CN112352291B - 射流冲击冷却装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种了用于射流冲击冷却的装置和方法。在一种布置中，流体通道结构接合在目标表面上以限定流动空间。流体从入口喷射至目标表面，并通过出口排出。导流特征形成多个通道，在入口和出口之间没有直线路径。与每个导流特征的表面接触的流体的时间平均流动方向更接近垂直于来自最近的入口的流体的喷射方向，而不是更接近平行于所述喷射方向。一对或多对入口和出口被配置为使得从成对的入口和出口中的入口喷射到所述目标表面上的流体的大部分通过同一对入口和出口中的出口从所述流动空间中流出。
Description
技术领域
本发明涉及射流冲击冷却装置和方法。
背景技术
核聚变是一种有前景的能源，可以帮助满足不断增长的电力需求。实际聚变反应堆的主要候选方案之一是托卡马克(tokomak)，其中强大的磁场将热等离子体限制在环形真空容器内。当等离子体径向扩散穿过最后的封闭磁通量表面时，它进入称为刮削层(scraped-off layer)的区域。进入该区域的等离子体被扫向容器壁的一个称为偏滤器(divertor)的区域。这有助于将堆芯等离子体中的杂质保持在最低程度，并且还有助于除去聚变反应的副产物。但是，这种高能等离子体撞击偏滤器会导致产生极高的热通量。实践证明，设计出能够为偏滤器应用提供足够性能的冷却系统是具有挑战性的。
航空航天和半导体工业中已知冷却系统的一个示例是射流冲击，其中高压流体从入口喷射到待冷却的表面，由此通过使热边界层厚度最小化以便增强从表面的传热。在US-A-2007/119565中公开了这种装置的示例。还已知一种冷却系统，能够使流体通过与待冷却表面相邻的狭窄通道阵列。现有的射流冲击冷却系统的一个已知问题是该系统在冲击表面上不能提供均匀的传热系数分布。通过使用高射流密度阵列可以使这种影响最小化。但是，这会导致用于移除单位热量所需的泵送功率增加，并使制造这类歧管特别困难。此外，错流的形成常常会妨碍多喷射系统的传热性能。
发明内容
本发明的目的是提供改进的射流冲击冷却。
根据本发明的一个方面，提供了一种射流冲击冷却装置，包括流体通道结构，构造成接合目标表面并由此限定流体能够流过的流动空间，所述流体通道结构包括：多个入口，每个入口通向所述流动空间，并构造成允许流体从所述入口直接喷射到所述目标表面上；多个出口，每个出口通向所述流动空间，并构造成允许所述流体通过所述出口从所述流动空间中流出；和多个导流特征，多个所述导流特征共同形成流体地连接所述入口和所述出口的多个通道，其中，所述导流特征被布置成使得通过流动空间从所述流动空间的面对任一入口的区域到所述流动空间的面对任一出口的区域没有直线路径，其中：所述导流特征构造成使得在使用时与每个导流特征的表面接触的流体的时间平均流动方向更接近垂直于来自最近的入口的流体的喷射方向，而不是更接近平行于所述喷射方向，至少在所述导流特征的所述表面的大部分上是如此；并且一对或多对所述入口和出口被配置为使得从成对的入口和出口中的入口喷射到所述目标表面上的流体的大部分通过同一对入口和出口中的出口从所述流动空间中流出。
因此，提供了一种装置，该装置结合了射流冲击冷却和冷却通道的优点。确保没有穿过流动空间的直线路径，以保持流动空间中较高的流速，确保流体覆盖目标表面的整个区域，并破坏边界层，从而增强冷却效果。以所描述的方式成对地配置入口和出口，并允许选择一对或多对入口和出口来共用出口，从而允许将流体的流动更有效地引导到特定区域，从而提高目标表面冷却的均匀性，并允许流体有效地从流动空间中流出。
在一种实施方式中，对于所述成对的入口和出口中的每一对，从所述流动空间的面对入口的区域到所述流动空间的面对出口的区域的流动路径由所述目标表面沿着整个流动路径而部分地限定，使得所述流体沿着整个流动路径连续地与所述目标表面接触。因此，流体流在其流过所述流动空间的过程的大部分是沿着目标表面流动的，从而最大程度地提供了冷却效果。
在一种实施方式中，对于一对或多对所述成对的入口和出口中的每对，通过成对的入口和出口中的出口从所述流动空间流出的流体的大部分是通过同一对入口和出口中的入口被喷射到所述目标表面的。这种方式构建了成对的入口和出口之间的流体流的一对一的对应关系，进一步提高了在装置内引导流体流的能力。
在一种实施方式中，所述目标表面包括在使用时被所述流体冷却的冷却区域；并且所述入口中的至少一个设置在距所述冷却区域的外边界小于该入口的开口直径三倍的距离内。这种方式在装置边缘附近提供了更大的冷却，从而减少了温度峰值的出现。
