CN209541785U - 低温喷雾冷却实验装置 - Google Patents
低温喷雾冷却实验装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN209541785U CN209541785U CN201920068135.XU CN201920068135U CN209541785U CN 209541785 U CN209541785 U CN 209541785U CN 201920068135 U CN201920068135 U CN 201920068135U CN 209541785 U CN209541785 U CN 209541785U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- liquid nitrogen
- heat sink
- spraying
- nozzle
- spraying chamber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000001816 cooling Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 238000002663 nebulization Methods 0.000 title claims abstract description 14
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 196
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 98
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 67
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims abstract description 53
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 10
- 239000007921 spray Substances 0.000 abstract description 9
- 230000004907 flux Effects 0.000 abstract description 8
- 238000012800 visualization Methods 0.000 abstract description 4
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 abstract description 3
- 238000009413 insulation Methods 0.000 abstract description 2
- 238000013480 data collection Methods 0.000 abstract 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 2
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 208000021760 high fever Diseases 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000011017 operating method Methods 0.000 description 1
- 238000010025 steaming Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
本实用新型提供低温喷雾冷却实验装置，属于冷却实验装置。所述实验装置包括液氮供液系统、喷雾腔系统、可视化和数据采集系统；所述液氮供液系统包括液氮管路和排空旁路，所述喷雾腔系统外壳由绝热层和预冷通道构成，并与真空泵、压力传感器、温度传感器连接，内部包含热沉、喷嘴、温度传感器，所述可视化和数据采集系统包含数据采集器、光源和高速摄像机。本实用新型充分利用喷雾时液氮迅速蒸发产生的低温蒸气经过预冷通道对喷雾腔内部预冷，实现制冷剂的多级利用，提高了液氮喷雾冷却性能，利用高速摄像机将喷雾冷却过程可视化。本装置通过将液氮雾化成大量细小液滴喷淋在热沉表面带走大量热量，实现高热流密度表面的快速冷却。
Description
技术领域
本实用新型涉及低温喷雾冷却实验装置，尤其用于高热流密度散热问题，本实用新型还涉及该系统的操作方法，具有喷雾腔绝热性能优越、低温工质利用率高、热沉面快速冷却、喷雾冷却过程可视化等特点。
背景技术
众多研究结果表明常规冷却技术（强制风冷和强制水冷等）无法满足大功率设备高热流密度的散热需求，更无法满足低温环境试验条件的需求。因此必须使用新型冷却技术解决热流密度集聚问题。喷雾冷却技术具有传热系数大、温度均匀性好、过热度小、临界热流密度高和循环流量低的特点，是最具有竞争力的高热流密度热控制技术。
