CN110124893A - 一种喷射旋流喷嘴结构及喷雾装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了的一种喷射旋流喷嘴结构，包括相连接的引流部件和壁板，引流部件和壁板之间设有混合腔。混合腔通过出流孔连通到壁板的下侧，引流部件上设有射流孔和若干旋流孔，射流孔和各旋流孔均连通到混合腔。各旋流孔环绕射流孔分布，各旋流孔均向靠近射流孔的方向和沿环绕射流孔周向倾斜。可以通过控制喷嘴内部混合腔内流体的射流和旋流动能比例，获得具有特定喷雾张角和雾化性能。与之相应的一种喷雾装置，可以保证雾化液滴的轴向势能较强，避免传统雾化结构在换热过程中存在不稳定性，能克服喷雾冷却换热中热效应对喷嘴雾化结构的影响，在较小的压差下就能实现比较好的喷雾效果。此发明用于喷雾冷却装置领域。

Description

一种喷射旋流喷嘴结构及喷雾装置

技术领域

本发明涉及喷雾冷却装置领域，特别是涉及一种喷射旋流喷嘴结构及喷雾装置。

背景技术

喷雾冷却作为新型的高效散热方式，在新一代超级计算机、数据中心、新能源汽车、先进雷达系统、高能激光武器、卫星及航空电子系统等高性能电子器件温度控制方面具有广阔的应用前景。喷雾冷却是将液体工质通过压力喷嘴喷射到气体介质中，经过与气体介质的扰动破裂成大量微小液滴并以较高的速度撞击发热表面形成液体薄膜，通过液滴冲击、液膜冲刷蒸发、核态沸腾和二次成核等单相或相变换热过程带走大量热量的冷却方式。因此，喷雾冷却换热过程相对复杂，影响其换热的因素较多。其中，喷嘴喷雾结构影响换热过程中液滴冲刷发热表面的空间分布，对发热表面上液膜的形成及其冲刷换热行为具有决定性影响，是喷雾冷却换热的基础和关键。喷嘴喷雾结构取决于喷嘴结构。基于此，开发高性能雾化喷嘴对喷雾冷却的高效换热至关重要，是喷雾冷却技术推广应用所必须解决的关键问题之一。

根据喷嘴内部流道结构特征及其相应的雾化机制，目前市场上常用的雾化喷嘴可主要分为平孔射流喷嘴、压力旋流喷嘴以及气体辅助式喷嘴等类型。其中平孔射流喷嘴结构简单，雾化液滴动能强，但雾化效果及喷射张角均不理想。气体辅助式喷嘴的雾化效果极佳，但喷嘴本身结构复杂，雾化时需要有额外的压缩气体作为扰动和加速液滴运动的介质，因此其运行系统通常比较复杂，不利于喷雾冷却的应用。压力旋流喷嘴对雾化的动力要求较低且运行简单，是目前市场上应用最为广泛，产品型号和系列最为齐全的一类喷嘴，同时也是目前喷雾冷却应用研究中使用最多的一类雾化喷嘴。但是压力旋流喷嘴存在的最主要的问题是喷嘴喷雾液滴在空间分布上极不均匀，特别是在中心区域的液滴密度较小，冲击液滴轴向势能偏低，从而导致其雾化结构在换热过程中存在不稳定性，不利于高性能电子器件的安全运行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种雾化效果均匀的喷射旋流喷嘴结构，与之相应的一种应用喷射旋流喷嘴结构的紧凑高效的喷雾装置。

本发明所采取的技术方案是：一种喷射旋流喷嘴结构，包括引流部件和壁板，引流部件连接到壁板的上侧，引流部件和壁板之间设有混合腔，混合腔通过出流孔连通到壁板的下侧，引流部件上设有贯穿引流部件上下侧的射流孔和若干旋流孔，射流孔和各旋流孔均连通到混合腔，各旋流孔环绕射流孔分布，各旋流孔均由上到下向靠近射流孔的方向倾斜，各旋流孔均沿环绕射流孔周向倾斜。