在一种实施方式中，所述装置包括串联布置的多个流体通道结构；和所述串联布置使得在使用中经由所述多个流体通道结构中的第一流体通道结构的出口从第一流体通道结构的流动空间流出的流体经由所述多个流体通道结构中的第二流体通道结构的入口进入第二流体通道结构的流动空间。这种方式使用了串联布置，其中流经该装置的流体将多次冲击目标表面，从而有效地在目标表面的不同区域中被重复利用。这允许使用较低的通过装置的流体总流量来实现相同的冷却性能，从而提高效率。
在一种实施方式中，所述出口的开口的总横截面积大于所述入口的开口的总横截面积。这种方式确保了流体可以有效地从流动空间中流出，从而减少了在装置不期望的部分的压力损失。
根据本发明的一个方面，提供了一种使用射流冲击进行冷却的方法，该方法包括：提供与目标表面接合的流体通道结构，以限定流体能够流过的流动空间；通过使流体经多个入口喷射入所述流动空间并喷射到所述目标表面上，以及使所述流体经多个出口从所述流动空间中流出，从而驱动所述流体流过所述流动空间；和提供多个导流特征，多个所述导流特征共同形成流体地连接所述入口和所述出口的多个通道，其中，所述导流特征被布置成使得通过流动空间从面对任一入口的区域到面对任一出口的区域没有直线路径；与每个导流特征的表面接触的流体的时间平均流动方向更接近垂直于来自最近的入口的流体的喷射方向，而不是更接近平行于所述喷射方向，至少在所述导流特征的所述表面的大部分上是如此；并且一对或多对所述入口和出口被配置为使得从成对的入口和出口中的入口喷射到所述目标表面上的流体的大部分通过同一对入口和出口中的出口从所述流动空间中流出。
在一种实施方式中，所述目标表面在与所述流体通道结构相反的一侧被热源加热；和在所述目标表面的一个或多个目标区域中的每个处提供所述目标表面与在所述流动空间中流动的流体之间的最高的传热系数；并且每个所述目标区域在该目标区域上平均的冷却需求比在整个目标表面上平均的平均冷却需求高至少5％，其中，所述冷却需求定义为与所述目标区域正对的目标表面相反侧的区域从所述热源接收的热通量乘以与所述目标区域正对的所述目标表面相反侧的区域与所述目标区域之间的导热路径长度的乘积。
该方式确保了在目标表面需要最大冷却的区域中提供最有效的冷却。
在一种实施方式中，多个所述流体通道结构设置为串联布置；和所述串联布置使得经由所述多个流体通道结构中的第一流体通道结构的出口从第一流体通道结构的流动空间流出的流体经由所述多个流体通道结构中的第二流体通道结构的入口进入第二流体通道结构的流动空间。
这种方式使用了串联布置，其中流经该装置的流体多次冲击目标表面，从而有效地在目标表面的不同区域中被重复利用。这允许使用较低的通过装置的流体总流量来实现相同的冷却性能，从而提高效率。
在一种实施方式中，所述目标表面在与所述流体通道结构相反的一侧被热源加热；所述第一流体通道结构与所述目标表面的第一子区域接合，并且所述第二流体通道结构与所述目标表面的第二子区域接合；和所述第一子区域的冷却需求高于所述第二子区域的冷却需求；其中，所述第一子区域的冷却需求定义为与所述第一子区域正对的目标表面相反侧的第一区域从所述热源接收的热通量乘以与所述第一子区域正对的所述目标表面相反侧的第一区域与所述第一子区域之间的导热路径长度的乘积在所述第一子区域上的平均值；和所述第二子区域的冷却需求定义为与所述第二子区域正对的目标表面相反侧的第二区域从所述热源接收的热通量乘以与所述第二子区域正对的所述目标表面相反侧的第二区域与所述第二子区域之间的导热路径长度的乘积在所述第二子区域上的平均值。
该方式确保了在目标表面的需要最大冷却的区域中提供最有效的冷却，同时还降低了使用串联布置的装置中所需的流体总流量。
在一种实施方式中，从所述入口喷入的所述流体在所述流动空间内的期间不发生相变。这种方式确保了流体的流动特性在流动空间内部不会发生变化，从而提供了更加可预测和可靠的流动和冷却性能。
附图说明
现在本发明的实施例仅通过示例的方式，结合附图进行描述，在附图中，相应的附图标记表示相应的部件，并且其中：
图1是与目标表面接合的冷却装置的侧剖视图。
图2是图1的冷却装置的透视图。
图3是示出了冷却装置内的不同点的传热系数的图。
图4是图1的冷却装置的另一侧剖视图。
图5和图6是包括串联布置的多个流体通道结构的替代的冷却装置的俯视图。
图7是包括具有翅片的导流特征的替代的冷却装置的俯视图。