本实用新型采用液氮喷雾冷却，通过液氮雾化的大量细小液滴撞击热沉面发生相变带走大量热量，有效控制机载设备高热流密度聚集引发的性能下降的问题。本实用新型意在通过这种低温喷雾冷却方式，实现对热沉面的快速冷却，充分利用液氮蒸发的低温氮气进行预冷，达到制冷剂的多级利用、降低系统设备的投资、节约运行成本的目的。
实用新型内容
本实用新型目的在于解决航空航天领域中高功率激光技术、电子元器件高度集成与微型化等技术大量运用导致的高热流密度散热问题，提供低温喷雾冷却实验装置，利用本实用新型，通过将液氮雾化成大量细小液滴喷淋在热沉表面带走大量热量，实现高热流密度表面的快速冷却。
实验装置包括喷雾腔；喷雾腔外层由内向外依次设置预冷通道、真空层、保温层；所述预冷通道内壁设置有使喷雾腔和预冷通道相通的入口，预冷通道外壁设置有出口，出口通过管道依次穿过上述真空层和上述保温层与外部真空泵连接；
上述喷雾腔内安装有喷嘴和热沉；喷嘴位于喷雾腔水平方向中心，热沉位于其正下方；喷雾腔内部还安装有温度传感器、压力传感器、光源、高速摄像机和数据采集器；数据采集器与温度传感器和压力传感器以及高速摄像机连接；
该实验装置还包括高压氮气瓶；高压氮气瓶出口通过减压阀、压力传感器后分别连接排空旁路和液氮管路两个支路；两个支路合并后与液氮池入口连接；所述排空旁路上设置截止阀，所述液氮管路上依次设置截止阀、液氮杜瓦罐、低温电磁阀；所述液氮池出口经过流量计后连接上述喷雾腔内部的喷嘴；所述流量计与喷嘴之间的管道依次穿过保温层、真空层、预冷通道；上述液氮杜瓦罐顶部接有泄压阀和压力传感器。
本实用新型还涉及低温喷雾冷实验装置的使用方法，该方法步骤如下：
在实验开始前，除泄压阀之外所有阀门均处于关闭状态。
步骤一，首先开启光源和高速摄像机，调整喷雾腔内喷嘴距热沉顶面的距离，固定喷嘴高度，依次打开减压阀和排空旁路的截止阀，使氮气依次通过排空旁路、液氮池、流量计、喷嘴进入喷雾腔内部，从而排除喷雾腔内的空气；
步骤二，启动真空泵，维持喷雾腔内压力在1 MPa附近，持续排空过程至喷雾腔内空气完全置换成氮气；
步骤三，关闭排空旁路上的截止阀，开启液氮管路上的截止阀和低温电磁阀，使液氮杜瓦罐内的液氮在高压氮气的作用下排入液氮管路，液氮先经过液氮池预冷至78 K附近，通过流量计测量液氮进入喷嘴时的体积流率，记录体积流率及喷嘴入口温度；
步骤四，为防止液氮经喷嘴喷出后直接气化，无法以液滴的形式撞击热沉顶面进行换热，必须先向喷雾腔内喷射液氮，降低喷雾腔内部环境温度，待热沉顶面温度降至80 K左右，喷雾腔内压力稳定在设定压力时，记录喷雾腔内压力及温度；
步骤五，逐渐增加热沉的加热功率，直至热沉顶面出现干涸，每次提高加热功率后要有足够时间确保温度稳定，并记录功率值及温度；
步骤六，当热沉顶面出现干涸，加热功率开始随着热沉顶面温度的增加而降低，为了防止烧毁设备，需及时关闭热沉加热的电源，保持喷雾系统工作，直至热沉顶面的温度回落至80 K时，停止数据记录，并关依次闭减压阀、液氮管路的截止阀和低温电磁阀。
所述高压氮气瓶内的氮气将存贮在液氮杜瓦罐内的液氮排入液氮管路经液氮池预冷后进入喷嘴，液氮雾化成大量细小液滴喷淋在热沉顶部表面带走大量热量，实现高热流密度表面的快速冷却；一方面，由于液氮沸点较低，必须将喷雾腔内的空气排出，否则容易在喷嘴出口发生冰堵，另一方面，环境温度相对较高，液氮雾化后即快速蒸发并大量产生低温蒸气，喷雾腔内压力增大，迫使低温蒸气经预冷通道入口进入预冷通道并绕喷雾腔一周后排除腔外，可以有效对喷雾腔内进行预冷，抑制液滴在撞击热沉顶部表面之前快速蒸发完全。
所述喷嘴上方设有温度传感器，用于测量进入喷嘴液氮的温度。
所述热沉高度可调，热沉顶面面积1 cm2，通过调整热沉高度确保雾化径向面积与热沉顶面面积一致，热沉顶面材料为紫铜，距热沉顶面1mm处设有温度传感器，用于测量热沉表面温度。
本实用新型涉及低温喷雾冷却实验装置，由于采用上述技术方案，液氮经液氮池遇冷后进入喷嘴后雾化成大量细小液滴喷淋到热沉顶部表面，液氮蒸发后产生的低温氮气经过预冷通道对喷雾腔内部预冷，实现了对热沉面的快速冷却以及制冷剂的多级利用，有效解决了高热流密度聚集问题。
附图说明
图1是本实用新型低温喷雾冷却实验装置组成示意图；
图中标号名称：1高压氮气瓶、2减压阀、3压力传感器、4截止阀、5液氮杜瓦罐、6泄压阀、7排空旁路、8低温电磁阀、9液氮管路、10液氮池、11流量计、12数据采集器、13保温层、14真空层、15预冷通道、16高速摄像机、17喷嘴、18热沉、19真空泵、20光源、21温度传感器、22喷雾腔。
具体实施方式
以下结合图1说明本实用新型的低温喷雾冷却实验装置，该装置包括：高压氮气瓶1与加压阀2、截止阀4、液氮杜瓦罐5、低温电磁阀8分别组成排空旁路7、液氮管路9，排空旁路7和液氮管路9并联后经过液氮池10、流量计11与喷嘴17连接，热沉18顶部表面为热沉面，真空泵19与预冷通道15左侧顶部的管道连接，保温层13、真空层14为喷雾腔绝热层，压力传感器3、温度传感器21、高速摄像机16与外部数据采集器12连接。