作为上述方案的改进，射流孔为竖直的圆形通孔结构，各旋流孔为倾斜的圆形通孔结构，旋流孔的轴心与水平的夹角为α，35°≤α≤55°。

作为上述方案的改进，混合腔为倒置的锥形结构，混合腔的锥角为β，45°≤β≤75°。

作为上述方案的改进，射流孔和旋流孔的直径均大于0.2mm并小于0.3mm。

作为上述方案的改进，出流孔为竖直的圆形通孔结构，出流孔长度与直径的比例为k，0.5≤k≤0.7。

作为上述方案的改进，射流孔的数量为1，射流孔、混合腔和出流孔的轴线相重合，旋流孔的数量为3，各旋流孔环绕射流孔均匀分布。

作为上述方案的改进，引流部件为直径小于3.5mm的圆形板件结构，壁板上设有用于安装引流部件的凹槽，引流部件的上端面与壁板的上端面齐平。

一种应用上述方案中任一项喷射旋流喷嘴结构的喷雾装置，包括若干围成容腔的壁板，壁板上设有连通到容腔的液流入口和若干喷射旋流喷嘴结构。

作为上述方案的改进，容腔的截面为旋转对称图形，各喷射旋流喷嘴结构的出流孔均指向外侧。

作为上述方案的改进，容腔包括位于中心位置处的内腔和环状的外腔，容腔包括位于中心位置处的内腔和环状的外腔，内腔和外腔的壁板上均设有若干喷射旋流喷嘴结构，内腔和外腔的壁板上的出流孔相向设置。

本发明的有益效果：这种喷射旋流喷嘴结构，在引流部件和壁板之间设有混合腔，引流部件上设有贯穿上下侧的射流孔和若干旋流孔，各旋流孔环绕射流孔分布，各旋流孔均由上到下向靠近射流孔的方向倾斜，各旋流孔均沿环绕射流孔周向倾斜，旋流孔可以在较小压差下能获得良好的雾化效果和喷雾张角，并且其雾化液滴在轴向动能上大大提高，较容易克服换热过程中上升蒸汽气流对其喷雾结构的影响，可以通过控制喷嘴内部混合腔内流体的射流和旋流动能比例，获得具有特定喷雾张角和雾化性能，结构紧凑、便于生产，适用于空间有限的喷雾作业；与之相应的一种喷雾装置，可以保证雾化液滴的轴向势能较强，避免传统雾化结构在换热过程中存在不稳定性，能克服喷雾冷却换热中热效应对喷嘴雾化结构的影响，在较小的压差下就能实现比较好的喷雾效果，换热性能相对稳定，可预测性较高，可以方便地根据实际喷雾冷却系统的需要进行主动设计，生产制造相对简单便捷，易于实现。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是该喷嘴结构的俯视结构示意图；

图2是该喷嘴结构的立体结构示意图；

图3是该喷嘴结构的剖面结构示意图；

图4是该引流部件的立体结构示意图；

图5是该引流部件的俯视结构示意图；

图6是该引流部件的仰视结构示意图；

图7是第一种喷雾装置的剖面结构示意图；

图8是第二种喷雾装置的剖面结构示意图；

图9是第三种喷雾装置的剖面结构示意图；

图10是第四种喷雾装置的剖面结构示意图。

具体实施方式

参照图1～图10，本发明中的一种喷射旋流喷嘴结构，包括引流部件1和壁板2。壁板2通常为容腔3的部分壁面，但也可以直接将引流部件1连接到外部高压流体源，向引流部件1提供高压流体。通常引流部件1为连接固定到壁板2上的插入件，通常设置为完全固定，但也可以设置为轴向位移固定而可以绕轴向旋转，但应该充分考虑到密封性。这里可以将引流部件1和壁板2设置为一体化结构，也可以后期焊接固定或者可拆卸连接，通常设置为可拆卸连接，可以方便后期的维护更换。为了方便描述但不代表具体方向，从附图3的视图方向上看，图示中壁板2靠近上方的一侧称为壁板2的上侧，壁板2靠近下方的一侧称为壁板2的下侧。引流部件1连接到壁板2的上侧，引流部件1和壁板2之间设有混合腔21，混合腔21通过出流孔22连通到壁板2的下侧。高压流体从上侧经过引流部件1进入混合腔21中，并在混合腔21充分混合和能量交换，由出流孔22流出。引流部件1上设有贯穿上下侧的射流孔12和若干旋流孔11，射流孔12和各旋流孔11均连通到混合腔21。各旋流孔11环绕射流孔12分布，可以使高压流体具有旋流动能的同时保证高压流体旋流动能的均衡稳定。而各旋流孔11均由上到下向靠近射流孔12的方向倾斜，各旋流孔11均沿环绕射流孔12周向倾斜，实现比较好的高压流体旋流效果，可以有效提高混合腔21内高压流体的混合交换能力。通常射流孔12竖直贯穿并且尺寸均匀设计，即在引流部件1的平面投影中其在引流部件1上下侧的开口相重合。各旋流孔11均由上到下向靠近射流孔12的方向倾斜，即在引流部件1的平面投影中，同个旋流孔11在引流部件1上下侧的开口与射流孔12的距离不一致。各旋流孔11均沿环绕射流孔12周向倾斜，即在引流部件1的平面投影中，同个旋流孔11在引流部件1上下侧的开口与射流孔12的连线不重合。射流孔12可以设置多个，但通常都会设置在引流部件1的中部位置处。经过旋流孔11和射流孔12的高压流体在混合腔21中充分混合和能量交换后，经过出流孔22流出后被雾化。射流孔12流入的高压流体可以有效保证其轴向动能，而旋流孔11可以扩充喷雾角度。优选地，引流部件1为直径小于3.5mm的圆形板件结构，壁板2的厚度主要取决于引流部件1以及平板内部射流孔12和旋流孔11的设计。为使附图显示的结构更为清晰明了，在图1和图3中，部分不可见轮廓线用虚线表示出来。