图8是进一步包括输入歧管和输出歧管的替代的冷却装置的侧剖视图。
具体实施方式
在一个实施例中，如图1-图8中所示出的示例，提供了冷却装置2。装置2适合于通过射流冲击来冷却目标表面6。目标表面6从热源1接收热通量。热源1的性质不受特别限制。例如，目标表面6可以在以下各项的内部：托卡马克聚变反应堆、固态激光器中的激光二极管阵列、微处理器芯片、固态逆变器，或者是接收高热通量任何其他表面。目标表面6可以是平的，或者可以具有另一形状，例如凸曲面或凹曲面。通过以下描述的特征，装置2能够使用较低的冷却剂流体的总质量流率来提供与现有技术的装置相同或更高的冷却性能。
在一个实施例中，装置2包括流体通道结构4，该流体通道结构4构造成接合目标表面6并由此限定流体可以流过的流动空间8。在一个实施例中，流体通道结构4相对于目标表面非一体地形成(使得在形成流体通道结构4的材料与形成目标表面6的材料之间存在可识别的界面)。在其他实施例中，流体通道结构4一体地连接到目标表面6。流体通道结构4可以由任何材料或材料的组合形成，只要其材料允许流体在使装置2起作用所必要的温度和压力下在流动空间8中流动。例如，流体通道结构4可以包括铜或高导热无氧铜，或者诸如CuCrZr的铜合金。
在一个实施例中，流动空间8与目标表面6相邻。在一个实施例中，流体通道结构4被配置为可分离地抵靠接合在目标表面6上。在一个实施例中，流体通道结构4当不被使用时可以从目标表面6移除，从而允许检查或维护目标表面6或流体通道结构4。
在一个实施例中，流体通道结构4包括多个入口10。每个入口10通向流动空间8，并且允许流体从入口10直接喷射到目标表面6上，并且喷入流动空间8。在一个实施例中，入口10位于流动空间8的与目标表面6相对的一侧。入口10因此可以面对目标表面6。在一个实施例中，每个入口10包括开口12，入口10在此开口12处通向流动空间8。在一个实施例中，全部入口10的开口12位于同一平面内。每个开口12的形状和尺寸没有特别限制。例如，一个或多个开口12中的每一个可包括细长特征形状，例如可以为狭槽形、正方形、矩形、椭圆形或圆形。在一个实施例中，一个或多个入口10中的每一个都包括圆形开口12。可以选择入口10的开口12的面积，从而对于给定的流体压力，控制从入口10喷射的流体的速度。在一个实施例中，入口10是圆形的，其直径为0.1mm至5mm，可选的0.5mm至3mm，可选的1mm至2mm。
在一个实施例中，流体通道结构4还包括多个出口11。每个出口11允许流动空间8中的(经由入口喷入流动空间8中的)流体通过出口11从流动空间8中流出。在一个实施例中，出口11在流动空间8的与目标表面6相对的一侧上。出口11因此面对目标表面6。在一个实施例中，每个出口11包括开口13，出口11在此开口13处通向流动空间8。在一个实施例中，全部出口11的开口13位于同一平面上。出口11的开口13可以采用上述对于入口10所述的任何形状。在一个实施例中，每个出口11的开口13大于每个入口10的每个开口12。在一个实施例中，出口11的开口13的总横截面面积大于入口10的开口12的总横截面面积。增加出口11的相对尺寸可减小当流体流过装置2时穿过出口11的流体压力的下降。在一个实施例中，出口11的开口13与入口10的开口12处于同一平面，或者处于与入口10的开口12的平面平行的平面。在一个实施例中，出口11包括直径在0.5mm至10mm之间，可选地在2mm至3mm之间的圆形开口。
在一个实施例中，流体通道结构4还包括多个导流特征20。这些导流特征20共同形成多个通道25。多个通道25将入口10和出口11流体连接。在一个实施例中，当流体通道结构4接合在目标表面6上时，一个或多个导流特征20彼此良好地热接触并且与目标表面6良好地热接触。
导流特征20可以执行多种有用的功能。在一个实施例中，导流特征20以增加流体通道结构4的与流动空间8内的流体相接触的表面积的方式引导流动空间8内的流体的流动。增加流体通道结构4的与流体相接触的表面积有助于更有效地从目标表面6移除热量(通过将热量传递给流体)，特别是当一个或多个导流特征20与目标表面6良好地热接触时(使得热量从目标表面6传入导流特征20，然后传入流体)。为了进一步改善热传递，导流特征20可以由诸如铜或铜合金的高导热率材料形成。在一个实施例中，导流特征20还增加了在流动空间8内的流体的湍流。湍流通过改善流体的混合而增加了将热量传递到流体中的效率。湍流还破坏了热边界层的形成，从而进一步改善了流体混合和传热效率。
