[发明专利]低温喷雾冷却实验装置及方法

说明书

本发明提供低温喷雾冷却实验装置及方法，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。本发明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。

技术领域

本发明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，本发明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。

本发明采用液氮喷雾冷却，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。本发明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。

发明内容

本发明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，利用本发明，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。

该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。

本发明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；