本發(fā)明涉及超高功率激光器噴霧相變-沖擊冷卻裝置，具體涉及一種用于激光器晶體冷卻的噴霧相變-沖擊冷卻混合腔。

背景技術(shù)：

1、阿秒激光是一種極短的光脈沖，持續(xù)時(shí)間僅為10的負(fù)18次方秒，基于該激光技術(shù)可以使科學(xué)家觀察和研究電子在原子顳部的快速運(yùn)動(dòng)和相互作用；阿秒激光的產(chǎn)生和應(yīng)用是基于高強(qiáng)度飛秒激光脈沖與氣體靶材相互作用的過(guò)程，可應(yīng)用于研究生物蛋白、生命現(xiàn)象以及原子尺度的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，極大地推動(dòng)了科學(xué)研究的發(fā)展。

2、目前用于獲取阿秒激光光源的超高功率激光器還處于研發(fā)階段，其過(guò)程中存在一定的技術(shù)缺陷，尤其是針對(duì)超高功率激光器中晶體的熱管理技術(shù)已成為研發(fā)階段難點(diǎn)中的難點(diǎn)；針對(duì)上述問(wèn)題，目前所采用的處理方式為沖擊射流冷卻技術(shù)，其常溫下的沖擊射流冷卻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)50～500w/cm2的熱排散指標(biāo)，已經(jīng)接近常溫單相工質(zhì)的冷卻極限，但若需要對(duì)超高熱流密度的激光晶體進(jìn)行有效降溫，僅僅依靠單相工質(zhì)則顯得十分不足，采用噴霧相變冷卻技術(shù)有望成為有效解決手段，但目前的噴霧相變冷卻技術(shù)手段無(wú)法保證離散霧滴工質(zhì)分布的均勻性，混合后的流體流速較慢，以及液滴積聚現(xiàn)象，導(dǎo)致氣霧兩相流工質(zhì)在沖擊冷卻過(guò)程中換熱效果不佳。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有超高功率激光器中晶體的熱管理技術(shù)無(wú)法保證離散霧滴工質(zhì)分布的均勻性，混合后的流體流速較慢，以及因液滴積聚，導(dǎo)致氣霧兩相流工質(zhì)在沖擊冷卻過(guò)程中換熱效果不佳等問(wèn)題，而提出一種用于激光器晶體冷卻的噴霧相變-沖擊冷卻混合腔。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)解決方案為：

3、一種用于激光器晶體冷卻的噴霧相變-沖擊冷卻混合腔，包括混合腔本體以及設(shè)置在混合腔本體內(nèi)的圓柱型混合腔；其特殊之處在于：所述混合腔本體的前端設(shè)置有氣霧混合段，后端設(shè)置有流體加速裝置；

4、所述氣霧混合段中部設(shè)置有與混合腔同軸的噴霧通孔，沿所述噴霧通孔外圍周向在氣霧混合段上均勻設(shè)置有多個(gè)主氣流通孔，氣霧混合段用于將噴霧與主氣流充分摻混；

5、所述流體加速裝置包括設(shè)置在混合腔本體內(nèi)且與混合腔后端同軸連通的喉口，以及設(shè)置在喉口后端并連接在混合腔本體上的射流孔板；

6、所述喉口為二次曲線結(jié)構(gòu)，包括喉口收縮段和喉口擴(kuò)張段，喉口收縮段的延伸段與混合腔的后端連接，喉口擴(kuò)張段的延伸段后端設(shè)置所述射流孔板；所述喉口用于對(duì)混合流體進(jìn)行加速并由射流孔板流出。

7、進(jìn)一步地，所述混合腔內(nèi)還設(shè)置有至少兩組摻混穩(wěn)流組件，用于使混合流體摻混均勻，保證其流動(dòng)的穩(wěn)定；

8、每組所述摻混穩(wěn)流組件包括分流孔板和六邊形蜂窩器，所述分流孔板設(shè)置在靠近氣霧混合段的一側(cè)，另一側(cè)與六邊形蜂窩器連接，分流孔板與混合腔本體的內(nèi)壁連接；所述分流孔板上均勻設(shè)置有多個(gè)圓形通孔，所述六邊形蜂窩器由多個(gè)相互連接且斷面呈六邊形的蜂窩狀通道構(gòu)成，每個(gè)蜂窩狀通道內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)方向均與混合腔的中心軸線平行。

9、進(jìn)一步地，各個(gè)所述主氣流通孔的中心軸線與噴霧通孔的中心軸線的夾角a滿足：0°≤a≤30°。

10、進(jìn)一步地，所述氣霧混合段的外側(cè)設(shè)置有與噴霧通孔連通的噴霧接口管，以及分別與各個(gè)所述主氣流通孔連通的主氣流連通管。

11、進(jìn)一步地，所述分流孔板的厚度為0.5mm～3mm，其上設(shè)置的圓形通孔直徑do為0.5mm～5mm；

12、所述分流孔板上的圓形通孔呈環(huán)形分布，各個(gè)環(huán)層之間的間距為1.2do～3do，各個(gè)圓形通孔之間的間距為1.2do～6do。