流体的流动可以由雷诺数来表征。较高的雷诺数表明流动是湍流，较低的雷诺数表明流动是层流。由于湍流有利于改善热传递和流体混合，所以流体通道结构4和/或导流特征20可以构造为使得通过流动空间8的流体流动的雷诺数相比于没有设置导流特征20时增加。在一个实施例中，至少将流体在高度湍流的条件下喷射到目标表面6上。在一个实施例中，流体以大于4000，可选地大于6000的雷诺数的流动状态从入口10喷入。
在一个实施例中，导流特征20增加了流体通道结构4的强度和刚度。增加了强度和刚度从而允许使用更高的流体压力。较高的流体压力增加了流过装置2的流体的速率，从而改善了装置2的性能。在一个实施例中，由导流特征20提供的向流体中的改进的热传递降低了装置2内的热梯度。降低的热梯度减小了热应力并改善了装置2的耐用性。所述热梯度的降低特别是通过减小目标表面6与流体通道结构4之间的温度梯度来实现的。
在一个实施例中，一个或多个导流特征20中的每个包括以下各项中的一个或多个(例如，参见图7)：基座21、壁22和翅片23。基座21是主要破坏流体中热边界层的特征的示例。基座21可以是非细长的特征，其在流动空间8的整个高度上延伸并且直接与目标表面6接触。壁22是主要引导在流动空间8内的流体流动的特征的示例。壁22可以是细长的特征，其在流动空间8的整个高度上延伸并且直接与目标表面6接触。翅片23是主要增加流体湍流的特征的示例。翅片23可以是细长的或非细长的特征，并且仅部分地在流动空间8的高度上延伸并且不与目标表面6直接接触。可以使用这些类型的导流特征20和其他类型的导流特征20中的一种或多种的任何组合来根据需要引导流体的流动，并增加与流体接触的流体通道结构4的表面积。
在一个实施例中，导流特征20被布置成使得从流动空间8的面对任何一个入口10的区域(例如，直接位于入口10的开口12与目标表面6之间的区域，流体通过该区域喷射到目标表面6上)到面对流动空间8的面对任何一个出口11的区域(例如，直接位于出口11的开口13与目标表面6之间的区域)不存在穿过流动空间8的直线路径。缺少直线路径的设置方式增加了通过流动空间8的流动速度。缺少直线路径的设置方式还通过迫使流体流过或绕过导流特征20而增加了装置2与流体相接触的的表面积。
在一个实施例中，一对或多对入口10和出口11被配置成使得从成对的入口10和出口11中的入口10喷射到目标表面6上的流体的大部分将通过同一对入口10和出口11中的出口10从流动空间8中流出。该特征提供了通过流动空间8的流动的可预测的对应关系，从而可以更容易地控制流动，从而改善装置2的性能，如以下所详细描述的。在一个实施例中，一对或多对所述成对的入口10和出口11中每对共用同一出口11。因此，入口和出口之间的对应关系可以包括多对一的对应关系。入口10可以比出口11多。
在一个实施例中，与每个导流特征20的表面接触的流体的时间平均流动方向更接近垂直于来自最近的入口10的流体的喷射方向，而不是更接近平行于所述喷射方向，至少在所述导流特征20与所述流体接触的表面的大部分上(可选地，在导流特征20的与流体接触的所有表面上)是如此。这确保了装置2中的流体的流动大部分地转向至一致的平面中，从而改善了控制流动方向的能力。根据上文，在一个实施例中，与每个导流特征20的表面接触的流体的时间平均流动方向的垂直于来自最近的入口10的流体的喷射方向的分量大于平行于所述喷射方向的分量，可选地是平行于所述喷射方向的分量的至少2倍，可选的至少10倍，可选的至少100倍，至少在导流特征20的表面的大部分上是如此，可选的在导流特征20的表面的全部上是如此。
在一个实施例中，对于成对的入口和出口中的每对，通过成对的入口和出口中的入口10喷射至目标表面6的流体的大部分将通过同一对入口和出口中的出口11从流动空间8流出，从流动空间8的面对入口10的区域到流动空间8的面对出口11的区域的流动路径16由所述目标表面6沿着整个流动路径16而部分地限定，使得流体沿着整个流动路径16连续地与目标表面6接触。使得流体沿着流动路径16与目标表面6保持接触增加了目标表面6与流体相接触的表面，从而改善了热量从目标表面6到流体的传递。这可以通过设置流动通道结构4和导流特征20以使得流动空间8中的流体流动占主导地位地平行于目标表面6来实现。