作为优选的实施方式，射流孔12为竖直的圆形通孔结构，各旋流孔11为倾斜的圆形通孔结构。从投影平面投影看，射流孔12的截面形状为圆形，而旋流孔11的截面形状为椭圆形。旋流孔11为倾斜的圆形通孔结构，通常不弯曲，可以有效避免高压流体动能损耗。旋流孔11的轴心与水平方向的夹角为α，35°≤α≤55°，使混合腔21内液体的旋流动能与射流动能在合适的比例。这里所指的角度，是常规数学中直线与平面所成的角。夹角为α为将引流部件1平放，如图3所示，此时旋流孔11的轴心与水平面所成的角度。旋流孔11的高度主要根据夹角α的变化而变化，同时一般而言，夹角α越低，则进入混合腔21内液体的旋流动能越强。优选地，对热流密度较小的喷雾冷却应用中，可适当降低射流部分动能，使该喷射旋流喷嘴结构的雾化性能达到压力旋流喷嘴的雾化效果。而对于热流密度较高，热效应对该喷射旋流喷嘴结构具有显著影响的喷雾冷却应用，则可适当提高射流部分的比例，使雾化液滴在轴向方向的冲刷势能明显提高，以克服热效应对喷射旋流喷嘴结构的影响，获得稳定的喷雾冷却换热性能。

作为优选的实施方式，混合腔21为倒置的锥形结构，即混合腔21通过底面连接到旋流孔11和射流孔12。优选地，锥形为圆锥形，锥角即混合腔21过轴心的截面上的两条母线的夹角为β，45°≤β≤75°，使混合腔21发挥最大的作用。

作为优选的实施方式，射流孔12和旋流孔11的直径均大于0.2mm并小于0.3mm，在保证喷雾供给充足的同时，避免液流过剩。

作为优选的实施方式，出流孔22为竖直的圆形通孔结构，出流孔22的长度与出流孔22直径的比例为k，0.5≤k≤0.7。通常出流孔22连接到混合腔21锥形结构的尖端位置处。为使出流孔22出来的液体旋流动能与射流动能保持合适的比例，其长度与直径需保持适度的比例。一般而言，出流孔22的长度与直径的比例越高，出口处液体的射流势能越大，反之则越小。这里指的长度是指出流孔22的轴线长度。

在第一种实施例中，该喷射旋流喷嘴结构的射流孔12的数量为1，射流孔12、混合腔21和出流孔22的轴线相重合，旋流孔11的数量为3。各旋流孔11环绕射流孔12均匀分布，混合腔21的尺寸大小设置为其底面边界与旋流孔11下侧开口相内切。壁板2上设有用于安装引流部件1的凹槽，引流部件1的上端面与壁板2的上端面齐平。夹角α选定为35°，比例k选定为0.6，锥角β选定为60°。

在第二种实施例中，夹角α选定为45°，比例k选定为0.6，锥角β选定为60°。

在第三种实施例中，夹角α选定为55°，比例k选定为0.6，锥角β选定为60°。经过试验和理论分析可知，当夹角α增大时，出流孔22流出的喷雾沿径向的速度越大，雾化性能增强。

在第四种实施例中，夹角α选定为45°，比例k选定为0.5，锥角β选定为45°。

在第五种实施例中，夹角α选定为55°，比例k选定为0.7，锥角β选定为75°。

本发明中的一种应用任意一项上述喷射旋流喷嘴结构的喷雾装置，包括若干围成容腔3的壁板2，壁板2上设有连通到容腔3的液流入口23和若干喷射旋流喷嘴结构。通常喷射旋流喷嘴结构在壁板2上阵列排布，向外喷出均匀的喷雾。喷射旋流喷嘴结构中的壁板2为围成容腔3的壁板2的部分，同个壁板2上设置有多个喷射旋流喷嘴结构。通常是多个喷射旋流喷嘴结构均匀布置，用于对高温元器件4进行喷雾降温。由于该喷射旋流喷嘴结构的结构紧凑，可以根据需要经常相应的设计，特别适用于在结构空间较为狭小、复杂、以及热源密度高的应用中。优选地，容腔3通过液流入口23连接到外部的高压流体源，由于该喷射旋流喷嘴结构的流量相对较小，容腔3的设计可在保证每个喷射旋流喷嘴结构具有均匀压力入口的同时能维持非常紧凑的有效结构。通常液流入口23可以直接朝向喷射旋流喷嘴结构所在壁板2，如附图8所示。也可以将液流入口23设置在喷射旋流喷嘴结构所在壁板2的相邻壁板2上，如附图7所示。