13、進(jìn)一步地，所述六邊形蜂窩器的壁厚為0.3mm～2mm，六邊形蜂窩器的外接圓直徑為5mm～30mm。

14、進(jìn)一步地，所述六邊形蜂窩器的長(zhǎng)度為0.3dc～2.5dc，其中dc為混合腔的內(nèi)徑。

15、進(jìn)一步地，所述喉口通過(guò)喉口收縮段的延伸段與混合腔的后端連接形成拉瓦爾噴管結(jié)構(gòu)。

16、進(jìn)一步地，沿所述噴霧通孔外圍圓周方向均勻分布有4-12個(gè)主氣流通孔。

17、進(jìn)一步地，所述氣霧混合段通過(guò)螺紋與混合腔本體的前端連接。本發(fā)明的有益效果：

18、【1】本發(fā)明一種用于激光器晶體冷卻的噴霧相變-沖擊冷卻混合腔通過(guò)氣霧混合段對(duì)噴霧與主氣流進(jìn)行充分摻混，保證了混合流體在沖擊冷卻的過(guò)程中換熱效果的均勻性和穩(wěn)定性；然后通過(guò)流體加速裝置提高了混合流體的流速，增加霧態(tài)液滴破壞熱邊界層的運(yùn)動(dòng)慣性力，提升換熱效果。

19、【2】本發(fā)明通過(guò)多組摻混穩(wěn)流組件可以有效提升噴霧與主氣流的摻混效果，保證了離散霧滴在主氣流中分布的均勻性，保證了混合流體可以由射流孔板垂直射出，進(jìn)一步保證了混合流體到達(dá)射流孔板處時(shí)其出口截面呈均勻分布。

20、【3】本發(fā)明的分流孔板上的圓形通孔呈環(huán)形分布可以有效地重整氣霧兩相工質(zhì)在空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使得霧滴粒子在空間的分布均勻；然后通過(guò)六邊形蜂窩器進(jìn)行整流，使得混合流體以平行于混合腔中心軸線的方向運(yùn)動(dòng)，有效降低了混合流體的湍流度，避免了混合流體的湍動(dòng)作用造成的離散霧滴在空間的分布不均的現(xiàn)象，從而有效提升混合流體的換熱均勻性。

21、【4】本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)的二次曲線喉口，經(jīng)過(guò)喉口收縮段的約束有效提升了混合流體的流速，再經(jīng)過(guò)喉口擴(kuò)張段整流后確保了混合流體可以垂直到達(dá)射流孔板時(shí)，進(jìn)而確保了混合流體垂直沖擊于外部高溫靶面。

技術(shù)特征：

1.一種用于激光器晶體冷卻的噴霧相變-沖擊冷卻混合腔，包括混合腔本體(01)以及設(shè)置在混合腔本體(01)內(nèi)的圓柱型混合腔(1)；其特征在于：所述混合腔本體(01)的前端設(shè)置有氣霧混合段(2)，后端設(shè)置有流體加速裝置(3)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于激光器晶體冷卻的噴霧相變-沖擊冷卻混合腔，其特征在于：

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種用于激光器晶體冷卻的噴霧相變-沖擊冷卻混合腔，其特征在于：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種用于激光器晶體冷卻的噴霧相變-沖擊冷卻混合腔，其特征在于：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種用于激光器晶體冷卻的噴霧相變-沖擊冷卻混合腔，其特征在于：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種用于激光器晶體冷卻的噴霧相變-沖擊冷卻混合腔，其特征在于：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種用于激光器晶體冷卻的噴霧相變-沖擊冷卻混合腔，其特征在于：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于激光器晶體冷卻的噴霧相變-沖擊冷卻混合腔，其特征在于：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種用于激光器晶體冷卻的噴霧相變-沖擊冷卻混合腔，其特征在于：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述一種用于激光器晶體冷卻的噴霧相變-沖擊冷卻混合腔，其特征在于：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及超高功率激光器噴霧相變?沖擊冷卻技術(shù)，為解決現(xiàn)有晶體熱管理技術(shù)無(wú)法保證離散霧滴工質(zhì)分布的均勻性，流體流速較慢等問(wèn)題；而提出一種用于激光器晶體冷卻的噴霧相變?沖擊冷卻混合腔，包括混合腔本體以及設(shè)置在混合腔本體內(nèi)的圓柱型混合腔；混合腔本體的前端設(shè)置有氣霧混合段，后端設(shè)置有流體加速裝置；氣霧混合段中部設(shè)置有噴霧通孔和多個(gè)主氣流通孔；流體加速裝置包括設(shè)置在混合腔本體內(nèi)且與混合腔后端同軸連通的喉口，以及設(shè)置在喉口后端的射流孔板；喉口為二次曲線結(jié)構(gòu)，喉口收縮段的延伸段與混合腔的后端連接，喉口擴(kuò)張段的延伸段后端設(shè)置射流孔板；喉口用于對(duì)混合流體進(jìn)行加速并由射流孔板流出。

技術(shù)研發(fā)人員：姜廣文,楊文剛,王晨潔,楊森,鄒天琦,穆猷,秦德金,李濤,馬奕新,秦磊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19