專利名稱：用于高熱流熱源冷卻的噴霧冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)一種用于冷卻高熱流密度熱源的冷卻裝置，具體涉及的是一種具有構(gòu)形特征傳輸管道噴霧冷卻器的噴霧冷卻系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自然對流、強(qiáng)迫對流等傳統(tǒng)的散熱方式雖然應(yīng)用廣泛，但如果遇到高熱流密度的熱源，傳統(tǒng)的散熱方式無法有效的在短時(shí)間內(nèi)對其進(jìn)行冷卻。因此，必須尋找更好的冷卻方式來解決此問題。噴霧冷卻系統(tǒng)利用冷卻液吸熱后產(chǎn)生相變的原理來加強(qiáng)散熱。由于液體汽化時(shí)潛熱極高，因此適合應(yīng)用在具有高熱流密度熱源的散熱系統(tǒng)中。目前噴霧冷卻系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天、高功率電子系統(tǒng)、高功率激光系統(tǒng)等領(lǐng)域內(nèi)，具有散熱能力高、輔助設(shè)備少、耗能低、體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。噴霧冷卻系統(tǒng)的工作原理為通過泵的驅(qū)動(dòng)，由儲(chǔ)液桶進(jìn)入到噴霧器產(chǎn)生噴霧至熱源上。利用液體吸收熱量發(fā)生汽化達(dá)到冷卻目的，蒸汽流至冷凝器內(nèi)凝結(jié)成液體，再通過泵抽回至儲(chǔ)液桶完成一個(gè)冷卻循環(huán)。在霧化器的設(shè)計(jì)方面，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)有基于壓電技術(shù)的噴墨型噴霧裝置，具有壓電片以及具有多個(gè)微噴孔的微噴孔片等。但是現(xiàn)有的噴霧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在著冷卻液流動(dòng)阻力大，消耗了大量的泵功用于傳輸冷卻液，同時(shí)容易出現(xiàn)各個(gè)噴霧點(diǎn)的壓力不同，造成噴霧不均勻，霧化程度不高，從而影響噴霧冷卻系統(tǒng)的散熱性能。為此，迫切需要開展噴霧冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得其既能有效產(chǎn)生均勻噴霧，提高換熱性能，同時(shí)也能有效降低泵功消耗，使得冷卻系統(tǒng)的熱有效性(換熱量/泵功)得到最大限度的提高。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題
為了解決現(xiàn)有的噴霧冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的泵功消耗和冷卻能力不匹配的問題， 本發(fā)明提供了一種新型的傳輸管道按照構(gòu)形特征布置的噴霧冷卻裝置，該冷卻裝置能優(yōu)化配置噴霧冷卻裝置內(nèi)工質(zhì)輸運(yùn)，提高了流體霧化的均勻程度，強(qiáng)化了噴霧冷卻器的冷卻性能。技術(shù)方案
為解決噴霧冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種用于高熱流熱源冷卻的噴霧冷卻裝置，包括噴霧冷卻器、泵、儲(chǔ)液桶以及冷凝器， 所述的噴霧冷卻器一端通過所述的泵與所述的儲(chǔ)液桶連接，噴霧冷卻器的另一端連接冷凝器的入口，冷凝器的出口連接至所述的儲(chǔ)液桶，其特征在于在所述的噴霧冷卻器內(nèi)布置具有構(gòu)形特征的傳輸管道，所述的構(gòu)形特征傳輸管道入口通過所述的泵與所述的儲(chǔ)液桶連接，在所述的構(gòu)形特征傳輸管道出口安裝霧化器。所述的連通管道用于連接各個(gè)工作部分，其中，連接所述的儲(chǔ)液桶和所述的噴霧器的管道通過泵將儲(chǔ)液桶內(nèi)的液體輸送至噴霧冷卻器；在噴霧冷卻器中，所述的連通管道則是用于將流體均勻輸送至各個(gè)噴口 ；連接所述的噴霧冷卻器和所述的冷凝器的傳輸管道則是用于將流體吸熱汽化后的蒸汽輸送至冷凝器冷凝放熱。