在第一种实施例中，该喷雾装置通过液流入口23连接到外部的高压流体源。容腔3的截面为旋转对称图形，各出流孔22均指向外侧，用于向外部的高温元器件4进行喷雾降温。优选地，容腔3的截面形状为四边形，其中间部分为容腔3。容腔3的每个侧壁上都均匀设置有喷射旋流喷嘴结构，均匀地对外部的高温元器件4进行喷雾降温。

在第二种实施例中，容腔3包括位于中心位置处的内腔和环状的外腔，容腔3包括位于中心位置处的内腔和环状的外腔，内腔和外腔的壁板2上均设有若干喷射旋流喷嘴结构，内腔和外腔的壁板2上的出流孔22相向设置。在本实施例中，容腔3的截面形状同样选用十边形。内腔的外部和外腔的内侧壁板2的外壁面上均匀设有喷射旋流喷嘴结构，对位于内腔和外腔之间的高温元器件4进行喷雾降温。

当然，本设计创造并不局限于上述实施方式，上述各实施例不同特征的组合，也可以达到良好的效果。熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种喷射旋流喷嘴结构，其特征在于：包括引流部件(1)和壁板(2)，所述引流部件(1)连接到壁板(2)的上侧，所述引流部件(1)和壁板(2)之间设有混合腔(21)，所述混合腔(21)通过出流孔(22)连通到壁板(2)的下侧，所述引流部件(1)上设有贯穿引流部件(1)上下侧的射流孔(12)和若干旋流孔(11)，所述射流孔(12)和各旋流孔(11)均连通到混合腔(21)，各所述旋流孔(11)环绕射流孔(12)分布，各所述旋流孔(11)均由上到下向靠近射流孔(12)的方向倾斜，各所述旋流孔(11)均沿环绕射流孔(12)周向倾斜。

2.根据权利要求1所述的喷射旋流喷嘴结构，其特征在于：所述射流孔(12)为竖直的圆形通孔结构，各所述旋流孔(11)为倾斜的圆形通孔结构，所述旋流孔(11)的轴心与水平的夹角为α，35°≤α≤55°。

3.根据权利要求2所述的喷射旋流喷嘴结构，其特征在于：所述混合腔(21)为倒置的锥形结构，所述混合腔(21)的锥角为β，45°≤β≤75°。

4.根据权利要求3所述的喷射旋流喷嘴结构，其特征在于：所述射流孔(12)和旋流孔(11)的直径均大于0.2mm并小于0.3mm。

5.根据权利要求4所述的喷射旋流喷嘴结构，其特征在于：所述出流孔(22)为竖直的圆形通孔结构，所述出流孔(22)长度与直径的比例为k，0.5≤k≤0.7。

6.根据权利要求5所述的喷射旋流喷嘴结构，其特征在于：所述射流孔(12)的数量为1，所述射流孔(12)、混合腔(21)和出流孔(22)的轴线相重合，所述旋流孔(11)的数量为3，各所述旋流孔(11)环绕射流孔(12)均匀分布。

7.根据权利要求6所述的喷射旋流喷嘴结构，其特征在于：所述引流部件(1)为直径小于3.5mm的圆形板件结构，所述壁板(2)上设有用于安装引流部件(1)的凹槽，所述引流部件(1)的上端面与壁板(2)的上端面齐平。

8.一种应用权利要求1～7中任一项所述喷射旋流喷嘴结构的喷雾装置，其特征在于：包括若干围成容腔(3)的壁板(2)，所述壁板(2)上设有连通到容腔(3)的液流入口(23)和若干喷射旋流喷嘴结构。

9.根据权利要求8所述的喷雾装置，其特征在于：所述容腔(3)的截面为旋转对称图形，各所述喷射旋流喷嘴结构的出流孔(22)均指向外侧。

10.根据权利要求8所述的喷雾装置，其特征在于：所述容腔(3)包括位于中心位置处的内腔和环状的外腔，所述内腔和外腔的壁板(2)上均设有若干喷射旋流喷嘴结构，所述内腔和外腔的壁板(2)上的出流孔(22)相向设置。