系统开启后首先要打开排空旁路7将喷雾腔22内的气体充分置换成氮气，以防止液氮喷雾时发生冰堵；高压氮气瓶1内的氮气将存贮在液氮杜瓦罐5内的液氮排入液氮管路9经液氮池10预冷后进入喷嘴17，液氮雾化成大量细小液滴喷淋在热沉18顶部表面带走大量热量，实现高热流密度表面的快速冷却；液氮池10为了确保液氮进入喷嘴17时温度保持78 K附近；预冷通道15的目的是充分利用液氮雾化后蒸发的低温氮气降低喷雾腔22内温度，在预冷通道15右侧顶部通道入口引导蒸发的氮气绕通道一周后通过预冷通道15左侧顶部出口排出喷雾腔22外；真空泵19用于稳定喷雾腔22内的压力在1 MPa；热沉18功率可调；光源20和高速摄像机16用于捕捉喷雾冷却动态。
上述液氮杜瓦罐5为液氮供液设备，为实验装置提供可靠充足的液氮，液氮杜瓦罐5与压力传感器3和泄压阀6连接防止液氮长期存贮过程中缓慢蒸发导致液氮杜瓦罐5内压力增大；
低温喷雾冷实验装置的使用方法，该方法步骤如下：
在实验开始前，除泄压阀6之外所有阀门均处于关闭状态。
步骤一，首先开启光源20和高速摄像机16，调整喷雾腔22内喷嘴17距热沉18顶面的距离，固定喷嘴高度，依次打开减压阀2和排空旁路7的截止阀4，使氮气依次通过排空旁路7、液氮池10、流量计11、喷嘴17进入喷雾腔22内部，从而排除喷雾腔22内的空气；
步骤二，启动真空泵19，维持喷雾腔22内压力在1 MPa附近，持续排空过程至喷雾腔22内空气完全置换成氮气；
步骤三，关闭排空旁路7上的截止阀4，开启液氮管路9上的截止阀4和低温电磁阀8，使液氮杜瓦罐5内的液氮在高压氮气的作用下排入液氮管路9，液氮先经过液氮池10预冷至78 K附近，通过流量计11测量液氮进入喷嘴17时的体积流率，记录体积流率及喷嘴入口温度；
步骤四，为防止液氮经喷嘴喷出后直接气化，无法以液滴的形式撞击热沉18顶面进行换热，必须先向喷雾腔22内喷射液氮，降低喷雾腔22内部环境温度，待热沉18顶面温度降至80 K左右，喷雾腔22内压力稳定在设定压力时，记录喷雾腔内22压力及温度；
步骤五，逐渐增加热沉18的加热功率，直至热沉18顶面出现干涸，每次提高加热功率后要有足够时间确保温度稳定，并记录功率值及温度。
步骤六，当热沉18顶面出现干涸，加热功率开始随着热沉18顶面温度的增加而降低，为了防止烧毁设备，需及时关闭热沉18加热的电源，保持喷雾系统工作，直至热沉18顶面的温度回落至80 K时，停止数据记录，并关依次闭减压阀2、液氮管路9的截止阀4和低温电磁阀8。
Claims (3)
1.一种低温喷雾冷却实验装置，其特征在于，
该实验装置包括喷雾腔（22）；喷雾腔（22）外层由内向外依次设置预冷通道（15）、真空层（14）、保温层（13）；所述预冷通道（15）内壁设置有使喷雾腔（22）和预冷通道（15）相通的入口，预冷通道（15）外壁设置有出口，出口通过管道依次穿过上述真空层（14）和上述保温层（13）与外部真空泵（19）连接；
上述喷雾腔（22）内安装有喷嘴（17）和热沉（18）；喷嘴（17）位于喷雾腔（22）水平方向中心，热沉（18）位于其正下方；喷雾腔（22）内部还安装有温度传感器（21）、压力传感器（3）、光源（20）、高速摄像机（16）和数据采集器（12）；数据采集器（12）与温度传感器（21）、压力传感器（3）以及高速摄像机（16）连接；
该实验装置还包括高压氮气瓶（1）；高压氮气瓶（1）出口通过减压阀（2）、压力传感器（3）后分别连接排空旁路（7）和液氮管路（9）两个支路；两个支路合并后与液氮池（10）入口连接；所述排空旁路（7）上设置截止阀（4），所述液氮管路（9）上依次设置截止阀（4）、液氮杜瓦罐（5）、低温电磁阀（8）；所述液氮池（10）出口经过流量计（11）后连接上述喷雾腔（22）内部的喷嘴（17）；所述流量计（11）与喷嘴（17）之间的管道依次穿过保温层（13）、真空层（14）、预冷通道（15）；上述液氮杜瓦罐（5）顶部接有泄压阀（6）和压力传感器（3）。
2.根据权利要求1所述的低温喷雾冷却实验装置，其特征在于：所述喷嘴（17）上方设有温度传感器（21）。
3.根据权利要求1所述的低温喷雾冷却实验装置，其特征在于：所述热沉（18）高度可调，热沉（18）顶面材料为紫铜，距热沉（18）顶面1mm处设有温度传感器（21），用于测量热沉表面温度，热沉顶面面积1 cm2。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201920068135.XU CN209541785U (zh) | 2019-01-16 | 2019-01-16 | 低温喷雾冷却实验装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201920068135.XU CN209541785U (zh) | 2019-01-16 | 2019-01-16 | 低温喷雾冷却实验装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN209541785U true CN209541785U (zh) | 2019-10-25 |
