CN110381700A - 一种喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置和系统，所述装置包括腔体、喷雾腔进液管、喷雾腔出液管和位于腔体内的喷孔板和阵列喷嘴，腔体包括喷雾腔和蒸气腔，喷孔板将喷雾腔分隔为缓冲室和喷雾室，喷雾腔进液管与缓冲室连通，喷雾腔出液管与喷雾室连通，阵列喷嘴设置在喷孔板位于所述喷雾室一侧上，喷孔板上设置有多个连通所述缓冲室与阵列喷嘴的通孔，蒸气腔与所述阵列喷嘴相对设置，所述蒸气腔内密封有相变工质。蒸汽腔与喷雾腔体一体式连接，蒸汽腔能够将电子元件产生的高热流密度热量及时均匀扩展到喷雾表面，喷雾腔体内部工质经阵列喷嘴高速喷洒在喷雾表面，通过对流和相变换热带走大量热量，达到对电子元件的冷却效果。

Description

一种喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置和系统

技术领域

本发明属于喷雾冷却技术领域，具体涉及一种喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置和系统。

背景技术

随着航空航天电子元器件性能要求地不断提高，电子封装集成化程度越来越高，单位体积功耗增大，对电子设备的稳定性和可靠性提出了较大的挑战，也对电子器件散热技术提出跟高的要求。特别是机载和星载设备等电子设备，热流密度可达10²乃至10³W/cm²，高热流密度发热问题越来越严重。另外，由于各器件发热功率不同，造成电子设备温度不均，降低设备运行可靠性。目前，主要有三种冷却技术能够满足电子器件高热流密度的散热需求，即微通道冷却、射流冷却和喷雾冷却技术。由于微通道冷却技术压降较大，射流冷却射流中心区域换热系数较高，射流中心区域以外换热系数较低，难以满足散热均匀性要求。相比微通道和射流冲击冷却，喷雾冷却作为一种高效的两相散热技术，具有传统散热技术无法比拟的高换热能力、良好的均温性、较小的工质需求量等优点，被认为是解决未来小平台机载设备高热流密度散热最有前景的技术。

喷雾冷却是在一定压力下将冷却工质通过喷嘴雾化成无数运动速度较快的细小液滴颗粒，雾化液体颗粒具有较高的比表面积，液体颗粒不断撞击换热壁面，通过强制对流和液滴相变等换热方式带走大量的热量的一种高效冷却技术。然而，在喷雾换热过程中，由于高热流密度热源容易造成喷雾壁面出现干涸，限制喷雾冷却的换热能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置和系统以实现高热流密度电子元件的高效冷却。

实现本发明目的技术解决方案为：一种喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置，包括腔体、喷雾腔进液管、喷雾腔出液管和位于所述腔体内的喷孔板和阵列喷嘴，所述腔体包括喷雾腔和蒸气腔，所述喷孔板将所述喷雾腔分隔为缓冲室和喷雾室，所述喷雾腔进液管与所述缓冲室连通，所述喷雾腔出液管与喷雾室连通，所述阵列喷嘴设置在喷孔板位于所述喷雾室一侧上，所述喷孔板上设置有多个连通所述缓冲室与所述阵列喷嘴的通孔，所述蒸气腔与所述阵列喷嘴相对设置，所述蒸气腔内密封有相变工质。

进一步地，所述蒸气腔的前后腔体内壁面之间设置有多个加强柱，在所述蒸气腔的内壁面上设置有吸液芯。

进一步地，所述吸液芯采用粒径0.05～0.18mm的铜粉颗粒烧结而成。

进一步地，所述相变工质为水或酒精。

进一步地，所述喷雾腔内的工质为R113。

进一步地，所述腔体的材料为铜或铝。

进一步地，所述阵列喷嘴包括多个实心锥喷嘴，喷雾角度为50°～65°，喷嘴到与所述喷雾室与所述喷嘴相对的壁面的距离为10-20mm。

一种高热流密度喷雾冷却系统，包括电子元件、冷却器、储液罐、泵、加热器、流量计和根据上述所述的喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置，所述电子元件位于所述蒸气腔的外侧，所述喷雾腔出液管与冷却器的进口连接，所述冷却器的出口与储液罐连接，所述储液罐的出口与泵的进口连接，泵的出口与加热器的进口连接，所述加热器的出口与所述流量计的进口连接，所述流量计的出口与所述喷雾腔进液管连接。