图1示出了流体通道结构4与目标表面6接合，并由此限定了流动空间8。流动空间8覆盖了目标表面6的区域并且因此限定目标表面6的冷却区域7，该冷却区域7由流动空间8中流动的流体冷却。在一个实施例中，冷却区域7被定义为能够完全包围所有与使用中的流体直接接触的目标表面6的区域的最小多边形(例如，正方形、矩形、六边形等)。流体通过入口10流入流动空间8，并通过出口11流出流动空间8。流体通道结构4密封地接合在目标表面6上，使得在流动空间8中流动的流体除了通过出口11之外不能流出流动空间8。在本实施例中，目标表面6是板5的一个表面，该表面由位于板5的与流体通道结构4相反的一侧(即，与目标表面6相反的一侧)上的热源1加热。在所示的实施例中，由板5限定的目标表面6基本是平的。在其他实施例中，目标表面6可以是弯曲的。热源1可以包括温度高于板5的流体或固体、热辐射源、或任何其他热能来源。
在图2的实施例中，入口10和出口11具有设置在同一平面上的圆形开口12、13。导流特征20包括基座21和壁22。导流特征20朝向远离入口10的开口12和出口11的开口13的平面的方向延伸，并在入口10和出口11之间限定多个通道25。在图2的实施例中，开口12、13设置在通道25的顶板24中。在其他实施例中，开口12、13可以从顶板24突出。当流体通道结构4与目标表面6接合时，通道25的高度H为顶板24与目标表面6之间的距离。图2中的导流特征20在通道25的整个高度H上延伸。在其他实施例中，一个或多个导流特征20并不沿着通道25的整个高度H延伸。在一些实施例中，通道25的高度H为0.1mm至4mm、可选为0.5mm至1.5mm、可选为0.75mm至1.25mm。在一些实施例中，通道25的宽度为0.25mm至2mm、可选为0.5mm至1.5mm、可选为0.75mm至1.25mm。
图2的实施例有利地在目标表面6的由流体通道结构4覆盖的面积(热通量面积)和装置2的与流过流动空间8的流体相接触的表面积(润湿面积)之间提供高比率。润湿面积与热通量面积之比可以大于0.8：1、优选大于1：1、更优选大于1.2：1。
图3示出了在流动空间8内的不同点处计算出的目标表面6与流过流动空间8的流体之间的传热系数。传热系数(以Wm-2K-1为测量单位)定义了流体对目标表面6的冷却效率。入口10、出口11和导流特征20被布置为使得在冷却需求较高的目标表面的目标区域中提供具有较高传热系数的流动空间8的区域。目标区域以及因而提供有最高的传热系数的部位可以靠近冷却区域7的边缘或拐角，该冷却区域7是目标表面6被流过流动空间8的流体所冷却的区域。如上所述，冷却区域7可以被定义为能够完全包围所有与使用中的流体直接接触的目标表面6的区域的最小多边形(例如正方形、矩形、六边形等)。靠近冷却区域7的边缘和拐角处，在流动空间8中的流体和被热源1加热的目标表面6的相反侧之间的热流路径较长(因此热传导阻力较高)。这也意味着在流动空间8中的流体和热源1之间的热流路径更长(因此热传导阻力更高)。因此，在拐角或边缘附近需要更高的传热系数，以防止在这些区域中目标表面6的温度出现峰值。这可以通过将入口10中的一个或多个设置成靠近流体通道结构4和/或冷却区域7的边缘或拐角来实现。例如，入口10中的一个或多个可以位于距冷却区域7的外边界小于该入口10的开口直径三倍的距离内，可选地该距离小于开口直径的两倍，可选地该距离小于开口直径的一倍。如果冷却区域7包括多个拐角，则入口10中的一个或多个可位于距其中的任一个拐角小于该入口10的开口直径三倍的距离内，可选地该距离小于开口直径的两倍，可选地该距离小于开口直径的一倍。
图4示出了适于应对目标表面6的不在冷却区域7的边缘或拐角处的区域需要更高冷却的情况的实施例。提供有最高传热系数的目标区域40可以是目标表面6的冷却需求最高的区域。目标表面6的目标区域40的冷却需求取决于所施加的热量和散热的难度。在目标表面6的相反侧被热源1加热的情况下，所施加的热量是与目标区域40正对的目标表面6相反侧的区域42从热源1接收的热通量，而散热的难度由与目标区域40正对的目标表面6相反侧的区域42与目标区域40之间的导热路径长度来表征。冷却需求是上述热通量和上述导热路径长度的乘积。在此假设在整个热量输入区域使用相同的材料。而在使用多种不同的材料的情况下，可以适当考虑所涉及的材料的相对热导率。在由于具有较低热导率的材料的存在而导致热阻增加的情况下，冷却需求将成比例地升高。
