[发明专利]一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置及方法

说明书

一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置及方法，该装置包括进液阀、喷嘴、吸声材料、热沉表面、蓄液槽、柱形超声换能器、超声波发生器、液泵、拉瓦尔喷管、排液阀和喷雾腔，所述热沉表面中心处设置柱形超声换能器，所述超声波发生器通过线路传送能量至柱形超声换能器，所述热沉表面周侧设置有蓄液槽，蓄液槽底部通过管路与液泵连接，所述喷雾腔内侧壁面粘贴有吸声材料，所述拉瓦尔喷管安装于液泵出液侧，并与喷雾腔相通，所述进液阀和排液阀安装于进液口和排液口。本发明基于成核气泡的强化传热机理，在喷雾冷却过程中采用超声的方式，在液膜内主动催生空化气泡，强化喷雾冷却性能，解决喷雾冷却传热系数不足引起的电子元器件烧毁的问题。

技术领域

本发明涉及高热流密度强化传热领域，特别是涉及一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置及方法。

背景技术

喷雾冷却作为一种高效的高热流密度散热方式，在高功率激光武器、高集成度电子元器件等大热流密度散热条件下具有广阔应用前景。据研究，两相区喷雾冷却过程包括四种传热机制（如图2所示）：液滴击打表面换热、液膜冲刷表面换热、表面与环境换热、液膜内的沸腾换热（其中沸腾气泡分为壁面成核气泡和二次成核气泡）。成核气泡主导的换热机制约贡献总热量的50%。成核气泡强化传热的机制在于：喷雾冷却成核气泡数量大，且喷雾液滴击碎成核气泡形成的真空区诱使液膜高速湍动，强化热沉表面与液膜之间的换热。

通常认为，当电子元器件的温度达到80℃以上时，其工作能力将迅速下降直至失效，本发明专利拟基于成核气泡的强化传热机理，在喷雾冷却过程中采用超声空化的方式，在液膜内主动催生空化气泡，强化喷雾冷却性能。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置及方法，基于成核气泡的强化传热机理，在喷雾冷却过程中采用超声的方式，在液膜内主动催生空化气泡，强化喷雾冷却性能，解决喷雾冷却传热系数不足引起的电子元器件烧毁的问题，为达此目的，本发明提供一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置，包括进液阀、喷嘴、吸声材料、热沉表面、蓄液槽、柱形超声换能器、超声波发生器、液泵、拉瓦尔喷管、排液阀和喷雾腔，所述热沉表面中心处设置柱形超声换能器，所述超声波发生器通过线路传送能量至柱形超声换能器，所述热沉表面周侧设置有蓄液槽，所述蓄液槽底部通过管路与液泵连接，所述喷雾腔的上方中部进液口设置有喷嘴，所述喷雾腔内侧壁面黏贴有吸声材料，所述拉瓦尔喷管安装于液泵出液侧，并与喷雾腔相通，所述进液阀和排液阀安装于进液口和排液口。

本发明结构的进一步改进，所述喷嘴有1-5个，根据热源的散热面积，喷嘴的数量可以是1个或多个，多个喷嘴时采用点阵式布局，保证喷雾区域对散热表面的全局覆盖。

本发明结构的进一步改进，所述热沉表面为环状，其中心线与喷嘴中心线重合，根据多普勒激光测试试验，喷嘴正下方局部区域液滴垂直速度分量小，冷却效果差，环状的热沉表面保证热流不经过中心区域，同时为超声换能器提供安装空间。

本发明结构的进一步改进，所述柱形超声换能器通过密封垫密封安装于热沉表面中心处，其热沉表面以上的高度大于液膜厚度，在液膜内和液膜以上区域发射水平无方向柱形超声波，保证液膜以上区域发射的超声波能够击碎液滴，减小液滴沙特直径，从而携带更多的气泡核进入液膜；同时保证液膜内发射的超声波产生空化和声流效应，强化换热。

本发明结构的进一步改进，所述柱形超声换能器数量与喷嘴数量相当，当喷嘴数量多于1个时，不同喷嘴之间的喷雾区域界面应设置有吸声材料，防止不同超声波之间发生干涉。

本发明结构的进一步改进，所述喷雾腔周侧粘贴有吸声材料，防止超声入射波和反射波之间形成半波干涉。

本发明结构的进一步改进，所述拉瓦尔喷管内高速流动的液流形成负压区，诱使喷雾腔内蒸汽或液雾排出，降低喷雾腔内压力，提高喷嘴喷雾效果。

本发明一种喷雾冷却超声空化强化传热的装置的工作方法：

1）当热源由于工作需要产生高热流密度的热量时，热量通过热沉表面导热；