本發(fā)明涉及一種針對大功率、超高熱流密度的噴霧冷卻高效散熱裝置。

背景技術(shù)：

高熱流密度散熱技術(shù)主要針對大功率微電子機(jī)械和芯片、航空航天熱控、大功率固體激光冷卻、高能粒子加速器靶系統(tǒng)等散熱熱流密度高和空間要求苛刻、傳統(tǒng)冷卻方式已不能滿足要求的領(lǐng)域。

噴霧冷卻是一種針對高熱流密度的有效散熱方式，由于其具有散熱能力強(qiáng)、工質(zhì)需求量小、過熱度低和接觸熱阻小等優(yōu)點(diǎn)，在電子器件、激光陣列、離子束陣列等高熱流密度的強(qiáng)制散熱領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

在當(dāng)前噴霧冷卻技術(shù)的研究中，較多集中在發(fā)熱面較小的情形，其中噴霧覆蓋范圍較小、分布不均勻、霧化不充分等因素，極大制約其散熱效率和適用場合。因此，如何實(shí)現(xiàn)噴霧噴頭的緊湊布置，優(yōu)化噴霧噴頭的設(shè)計(jì)，使其可以覆蓋較大范圍且保持高效散熱能力，從而拓寬噴霧冷卻的應(yīng)用領(lǐng)域，成為噴霧冷卻領(lǐng)域亟待解決的問題。

目前噴霧冷卻技術(shù)大多應(yīng)用于空曠或開敞的空間，而在緊湊的空間內(nèi)，對大面積發(fā)熱表面布置陣列噴霧噴頭面臨兩個(gè)問題：各個(gè)噴嘴的壓力不均衡，導(dǎo)致噴霧流速差異較大，從而造成發(fā)熱表面的散熱效果不均勻；霧滴在發(fā)熱表面汽化后，在封閉空間內(nèi)容易造成氣體或液體累積，從而導(dǎo)致無法有效形成噴霧，噴霧冷卻失效。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于陣列噴霧的高效散熱裝置，以使噴霧冷卻能夠應(yīng)用于緊湊空間內(nèi)的較大發(fā)熱表面，提供高效的散熱能力。

為此，本發(fā)明提供了一種基于陣列噴霧的高效散熱裝置，包括受熱工件；腔體端蓋，與所述受熱工件構(gòu)成封閉霧化腔體，用于安裝噴嘴；多個(gè)噴嘴，陣列地設(shè)置在所述腔體端蓋上，用于朝向所述受熱工件的受熱表面進(jìn)行噴霧；以及工質(zhì)壓力分配器，用于將換熱工質(zhì)分配至所述多個(gè)噴嘴上，使所述多個(gè)噴嘴處于均壓狀態(tài)，其中，所述腔體端蓋的安裝姿態(tài)滿足所述陣列噴嘴采用向上噴霧的方式，并且所述腔體端蓋上設(shè)置工質(zhì)排放孔。

進(jìn)一步地，上述基于陣列噴霧的高效散熱裝置還包括工質(zhì)壓力緩沖器，與所述工質(zhì)排放孔連接，用于換熱工質(zhì)的氣液分離。

進(jìn)一步地，上述工質(zhì)壓力分配器包括環(huán)管和與所述環(huán)管連通的多個(gè)噴管，其中，所述多個(gè)噴管與所述多個(gè)噴嘴一一對應(yīng)地連接。

進(jìn)一步地，上述基于陣列噴霧的高效散熱裝置還包括水箱、驅(qū)動(dòng)泵、緩沖器，其中，所述驅(qū)動(dòng)泵用于將水箱中的換熱工質(zhì)在經(jīng)過所述緩沖器緩沖后輸送至所述工質(zhì)壓力分配器。

進(jìn)一步地，上述受熱工件為高能粒子加速器靶系統(tǒng)的靶盤。

進(jìn)一步地，上述腔體端蓋為扁薄圓盤結(jié)構(gòu)，具有多個(gè)預(yù)留通孔接頭，用于安裝所述噴嘴和測量探頭。

進(jìn)一步地，上述用于安裝所述多個(gè)噴嘴的通孔接頭呈同心環(huán)狀排列，所述工質(zhì)排放孔位于所述同心環(huán)狀排列的通孔接頭的環(huán)狀中心。