在图4的示例中，目标区域40中的导热路径长度与目标表面6的其他区域中的导热路径长度相同，但是由与目标区域40正对的目标表面6相反侧的区域42接收的热通量在目标区域40中比在目标表面6的其他区域中接收的热通量高。因此，目标区域40的冷却需求更高，在目标区域40中提供了目标表面6与流动空间8中流动的流体之间的最高传热系数。在目标区域40上平均的冷却需求比在整个目标表面6上平均的平均冷却需求高至少5％、可选地高至少10％、可选地高至少15％、可选地高至少20％。可替代地，在目标区域40上平均的冷却需求比在整个目标表面6上平均的平均冷却需求高至少一个标准差，可选地高至少两个标准差，可选地高至少三个标准差。
图5示出了替代实施例，其中装置2包括串联布置的多个流体通道结构4。在串联布置中，通过第一流体通道结构4a的出口11a从第一流体通道结构4a的流动空间8a流出的流体随后经由第二流体通道结构4b的入口10b流入第二流体通道结构4b的流动空间8b。因此，相同的流体流过多个流动空间8a、8b。通过在目标表面6的不同区域中重复利用流体，可以使用较小的通过装置2的流体总流量来获得相同的冷却性能。
在串联布置中，不同的流体通道结构4的流动空间8可以是不同的。这允许控制通过流动空间8的流体的流速，因为每单位时间内通过第一流体通道结构4a的流体总量必须与通过第二流体通道结构4b的流体总量相同。例如，具有较大流动空间8的流体通道结构4可向具有较小流动空间8的流体通道结构4供流。在这种情况下，每单位时间内相同量的流体通过两个流体通道结构4，并且因此，具有较小流动空间8的流体通道结构4中的流速较高。
在串联布置中，一个流体通道结构4可以由多个其他流体通道结构4供给流体。换而言之，第一流体通道结构和/或第二流体通道结构中的每一者可以包括多个流体通道结构。例如，从第一流动通道结构4和第二流动通道结构4的流动空间8流出的所有流体可以随后被供给到第三流体流动通道结构4的流动空间8中。
串联布置还可以包括具有多于两个层级的串联序列。例如，通过如上所述的第二流体通道结构4b的出口11b从第二流体通道结构4b的流动空间8b流出的流体可以随后通过第三流体通道结构4的入口10流入第三流体通道结构4的流动空间8。可以提供任何数量的这种层级。然而，如果装置2包括具有多个层级的串联序列，则该序列的下游的层级可能无法提供良好的冷却性能，因此在某些情况下不期望具有多个层级的布置。
在串联布置中，在串联序列中上游的流体通道结构4(即，接收通过了较少的其他流体通道结构4或没有通过其他流体通道结构4的流体的流体通道结构4)可以提供更好的冷却性能。这至少部分是因为其流体的温度较低。因此，串联序列中的上游的流体通道结构4可以设置在目标表面6的具有较高冷却需求的区域中，如先前所定义的。例如，串联布置可以使得从与目标表面6的第一子区域接合的第一流体通道结构4a的流动空间8a流出的流体流入与目标表面6的第二子区域接合的第二流体通道结构8b的流动空间8b。然后，可以选择第一流体通道结构4a和第二流体通道结构4b的位置，使得在第一子区域7上平均的冷却需求高于在第二子区域7上平均的冷却需求。
图6示出了这样的情况，其中存在两个具有较小流动空间4a的第一流体通道结构4a都向单个具有较大流动空间8b的第二流体通道结构4b供流。在这种情况下，第一流体通道结构4a可以覆盖目标表面6的需要更高冷却性能(即具有更高的冷却需求)的区域，第二流体通道结构4b可以覆盖目标表面6的需要较低冷却性能(即具有较低的冷却需求)的区域。
图7示出了装置2的替代设计。在该设计中，导流特征20还包括翅片23，该翅片23并不沿着通道25的整个高度延伸。
图8示出了包括单个流体通道结构4并且还包括输入歧管30和输出歧管32的实施例。流体通过输入歧管30进入装置2，并且被引导至多个入口10。在通过出口11流出流动空间8后，流体通过输出歧管32流出装置2。如果输入歧管30和输出歧管32之间的总流体压力下降的更多部分发生在入口10和出口11之间，则可以为进入装置2的较低压力的流体提供相同的冷却性能。因此，有利的是，将装置配置为使得入口10和出口11之间的流体压力下降占总流体压力下降的至少40％、可选的至少50％、可选的至少60％。
流过流动空间8的流体可以是水，也可以是空气等其他流体。装置2可以被配置为使得流过流动空间8的流体在流动空间8内部的期间不发生相变。该装置可以被配置为接收具有1巴至300巴、可选地10巴至200巴的压强的流体。
Claims (25)
1.一种射流冲击冷却装置，包括：
流体通道结构，构造成接合目标表面并由此限定流体能够流过的流动空间，所述流体通道结构包括：