进一步地，所述系统还包括旁通管路与第一调节阀，所述第一调节阀设置于所述泵与加热器之间，所述旁通管路的出口连接储液罐、进口位于所述泵与所述第一调节阀之间，所述旁通管路上设置有第二调节阀。

进一步地，所述系统还包括电源与温度传感器，所述电源和温度传感器分别与所述电子元件连接。

本发明与现有技术相比，显著优点在于：(1)蒸汽腔为平板式结构，容易与高热流密度电子元件直接接触配合，使用广泛，灵活方便；(2)集蒸汽腔与喷雾腔体一体式的相变冷却装置，无接触热阻，蒸汽腔具有良好的热扩展特性，能将高热流密度热源产生的热量均匀扩展到喷雾腔换热壁面，提高换热性能；(3)蒸汽腔结构具有极高的热传导性能，还具有良好均温性能，为小面积高热流密度电子元件提供了高效的冷却；(4)蒸汽腔将热源产生的热量扩展到面积较大的喷雾壁面，利用多喷嘴阵列喷雾提高了壁面的换热性能，提高了喷雾冷却的高效、稳定性。

附图说明

图1为喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置剖视图。

图2为喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却系统图。

图3为蒸气腔的壁面示意图。

图4为蒸气腔的截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参见图1，一种喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置，包括腔体10、喷雾腔进液管16、喷雾腔出液管17和位于所述腔体10内的喷孔板14和阵列喷嘴11，所述腔体10包括喷雾腔和蒸气腔13，蒸气腔13与喷雾腔一体式连接，无接触热阻，导热系数高，蒸汽腔13能够将电子元件12产生的热量扩张到整个喷雾表面，所述喷孔板14将所述喷雾腔分隔为缓冲室15和喷雾室18，所述喷雾腔进液管16与所述缓冲室15连通，所述喷雾腔出液管17与喷雾室18连通，所述阵列喷嘴11设置在喷孔板14位于所述喷雾室18一侧上，所述喷孔板14上设置有多个连通所述缓冲室15与所述阵列喷嘴11的通孔，所述蒸气腔13与所述阵列喷嘴11相对设置，所述蒸气腔13内密封有相变工质。

进一步地，结合图3-4，所述蒸气腔13的前后腔体内壁面之间设置有多个直径为2mm的加强柱13-1，防止蒸汽腔变形，在所述蒸气腔13的内壁面上设置有吸液芯13-2，所述吸液芯13-2采用粒径0.05～0.18mm的铜粉颗粒烧结而成，所述蒸汽腔13内部上下壁采用线切割方式制作凸起状吸液芯13-2，高为0.3mm、长为0.3mm、宽0.3mm、间距0.4mm，蒸汽腔13总厚度为1.5～5mm，壁厚为0.3～1mm，所述蒸气腔13通过蒸汽腔冲注口进行抽真空，然后冲注充液率为25％的去离子水，水潜热值为2257kJ/kg，相变潜热巨大，能够将电子元件12产生的热量及时均匀扩展到喷雾表面。

进一步地，所述喷雾腔进液管16内径为6mm，喷雾腔出液管17内径为8mm，壁厚均为1mm。

进一步地，所述相变工质为水或酒精，所述喷雾腔内的工质为R113，喷嘴进口压力为0.3MPa，出口压力为0.1MPa，冷却工质R113在0.1MPa压力下，相变点温度为45.7℃，冷却工质在进出口0.2MPa压差下经阵列喷嘴雾化高速小粒径液滴撞击在喷雾表面，通过对流、蒸发和相变的方式带走大量热量，达到对高热流密度电子元件12冷却的目的，所述腔体10的材料为铜或铝。

进一步地，所述阵列喷嘴11包括多个实心锥喷嘴，喷雾角度为50°～65°，喷嘴到与所述喷雾室18与所述喷嘴相对的壁面的距离为10-20mm。

参见图2，一种喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却系统，包括电子元件12、冷却器2、储液罐3、泵4、加热器7、流量计8和根据上述所述的喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置，所述电子元件12位于所述蒸气腔13的外侧，所述喷雾腔出液管17与冷却器2的进口连接，所述冷却器2的出口与储液罐3连接，所述储液罐3的出口与泵4的进口连接，泵4的出口与加热器7的进口连接，所述加热器7的出口与所述流量计8的进口连接，所述流量计8的出口与所述喷雾腔进液管16连接。