連接所述的冷凝器和所述的儲(chǔ)液桶的管道通過泵將冷凝器內(nèi)的冷凝后液體輸送至儲(chǔ)液桶。本發(fā)明的技術(shù)方案基于構(gòu)形理論構(gòu)建了構(gòu)形特征輸送管道。在噴霧冷卻器內(nèi)，所述的傳輸管道依照構(gòu)形原理通過分叉產(chǎn)生越來越多的分支，并使得各噴霧出口點(diǎn)平均分布在噴霧冷卻器內(nèi)，在最末級(jí)分叉出口處安裝霧化器，這樣，傳輸管道結(jié)構(gòu)類似于優(yōu)化了的流體分流器，能夠有效降低傳輸管道內(nèi)的流體流動(dòng)壓降，使得各個(gè)噴霧出口的壓力平均一致， 流體霧化也就能夠更均勻，噴霧冷凝器的散熱能力更強(qiáng)。所述的構(gòu)形傳輸管道從噴霧冷卻器流體入口向外發(fā)散直至布滿整個(gè)噴霧冷卻面 (冷卻面形狀為矩形)。構(gòu)形傳輸管道的截面形狀可為圓形、矩形、螺旋形、波紋形等任意形狀。在對人體血管構(gòu)形特征的研究中發(fā)現(xiàn)，分支結(jié)構(gòu)中第/7級(jí)管徑與下一級(jí)管徑之間的關(guān)
系為Dlt / D“σ為每級(jí)的分叉管道數(shù)目，取為大于等于2的整數(shù))，式中々為水力直
徑。大量實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)Δ =3時(shí)，流體在構(gòu)形管內(nèi)的層流流動(dòng)阻力取得最小值，當(dāng)u =7/3 時(shí)，流體在構(gòu)形管內(nèi)的湍流流動(dòng)阻力取得最小值，。這樣，第η級(jí)傳輸管道與第0級(jí)傳輸管直徑(即最初級(jí)的傳輸管)的關(guān)系為As/A1=A^3。不同層次的傳輸管長度也存在著類似于管徑分布的關(guān)系，即第η級(jí)傳輸管長度與第η-1級(jí)傳輸管長度的比為忌= XudQV 為每級(jí)的分叉管道數(shù)目，長度維數(shù)J取大于1且小于等于2的實(shí)數(shù))，遞推得= K-(A)為初級(jí)傳輸管長)。所述傳輸管道根據(jù)工作條件、流體性質(zhì)等可以選擇不同的材料，可選用碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅(合金)、鋁(合金)、鎳(合金)、石墨、氟塑料、玻璃等材料。本發(fā)明提供的構(gòu)形傳輸管道式的噴霧冷卻系統(tǒng)，其采用的流體可為水、氨、乙醇、 丙醇、丙酮、有機(jī)物、制冷劑等任意液態(tài)工質(zhì)；其噴霧冷卻器內(nèi)的冷卻方式為噴霧冷卻，所述的噴霧冷卻器受熱面可以根據(jù)熱源靈活調(diào)節(jié)。并且，該噴霧冷卻系統(tǒng)吸熱蒸發(fā)過程與冷凝放熱過程相分離，可以有效地將吸收的熱量迅速帶走，保證系統(tǒng)正常高效運(yùn)行。本發(fā)明具有構(gòu)形特征傳輸管道的噴霧式冷卻裝置。在該裝置使用過程中，泵將冷卻工質(zhì)從儲(chǔ)液桶中抽送至所述的噴霧冷卻器中，冷卻工質(zhì)到達(dá)所述的噴霧冷卻器入口后， 經(jīng)由具有構(gòu)形特征的傳輸管道，迅速分流到達(dá)各分支管道，經(jīng)過多級(jí)分流后到達(dá)所述傳輸管道的出口，經(jīng)由位于出口處的霧化器霧化噴至受熱面，冷卻工質(zhì)受熱氣化后迅速從噴霧冷卻器出口排出，到達(dá)所述的冷凝器內(nèi)冷凝放熱，然后再被泵抽吸至儲(chǔ)液桶完成一個(gè)循環(huán)。 由于構(gòu)形特征傳輸管道的存在，與傳統(tǒng)的噴霧冷卻系統(tǒng)相比，本發(fā)明的噴霧冷卻系統(tǒng)各個(gè)噴霧出口的壓力分布更加平均，霧化程度更均勻，能夠使受熱面迅速得到均勻冷卻。另外， 構(gòu)形特征傳輸管道的存在能夠明顯降低流體流動(dòng)阻力，減小了泵功的消耗，這對于提高系統(tǒng)熱有效率是有益的。有益效果