多个入口，每个入口通向所述流动空间，并构造成允许流体从所述入口直接喷射到所述目标表面上并进入所述流动空间；
多个出口，每个出口通向所述流动空间，并构造成允许所述流体通过所述出口从所述流动空间中流出；和
多个导流特征，多个所述导流特征共同形成流体地连接所述入口和所述出口的多个通道，其中，所述导流特征被布置成使得通过流动空间从所述流动空间的面对任一入口的区域到所述流动空间的面对任一出口的区域没有直线路径，其中：
所述导流特征构造成使得在使用时与每个导流特征的表面接触的流体的时间平均流动方向更接近垂直于来自最近的入口的流体的喷射方向，而不是更接近平行于所述喷射方向，至少在所述导流特征的所述表面的大部分上是如此；并且
一对或多对所述入口和出口被配置为使得从成对的入口和出口中的入口喷射到所述目标表面上的流体的大部分通过同一对入口和出口中的出口从所述流动空间中流出。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，
所述目标表面是平面形的。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，
对于所述成对的入口和出口中的每一对，从所述流动空间的面对入口的区域到所述流动空间的面对出口的区域的流动路径由所述目标表面沿着整个流动路径而部分地限定，使得所述流体沿着整个流动路径连续地与所述目标表面接触。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，
一对或多对所述成对的入口和出口中的每对共用一个出口。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中，
对于一对或多对所述成对的入口和出口中的每对，通过成对的入口和出口中的出口从所述流动空间流出的流体的大部分是通过同一对入口和出口中的入口被喷射到所述目标表面的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，
所述流体通道结构可拆卸地接合在所述目标表面上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中：
所述目标表面包括在使用时被所述流体冷却的冷却区域；并且
所述入口中的至少一个设置在距所述冷却区域的外边界小于该入口的开口直径三倍的距离内。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，
所述冷却区域包括多个拐角，并且所述入口中的所述至少一个设置在距所述拐角之一小于该入口的开口直径三倍的距离内。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，
当所述流体通道结构接合所述目标表面时，一个或多个所述导流特征中的每个具有的高度等于一个或多个所述入口中的每个的开口与所述目标表面之间的距离。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，
当所述流体通道结构接合所述目标表面时，一个或多个所述导流特征中的每个延伸至与所述目标表面直接物理接触。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中：
所述装置包括串联布置的多个流体通道结构；和
所述串联布置使得在使用中经由所述多个流体通道结构中的第一流体通道结构的出口从第一流体通道结构的流动空间流出的流体经由所述多个流体通道结构中的第二流体通道结构的入口进入第二流体通道结构的流动空间。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，
所述第一流体通道结构的流动空间的尺寸小于所述第二流体通道结构的流动空间的尺寸。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，
所述出口的开口的总横截面积大于所述入口的开口的总横截面积。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，
所述流体通道结构和导流特征构造成使得所述流动空间中的流体流动主要是沿平行于所述目标表面的方向。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，
多个所述入口具有直径为0.1mm至5mm的开口。