进一步地，所述系统还包括旁通管路与第一调节阀6，所述第一调节阀6设置于所述泵4与加热器7之间，所述旁通管路的出口连接储液罐3、进口位于所述泵4与所述第一调节阀6之间，所述旁通管路上设置有第二调节阀5，所述旁通管路可将超出的工质返回储液罐3从而实现所需工质量的调节。

进一步地，所述系统还包括电源1与温度传感器9，所述电源1和温度传感器9分别与所述电子元件12连接。

高热流密度电子元件12产生的热量通过蒸汽腔13的壁面传导给其内部工质，工质相变带走大量的热，将热量迅速均匀扩展到喷雾表面。冷却工质经喷雾腔进液管16进入缓冲腔15，缓冲腔15可以为阵列布置的喷嘴11提供均匀的进液压力，确保各喷嘴均匀的喷雾特性。冷却工质在阵列喷嘴11中雾化成无数速度较快的细小液滴，液滴不断撞击喷雾表面与之进行对流换热和相变换热带走大量的热量。这样面积较小的高热流密度电子元件12产生的热量通过蒸汽腔13扩展到面积较大的喷雾表面，再通过阵列喷雾增强喷雾表面的换热性能。达到对电子元件12的高效冷却效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置，其特征在于，包括腔体(10)、喷雾腔进液管(16)、喷雾腔出液管(17)和位于所述腔体(10)内的喷孔板(14)和阵列喷嘴(11)，所述腔体(10)包括喷雾腔和蒸气腔(13)，所述喷孔板(14)将所述喷雾腔分隔为缓冲室(15)和喷雾室(18)，所述喷雾腔进液管(16)与所述缓冲室(15)连通，所述喷雾腔出液管(17)与喷雾室(18)连通，所述阵列喷嘴(11)设置在喷孔板(14)位于所述喷雾室(18)一侧上，所述喷孔板(14)上设置有多个连通所述缓冲室(15)与所述阵列喷嘴(11)的通孔，所述蒸气腔(13)与所述阵列喷嘴(11)相对设置，所述蒸气腔(13)内密封有相变工质。

2.根据权利要求1所述的喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置，其特征在于：所述蒸气腔(13)的前后腔体内壁面之间设置有多个加强柱(13-1)，在所述蒸气腔(13)的内壁面上设置有吸液芯(13-2)。

3.根据权利要求2所述的喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置，其特征在于：所述吸液芯(13-2)采用粒径0.05～0.18mm的铜粉颗粒烧结而成。

4.根据权利要求3所述的喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置，其特征在于：所述相变工质为水或酒精。

5.根据权利要求1所述的喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置，其特征在于：所述喷雾腔内的工质为R113。

6.根据权利要求1-5任一项所述的喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置，其特征在于：所述腔体(10)的材料为铜或铝。

7.根据权利要求1-5任一项所述的喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置，其特征在于：所述阵列喷嘴(11)包括多个实心锥喷嘴，喷雾角度为50°～65°，喷嘴到与所述喷雾室(18)与所述喷嘴相对的壁面的距离为10-20mm。

8.一种喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却系统，其特征在于包括电子元件(12)、冷却器(2)、储液罐(3)、泵(4)、加热器(7)、流量计(8)和根据权利要求1-7任一项所述的喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却装置，所述电子元件(12)位于所述蒸气腔(13)的外侧，所述喷雾腔出液管(17)与冷却器(2)的进口连接，所述冷却器(2)的出口与储液罐(3)连接，所述储液罐(3)的出口与泵(4)的进口连接，泵(4)的出口与加热器(7)的进口连接，所述加热器(7)的出口与所述流量计(8)的进口连接，所述流量计(8)的出口与所述喷雾腔进液管(16)连接。

9.根据权利要求8所述的喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却系统，其特征在于：所述系统还包括旁通管路与第一调节阀(6)，所述第一调节阀(6)设置于所述泵(4)与加热器(7)之间，所述旁通管路的出口连接储液罐(3)、进口位于所述泵(4)与所述第一调节阀(6)之间，所述旁通管路上设置有第二调节阀(5)。

10.根据权利要求8或9所述的喷雾腔与蒸汽腔一体式相变冷却系统，其特征在于：所述系统还包括电源(1)与温度传感器(9)，所述电源(1)和温度传感器(9)分别与所述电子元件(12)连接。