進(jìn)一步地，上述噴嘴為旋流霧化噴嘴。

進(jìn)一步地，上述工質(zhì)壓力緩沖器包括緩沖容器，其中，所述緩沖容器的頂部設(shè)有與所述工質(zhì)排放孔相連的排放接收孔，所述緩沖容器的上部是中空的并且通過排氣孔將未液化的氣體排出，以保持中空區(qū)域?yàn)樵O(shè)定壓力，所述緩沖容器的底部設(shè)有排液孔。

本發(fā)明基于陣列噴霧的原理，并巧妙利用工質(zhì)壓力分配器將換熱工質(zhì)均衡且高效的輸送到發(fā)熱表面，均勻冷卻發(fā)熱表面；同時(shí)，利用工質(zhì)壓力緩沖器將噴霧冷卻后產(chǎn)生的氣體和液體進(jìn)行分離，液體經(jīng)排出孔被回收泵輸送到冷源，形成換熱回路；工質(zhì)壓力分配器的設(shè)計(jì)，能夠有效的對陣列噴霧進(jìn)行管理，工質(zhì)壓力緩沖器的設(shè)計(jì)能夠使得氣液分離，從而使霧化空間內(nèi)壓力穩(wěn)定在一個(gè)大氣壓，使噴霧能夠穩(wěn)定持續(xù)且高效的運(yùn)行下去。上述設(shè)計(jì)將噴霧冷卻技術(shù)從單噴嘴，擴(kuò)展到多噴嘴，可針對大尺寸、高熱流密度部件進(jìn)行有效散熱。

本發(fā)明可單獨(dú)使用，亦可與高速旋轉(zhuǎn)等其他結(jié)構(gòu)聯(lián)用，為大功率微電子機(jī)械和芯片、航空航天熱控、大功率固體激光冷卻、高能粒子加速器靶系統(tǒng)等領(lǐng)域內(nèi)的散熱問題提供有效的散熱手段。

除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。下面將參照圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的基于陣列噴霧的高效散熱裝置的工作流程圖，圖中展示了系統(tǒng)工作所需的一些設(shè)備/部件/裝置；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的基于陣列噴霧的高效散熱裝置的結(jié)構(gòu)分解圖，其中1為工質(zhì)壓力分配器；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的基于陣列噴霧的高效散熱裝置的腔體端蓋的立體結(jié)構(gòu)示意圖；以及

圖4是根據(jù)本發(fā)明的基于陣列噴霧的高效散熱裝置的工質(zhì)壓力緩沖器示意圖，在壓力緩沖器中實(shí)現(xiàn)氣液分離。

附圖標(biāo)記說明

1、工質(zhì)壓力分配器； 2、腔體端蓋；

3、密封圈； 4、噴嘴；

5、受熱工件； 6、緊固螺栓；

7、噴嘴安裝孔； 8、探測器安裝孔；

9、工質(zhì)排放孔； 10、排放接收孔；

11、排氣孔； 12、排液孔。

具體實(shí)施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。

圖1至圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例。

結(jié)合參照圖1和圖2，基于陣列噴霧的高效散熱裝置包括腔體端蓋2、受熱工件5、多個(gè)噴嘴(噴霧噴頭)4和工質(zhì)壓力分配器1。其中，腔體端蓋2與受熱工件5相連，組合成封閉霧化腔體，由工質(zhì)壓力分配器1向多個(gè)噴嘴4分配換熱工質(zhì)。

在本發(fā)明中，換熱工質(zhì)經(jīng)過壓力分配器分液進(jìn)入各個(gè)噴霧噴頭，陣列噴嘴采用向上噴霧的方式，通過噴嘴霧化冷卻受熱工件上的發(fā)熱表面，最后高溫工質(zhì)從腔體端蓋底部的工質(zhì)排放孔排出，達(dá)到對受熱工件的發(fā)熱表面進(jìn)行散熱的目的。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)直徑達(dá)數(shù)百毫米的大尺寸工件的高效、均勻散熱。

在一實(shí)施例中，上述基于陣列噴霧的高效散熱裝置和其他部件構(gòu)成一循環(huán)冷卻系統(tǒng)，水箱中的換熱工質(zhì)在驅(qū)動(dòng)泵的作用下經(jīng)過過濾器、儀表、緩沖器、閥門等輸送至工質(zhì)壓力分配器1中，工質(zhì)壓力分配器1與噴霧噴頭4相連，使換熱工質(zhì)處于均壓狀態(tài)，經(jīng)霧化后噴射到受熱工件5進(jìn)行冷卻，換熱工質(zhì)被加熱后會(huì)發(fā)生相變，換熱效率得到提高，經(jīng)過上述過程后形成的高溫氣液混合物經(jīng)腔體端蓋的工質(zhì)排放孔9排放至工質(zhì)壓力緩沖器中實(shí)現(xiàn)氣液分離，緩沖器中氣體經(jīng)排氣孔11排放至大氣中，高溫液體經(jīng)排液孔12被回收泵回收至制冷機(jī)組、參與熱交換，然后至水箱繼續(xù)參與冷卻，構(gòu)成一循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

結(jié)合參照圖1至圖4，本實(shí)施例的散熱對象為靶盤，該靶盤與腔體端蓋2構(gòu)成密封的噴霧空腔，利用噴嘴對冷卻工質(zhì)進(jìn)行霧化，對靶盤進(jìn)行冷卻。液體的冷卻工質(zhì)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入工質(zhì)壓力分配器，經(jīng)工質(zhì)壓力分配器均壓后，冷卻工質(zhì)以相同的壓力，均勻分配到環(huán)形分布的噴嘴中，然后經(jīng)過噴嘴的霧化，在噴霧腔內(nèi)破碎成細(xì)小液滴，細(xì)小液滴高速撞擊到靶盤上，最后高溫液體和蒸汽從腔體端蓋中間的排放口排出到工質(zhì)壓力緩沖器中。壓力緩沖容器上端開有排氣孔，與外界大氣聯(lián)通，避免容器內(nèi)造成液體堆積而導(dǎo)致的霧化腔積液，提高霧化散熱效果。工質(zhì)壓力緩沖容器下方是液體且有回收泵接口，及時(shí)將工質(zhì)排出至冷源，最終實(shí)現(xiàn)散熱目的。

在一實(shí)施例中，上述腔體端蓋為扁薄圓盤結(jié)構(gòu)(可視發(fā)熱表面形狀和大小調(diào)節(jié))，上面有多個(gè)預(yù)留通孔接頭(具體數(shù)目可根據(jù)發(fā)熱情況增減)，腔體內(nèi)外可由通孔連接；通孔上可安裝噴頭，亦可安裝測量探頭，通孔可根據(jù)發(fā)熱情況布置數(shù)目和位置，可設(shè)置多層；腔體端蓋安裝噴嘴等設(shè)備后，與靶盤連接組合成封閉腔體，噴霧方向朝上，冷卻上方靶盤上的發(fā)熱靶面；腔體端蓋正中間有一較大排液口，排液口跟工質(zhì)壓力緩沖器連接，工質(zhì)壓力緩沖器與回收泵連接。

在一實(shí)施例中，上述靶盤為圓形銅合金片，在本工況中，靶盤與腔體端蓋相連，靶盤受環(huán)帶狀熱源加熱，靶盤的散熱由腔體內(nèi)均勻分布的若干噴霧噴頭實(shí)現(xiàn)，熱量基于射流和相變換熱的機(jī)理由冷卻工質(zhì)帶走。

在一實(shí)施例中，上述噴嘴為旋流霧化噴嘴，包括導(dǎo)流片和霧化腔，其尾部連接到腔體端蓋。

在一實(shí)施例中，上述工質(zhì)壓力分配器為內(nèi)外側(cè)設(shè)有進(jìn)出口的環(huán)管，用于分配液體，使較大流量的液體工質(zhì)均勻分配到每個(gè)噴嘴?？筛鶕?jù)發(fā)熱表面的實(shí)際形狀和尺寸設(shè)置多組工質(zhì)壓力分配器，每組工質(zhì)壓力分配器上的噴管個(gè)數(shù)也可設(shè)置不同數(shù)目。如圖2中所示，針對本工況的環(huán)形加熱面共設(shè)置兩組工質(zhì)壓力分配器，第一組對最外圈散熱，噴嘴數(shù)量較多；第二組對內(nèi)圈散熱，噴嘴數(shù)量較少。具體數(shù)量可針對實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

在一實(shí)施例中，工質(zhì)壓力緩沖器為一上部開有排氣孔，底部開有排液孔的緩沖容器，如圖4所示。緩沖器中的液體經(jīng)排液孔被回收泵抽走參與冷卻換熱；排氣孔與大氣連接，緩沖器的上部是中空的，通過排氣孔將未液化的氣體排出并保持中空區(qū)域的壓力為一個(gè)大氣壓。如此設(shè)計(jì)可保證腔體端蓋與靶盤之間的空間處于液體不飽和狀態(tài)，有利于噴霧換熱的進(jìn)行。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。