16.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括：
输入歧管，流体通过所述输入歧管进入所述装置，和
输出歧管，流体通过所述输出歧管流出所述装置，
其中，所述装置配置为使得所述入口和所述出口之间的流体压力下降占所述输入歧管和所述输出歧管之间的总流体压力下降的40％以上。
17.一种使用射流冲击进行冷却的方法，包括：
提供与目标表面接合的流体通道结构，以限定流体能够流过的流动空间；
通过使流体经多个入口喷射入所述流动空间并喷射到所述目标表面上，以及使所述流体经多个出口从所述流动空间中流出，从而驱动所述流体流过所述流动空间；和
提供多个导流特征，多个所述导流特征共同形成流体地连接所述入口和所述出口的多个通道，其中，
所述导流特征被布置成使得通过流动空间从面对任一入口的区域到面对任一出口的区域没有直线路径；
与每个导流特征的表面接触的流体的时间平均流动方向更接近垂直于来自最近的入口的流体的喷射方向，而不是更接近平行于所述喷射方向，至少在所述导流特征的所述表面的大部分上是如此；并且
一对或多对所述入口和出口被配置为使得从成对的入口和出口中的入口喷射到所述目标表面上的流体的大部分通过同一对入口和出口中的出口从所述流动空间中流出。
18.根据权利要求17所述的方法，其中：
所述目标表面在与所述流体通道结构相反的一侧被热源加热；和
在所述目标表面的一个或多个目标区域中的每个处提供所述目标表面与在所述流动空间中流动的流体之间的最高的传热系数；并且
每个所述目标区域在该目标区域上平均的冷却需求比在整个目标表面上平均的平均冷却需求高至少5％，其中，
所述冷却需求定义为与所述目标区域正对的目标表面相反侧的区域从所述热源接收的热通量乘以与所述目标区域正对的所述目标表面相反侧的区域与所述目标区域之间的导热路径长度的乘积。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其中：
所述目标表面在与所述流体通道结构相反的一侧被热源加热；和
在所述目标表面的一个或多个目标区域中的每个处提供所述目标表面和与在所述流动空间中流动的流体之间的最高的传热系数，其中：
每个所述目标区域在该目标区域上平均的冷却需求比在整个目标表面上平均的平均冷却需求高至少一个标准差，其中，
所述冷却需求定义为与所述目标区域正对的目标表面相反侧的区域从所述热源接收的热通量乘以与所述目标区域正对的所述目标表面相反侧的区域与所述目标区域之间的导热路径长度的乘积。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法，其中：
多个所述流体通道结构设置为串联布置；和
所述串联布置使得经由所述多个流体通道结构中的第一流体通道结构的出口从第一流体通道结构的流动空间流出的流体经由所述多个流体通道结构中的第二流体通道结构的入口进入第二流体通道结构的流动空间。
21.根据权利要求20所述的方法，其中：
所述目标表面在与所述流体通道结构相反的一侧被热源加热；
所述第一流体通道结构与所述目标表面的第一子区域接合，并且所述第二流体通道结构与所述目标表面的第二子区域接合；和
所述第一子区域的冷却需求高于所述第二子区域的冷却需求；其中，
所述第一子区域的冷却需求定义为与所述第一子区域正对的目标表面相反侧的第一区域从所述热源接收的热通量乘以与所述第一子区域正对的所述目标表面相反侧的第一区域与所述第一子区域之间的导热路径长度的乘积在所述第一子区域上的平均值；和
所述第二子区域的冷却需求定义为与所述第二子区域正对的目标表面相反侧的第二区域从所述热源接收的热通量乘以与所述第二子区域正对的所述目标表面相反侧的第二区域与所述第二子区域之间的导热路径长度的乘积在所述第二子区域上的平均值。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其中，所述第一流体通道结构包括多个第一流体通道结构和/或所述第二流体通道结构包括多个第二流体通道结构。
23.根据权利要求17至22中任一项所述的方法，其中，从所述入口喷入的所述流体在所述流动空间内的期间不发生相变。
24.根据权利要求17至23中任一项所述的方法，其中，所述流体以大于4000的雷诺数从所述入口喷入。
25.根据权利要求17至24中任一项所述的方法，其中，以1巴至300巴的压强向所述入口提供流体。
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