本發(fā)明涉及高熱流密度強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域，特別是涉及一種單相區(qū)噴霧冷卻主動催生氣泡強(qiáng)化傳熱的裝置及方法。

背景技術(shù)：

噴霧冷卻作為一種高效的高熱流密度散熱方式，在高功率激光武器、高集成度電子元器件等大熱流密度散熱條件下具有廣闊應(yīng)用前景。據(jù)研究，兩相區(qū)噴霧冷卻過程包括四種傳熱機(jī)制（如圖4所示）：液滴擊打表面換熱、液膜沖刷表面換熱、表面與環(huán)境換熱、液膜內(nèi)的沸騰換熱（其中沸騰氣泡分為壁面成核氣泡和二次成核氣泡）。兩相區(qū)噴霧冷卻優(yōu)于單相區(qū)的主因之一為成核氣泡。成核氣泡強(qiáng)化傳熱的機(jī)制在于：噴霧冷卻成核氣泡數(shù)量大，且噴霧液滴擊碎成核氣泡形成的真空區(qū)誘使液膜高速湍動，強(qiáng)化熱沉表面與液膜之間的換熱。

通常認(rèn)為，當(dāng)電子元器件的溫度達(dá)到80℃以上時，其工作能力將迅速下降直至失效，這就導(dǎo)致以常壓工況下水為代表的制冷工質(zhì)無法在兩相區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)噴霧冷卻換熱。本發(fā)明專利擬基于成核氣泡的強(qiáng)化傳熱機(jī)理，在單相區(qū)噴霧冷卻過程中采用脈沖氣注的方式，在液膜內(nèi)主動催生氣泡，強(qiáng)化單相區(qū)噴霧冷卻性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述存在的問題，本發(fā)明提供一種單相區(qū)噴霧冷卻主動催生氣泡強(qiáng)化傳熱的裝置及方法，基于成核氣泡的強(qiáng)化傳熱機(jī)理，在單相區(qū)噴霧冷卻過程中采用脈沖氣注的方式，在液膜內(nèi)主動催生氣泡，強(qiáng)化單相區(qū)噴霧冷卻性能，解決單相區(qū)噴霧冷卻傳熱系數(shù)低于兩相區(qū)噴霧冷卻的問題，為達(dá)此目的，本發(fā)明提供一種單相區(qū)噴霧冷卻主動催生氣泡強(qiáng)化傳熱的裝置，包括電磁閥一、噴嘴、多孔高導(dǎo)熱材料、進(jìn)氣環(huán)路、氣體通道、熱沉表面、電磁閥二和控制器，所述熱沉表面上設(shè)置氣體通道和多孔高導(dǎo)熱材料，所述控制器通過信號控制電磁閥一和電磁閥二，所述多孔高導(dǎo)熱材料通過真空擴(kuò)散焊的方式嵌入熱沉表面內(nèi)，其導(dǎo)熱系數(shù)與熱沉表面的導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)，所述多孔高導(dǎo)熱材料與熱沉表面內(nèi)的氣體通道連接，所述熱沉表面上方固定安裝有噴嘴，所述熱沉表面的周側(cè)固接進(jìn)氣環(huán)路，進(jìn)液口通過電磁閥一接噴嘴，進(jìn)氣口通過電磁閥二接進(jìn)氣環(huán)路。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述噴嘴有1-5個，根據(jù)熱源的散熱面積，噴嘴的數(shù)量可以是1個或多個，多個噴嘴時采用點(diǎn)陣式布局，保證噴霧區(qū)域?qū)ι岜砻娴娜指采w。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述進(jìn)氣環(huán)路與進(jìn)氣口相切，進(jìn)氣口與進(jìn)氣環(huán)路相切，保證進(jìn)氣環(huán)路內(nèi)的氣體進(jìn)入各氣體通道時流量分配均勻。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述氣體通道有1-10對，在保證氣體阻力滿足要求及流量分配均勻的前提下，通道直徑不應(yīng)過大且數(shù)量不宜過多，防止熱源的熱量在傳遞過程中造成過大的熱阻，影響快速散熱。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述控制器通過開關(guān)信號控制電磁閥一的啟閉，通過脈沖信號控制電磁閥二的啟閉，控制器通過采集電磁閥一的信號，決定電磁閥二是否開啟；電磁閥二開啟時，控制器給出脈沖信號，控制電磁閥二間斷高頻送氣，防止持續(xù)送氣時氣體在液膜內(nèi)無法鼓泡。

本發(fā)明提供一種單相區(qū)噴霧冷卻主動催生氣泡強(qiáng)化傳熱的裝置的使用方法，工作過程中當(dāng)熱源由于工作需要產(chǎn)生高熱流密度的熱量時，熱量通過熱沉表面、多孔高導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱，此時控制器控制電磁閥一開啟噴霧冷卻裝置，霧狀液滴到達(dá)多孔高導(dǎo)熱材料形成液膜，同時控制器通過脈沖信號控制電磁閥二間斷高頻送氣，氣體流經(jīng)進(jìn)氣環(huán)路、氣體通道、多孔高導(dǎo)熱材料進(jìn)入液膜并形成氣泡，氣泡受噴霧液滴的作用被快速擊破，原氣泡區(qū)形成真空區(qū)誘使液膜強(qiáng)烈湍動，增強(qiáng)液膜與熱表面之間的對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，強(qiáng)化換熱。