Family
ID=68269762
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201920068135.XU Expired - Fee Related CN209541785U (zh) | 2019-01-16 | 2019-01-16 | 低温喷雾冷却实验装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN209541785U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109682412A (zh) * | 2019-01-16 | 2019-04-26 | 南京航空航天大学 | 低温喷雾冷却实验装置及方法 |
-
2019
- 2019-01-16 CN CN201920068135.XU patent/CN209541785U/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109682412A (zh) * | 2019-01-16 | 2019-04-26 | 南京航空航天大学 | 低温喷雾冷却实验装置及方法 |
| CN109682412B (zh) * | 2019-01-16 | 2023-11-07 | 南京航空航天大学 | 低温喷雾冷却实验装置的使用方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109682412A (zh) | 低温喷雾冷却实验装置及方法 | |
| CN109668714B (zh) | 低温液滴撞击刚性壁面实验装置及方法 | |
| CN209745517U (zh) | 低温液滴撞击刚性壁面实验装置 | |
| CN110530603A (zh) | 低沸点高挥发性介质常压环境液滴生成、蒸发性观测与撞壁试验系统及方法 | |
| CN209541785U (zh) | 低温喷雾冷却实验装置 | |
| CN109945565A (zh) | 气-液直接接触式流态冰制备系统 | |
| US4894077A (en) | Method of accumulating and restituting cold and device for implementing such method | |
| CN108362025A (zh) | 一种使用相变材料冷却喷雾介质和使用微通道换热器防止失效的机载喷雾冷却系统 | |
| CN207399727U (zh) | 一种使用引射器创造负压环境的机载喷雾冷却系统 | |
| CN108168140A (zh) | 一种使用辐射板冷却循环水的机载喷雾冷却系统 | |
| CN108836470A (zh) | 一种基于防止喷嘴结霜的液态co2闪蒸喷雾的快速冷却装置 | |
| CN104755862B (zh) | 用于利用水热源来提供冷水、热水和冰块的制冰机系统 | |
| CN107172865A (zh) | 一种使用喷雾冷却和吸附式制冷的机载高热流密度设备热管理系统 | |
| CN208205489U (zh) | 一种使用相变材料冷却喷雾介质和使用微通道换热器防止失效的机载喷雾冷却系统 | |
| CN209499885U (zh) | 一种低温氮气冷冻消融系统 | |
| CN108061402B (zh) | 真空雾化相变制冷设备 | |
| CN104315635B (zh) | 中小型大温差双工况动态流态冰冰蓄冷空调 | |
| CN104567061B (zh) | 一种双工况液态冰冷水机组 | |
| CN209207270U (zh) | 一种利用过冷水制备冰粒气体射流的装置 | |
| KR101188948B1 (ko) | 드라이아이스 분사 시스템 | |
| CN109262474A (zh) | 一种利用过冷水制备冰粒气体射流的装置和方法 | |
| CN207219254U (zh) | 一种使用喷雾冷却和吸附式制冷的机载高热流密度设备热管理系统 | |
| CN206496565U (zh) | 制冷装置 | |
| KR101191033B1 (ko) | 스노우 제어 시스템 | |
| CN208457574U (zh) | 一种空温气化器冷量回收系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20191025 Termination date: 20210116 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |