好，并且圆锥体侧面与底座的上表面形成了转折区，气流沿圆锥体侧面流动到转折区变为水平流动，在该热沉2底座的上表面形成二次冲击射流，使得壁面射流区的边界层厚度减小，提高了对流换热系数，使得冲击射流与热沉2之间的对流换热效果得到提高；

所述热沉2中圆锥体的锥角α过小时，会造成驻点区的冲击射流产生的冲击不足，使得对流换热效果较差，而锥角α过大时，转折区的二次冲击射流强度较小，边界层厚度减小不明显，同样会导致对流换热效果较差，因此本发明中所述圆锥体的锥角α优选为75°～105°，并且当锥角α为90°时对流换热效果最佳；

所述热沉2中圆锥体的体积也会对系统的传热效率产生影响，当圆锥体的体积过小时，会使得部分冲击射流位于圆锥体外部而造成系统的换热效率降低，当圆锥体的体积过大时，气流到圆锥体底部后风速较小，导致二次冲击射流的效果不明显而降低对流换热效果，影响换热效率，因此所述圆锥体的高度Hc优选为D～5D，所述圆锥体的底面半径Rc优选为D～5D。

进一步，冲击射流的自由射流区存在射流核心区，其长度约为6D，该射流核心区的流体速度与射流喷嘴1出口的流体速度相同，因此为提高冲击圆柱体表面的流体速度，使得驻点区和壁面射流区的边界层厚度降低，提高换热效率，同时考虑到圆锥体的结构高度，所述射流喷嘴1的出口与所述底座的上表面之间的距离H优选为2D～10D。

进一步，由于所述热源3通过热传导方式向所述热沉2进行散热，因此所述热沉2的材料优选采用低膨胀特性、高导热特性的钨铜合金。

作为本发明的关键改进点之一，所述热沉2的圆锥体侧面和底座的上表面作为冲击换热面4，采用螺纹加工的方式以增加其表面粗糙度，从而降低因高速射流冲击而产生的气动噪声；

更具体地，高速射流冲击粗糙表面所产生的噪声要低于冲击光滑表面所产生的噪声，因此增大冲击障碍物的表面粗糙度，可以使驻点区和壁面射流区的最大速度及平均速度减小，导致气动噪声衰减。

按照本发明的一个优选实施例构建的具有螺纹圆锥体热沉的冲击射流冷却系统，其包括射流喷嘴1、热沉2和热源3，该热沉2包括圆锥体和底座，所述圆锥体的底面与热源3紧密贴合，所述圆锥体的顶点位于射流喷嘴1出口中心的正下方处；

所述射流喷嘴1的出口直径D为10mm，射流喷嘴1的出口与所述底座的上表面的距离H为30mm，所述圆锥体的锥角α为90°，该圆锥体的高度Hc为15mm，该圆锥体的底面半径Rc为15mm，所述热沉2的冲击换热面4进行螺纹加工以增加其表面粗糙度，螺纹形状为三角螺纹，热沉2的材料采用低膨胀性、高导热性的钨铜合金。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有螺纹圆锥体热沉的冲击射流冷却系统，其特征在于，该冲击射流冷却系统包括射流喷嘴(1)、热沉(2)和热源(3)，其中：

所述热沉(2)包括圆锥体和底座两部分，所述圆锥体的底面与所述底座的上表面连接，该热沉(2)的圆锥体侧面和底座的上表面作为冲击换热面(4)，采用螺纹加工的方式以增加其表面粗糙度，用于降低因高速射流冲击而产生的气动噪声，所述圆锥体的锥角α为75°～105°；

所述射流喷嘴(1)位于所述圆锥体的顶点正上方，该射流喷嘴(1)喷射出气流冲击所述热沉(2)的表面，所述射流喷嘴(1)产生的冲击射流的流场结构分为自由射流区、驻点区、转折区和壁面射流区，该冲击射流通过强制对流换热方式带走该热沉(2)的热量，使其温度保持恒定，所述射流喷嘴(1)的出口与所述底座的上表面之间的距离H为2D～10D，D为所述射流喷嘴(1)的出口直径；

所述热源(3)与所述底座的下表面紧密贴合，通过热传导的方式向所述热沉(2)散热，从而达到冷却该热源(3)的目的。

2.如权利要求1所述的具有螺纹圆锥体热沉的冲击射流冷却系统，其特征在于，所述射流喷嘴(1)的出口直径D为5mm～10mm。

3.如权利要求1所述的具有螺纹圆锥体热沉的冲击射流冷却系统，其特征在于，所述圆锥体的锥角α为90°。

4.如权利要求1所述的具有螺纹圆锥体热沉的冲击射流冷却系统，其特征在于，所述圆锥体的高度Hc为D～5D。

5.如权利要求1所述的具有螺纹圆锥体热沉的冲击射流冷却系统，其特征在于，所述圆锥体的底面半径Rc为D～5D。

6.如权利要求1～5任一项所述的具有螺纹圆锥体热沉的冲击射流冷却系统，其特征在于，所述热沉(2)的材料采用钨铜合金。

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