本發(fā)明一種單相區(qū)噴霧冷卻主動催生氣泡強(qiáng)化傳熱的裝置及方法，該裝置借鑒兩相區(qū)噴霧冷卻成核氣泡強(qiáng)化傳熱的機(jī)理，在單相區(qū)噴霧冷卻過程中熱沉表面上設(shè)置氣體通道和多孔高導(dǎo)熱材料，結(jié)合控制器對電磁閥二的脈沖控制，實(shí)現(xiàn)熱沉表面脈沖式高頻送氣，在液膜內(nèi)主動催生氣泡，利用噴霧液滴快速擊破氣泡形成真空區(qū)，引起液膜高速湍動，強(qiáng)化換熱。與常規(guī)的單相區(qū)噴霧冷卻方法相比，本發(fā)明專利提供的方法具有催生氣泡均勻、傳熱系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明單相區(qū)噴霧冷卻主動催生氣泡強(qiáng)化傳熱裝置系統(tǒng)圖。

圖2為本發(fā)明復(fù)合熱沉表面結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明復(fù)合熱沉表面結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖4為兩相區(qū)噴霧冷卻傳熱機(jī)制示意圖。

圖中的標(biāo)號名稱：1.電磁閥一；2.噴嘴；3.多孔高導(dǎo)熱材料；4.進(jìn)氣環(huán)路；5.氣體通道；6.熱沉表面；7.電磁閥二；8.控制器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

本發(fā)明提供一種單相區(qū)噴霧冷卻主動催生氣泡強(qiáng)化傳熱的裝置及方法，基于成核氣泡的強(qiáng)化傳熱機(jī)理，在單相區(qū)噴霧冷卻過程中采用脈沖氣注的方式，在液膜內(nèi)主動催生氣泡，強(qiáng)化單相區(qū)噴霧冷卻性能，解決單相區(qū)噴霧冷卻傳熱系數(shù)低于兩相區(qū)噴霧冷卻的問題，具有催生氣泡均勻、傳熱系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)。

如圖1所示，本發(fā)明中所述的單相區(qū)噴霧冷卻主動催生氣泡強(qiáng)化傳熱裝置，由電磁閥一1、噴嘴2、多孔高導(dǎo)熱材料3、進(jìn)氣環(huán)路4、氣體通道5、熱沉表面6、電磁閥二7、控制器8及其相關(guān)管路配件構(gòu)成，現(xiàn)以實(shí)心圓錐單噴嘴單相區(qū)噴霧冷卻為例，闡述本發(fā)明裝置的具體實(shí)施過程。

根據(jù)熱源散熱面積的需要，將復(fù)合熱沉表面加工成如圖2-3所示的結(jié)構(gòu)形式。其中：多孔高導(dǎo)熱材料3通過真空擴(kuò)散焊的方式嵌入熱沉表面6內(nèi)，其導(dǎo)熱系數(shù)與熱沉表面6的導(dǎo)熱系數(shù)相當(dāng)，保證熱源散發(fā)的高熱流密度的熱量得到有效傳遞；同時多孔高導(dǎo)熱材料3與熱沉表面6內(nèi)的氣體通道5連接，氣體從多孔高導(dǎo)熱材料3上部溢出，并在液膜內(nèi)形成氣泡；氣體通道5與多孔高導(dǎo)熱材料3的接口在表面呈輻射狀，保證氣流在多孔高導(dǎo)熱材料3表面均勻送出；熱沉表面底部采用導(dǎo)熱膠與熱源粘結(jié)。

進(jìn)氣環(huán)路4采用滿焊的方式固接于熱沉表面6的周側(cè)；進(jìn)氣口與進(jìn)氣環(huán)路4相切，保證進(jìn)氣環(huán)路4內(nèi)的氣體進(jìn)入各氣體通道5時流量分配均勻。

當(dāng)熱源由于工作需要產(chǎn)生高熱流密度的熱量時，熱量通過熱沉表面6、多孔高導(dǎo)熱材料3導(dǎo)熱，此時控制器8控制電磁閥一1開啟噴霧冷卻裝置，霧狀液滴到達(dá)多孔高導(dǎo)熱材料3形成液膜，同時控制器8通過脈沖信號控制電磁閥二7間斷高頻送氣，氣體流經(jīng)進(jìn)氣環(huán)路4、氣體通道5、多孔高導(dǎo)熱材料3進(jìn)入液膜并形成氣泡，氣泡受噴霧液滴的作用被快速擊破，原氣泡區(qū)形成真空區(qū)誘使液膜強(qiáng)烈湍動，增強(qiáng)液膜與熱表面之間的對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，強(qiáng)化換熱。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非是對本發(fā)明作任何其他形式的限制，而依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)所作的任何修改或等同變化，仍屬于本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
一種單相區(qū)噴霧冷卻主動催生氣泡強(qiáng)化傳熱的裝置及方法，屬于高熱流密度強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域，主要解決單相區(qū)噴霧冷卻強(qiáng)化傳熱的問題。該裝置由電磁閥一、噴嘴、多孔高導(dǎo)熱材料、進(jìn)氣環(huán)路、氣體通道、熱沉表面、電磁閥二、控制器及其相關(guān)管路配件構(gòu)成。該裝置借鑒兩相區(qū)噴霧冷卻成核氣泡強(qiáng)化傳熱的機(jī)理，在單相區(qū)噴霧冷卻過程中熱沉表面上設(shè)置氣體通道和多孔高導(dǎo)熱材料，結(jié)合控制器對電磁閥二的脈沖控制，實(shí)現(xiàn)熱沉表面脈沖式高頻送氣，在液膜內(nèi)主動催生氣泡，利用噴霧液滴快速擊破氣泡形成真空區(qū)，引起液膜高速湍動，強(qiáng)化換熱。與常規(guī)的單相區(qū)噴霧冷卻方法相比，本發(fā)明提供的方法具有催生氣泡均勻、傳熱系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：李俊;胡志培;李翠敏;李娟;蔣彥龍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘇州科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.09
技術(shù)公布日：2017.09.01