本發(fā)明具有構(gòu)形特征傳輸管道的噴霧式冷卻裝置，不僅減小了噴霧冷卻裝置內(nèi)流體的流動(dòng)阻力，降低了泵功的消耗，還能將噴霧壓力分布不均對流體霧化的影響減到最小，大大增強(qiáng)了流體霧化的均勻程度，提高了噴霧冷卻器的冷卻性能，同時(shí)也提高了噴霧冷卻系統(tǒng)的熱有效性。


圖1構(gòu)形特征噴霧冷卻系統(tǒng)示意圖。圖2本發(fā)明構(gòu)形特征噴霧冷卻器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3本發(fā)明構(gòu)形特征傳輸管道結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.儲(chǔ)液器；2.冷凝器；3.噴霧冷卻器；4.霧化器；5.循環(huán)泵；6.構(gòu)形傳輸管道；7.熱源；8.充液口；9.排氣口。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)行更進(jìn)一步的詳細(xì)說明
圖1給出了本發(fā)明的裝置示意圖，一種具有構(gòu)形特征傳輸管道的噴霧冷卻裝置，由噴霧冷卻器、冷凝器、儲(chǔ)液器和循環(huán)泵等構(gòu)成。具體結(jié)構(gòu)包括儲(chǔ)液器1、冷凝器2、噴霧冷卻器 3、霧化器4、循環(huán)泵5、構(gòu)形傳輸管道6等主要部分組成。在噴霧冷卻器內(nèi)3內(nèi)，霧化器4設(shè)置于構(gòu)形傳輸管道6的出口處，噴霧冷卻器3與儲(chǔ)液器1通過循環(huán)泵5連接，冷凝器2則設(shè)置在噴霧冷卻器3和儲(chǔ)液器1之間，整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)閉合的循環(huán)。圖2給出了所述噴霧冷卻器結(jié)構(gòu)示意圖，冷卻工質(zhì)從循環(huán)泵進(jìn)入到噴霧冷卻器內(nèi)后迅速分流，最后從霧化器噴出，對受熱面進(jìn)行冷卻。圖3給出了所述構(gòu)形傳輸管道結(jié)構(gòu)示意圖，從圖4中可以明顯看出，冷卻工質(zhì)在傳輸管道內(nèi)能夠得到充分均勻的分流。下面結(jié)合圖1、圖2說明該系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，先將冷卻工質(zhì)從充液口 8 充入儲(chǔ)液桶1，儲(chǔ)液桶內(nèi)的多余的氣體從排氣口 9排出。充液完畢之后打開循環(huán)泵5，所述的循環(huán)泵5將冷卻工質(zhì)從儲(chǔ)液桶1中抽出，加壓后送至噴霧冷卻器3內(nèi)，冷卻工質(zhì)進(jìn)入所述的噴霧冷卻器3后，按照圖2所示的方式進(jìn)行分流，最后經(jīng)由霧化器4霧化噴出，霧化后的冷卻工質(zhì)在噴霧冷卻器3內(nèi)受熱蒸發(fā)成為氣態(tài)，進(jìn)入到冷凝器2內(nèi)放熱冷凝，最終回到儲(chǔ)液桶1內(nèi)，完成一個(gè)冷卻換熱過程。本發(fā)明涉及的構(gòu)形傳輸管道能優(yōu)化配置流體工質(zhì)輸運(yùn)，增強(qiáng)噴霧均勻程度，有效提高了系統(tǒng)的冷卻性能。
權(quán)利要求
1.一種用于高熱流熱源冷卻的噴霧冷卻裝置，包括噴霧冷卻器、泵、儲(chǔ)液桶以及冷凝器，所述的噴霧冷卻器一端通過所述的泵與所述的儲(chǔ)液桶連接，噴霧冷卻器的另一端連接冷凝器的入口，冷凝器的出口連接至所述的儲(chǔ)液桶，其特征在于在所述的噴霧冷卻器內(nèi)布置具有構(gòu)形特征的傳輸管道，所述的構(gòu)形特征傳輸管道入口通過所述的泵與所述的儲(chǔ)液桶連接，在所述的構(gòu)形特征傳輸管道出口安裝霧化器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高熱流熱源冷卻的噴霧冷卻裝置，其特征在于所述的分叉?zhèn)鬏敼艿乐辽贋閮杉?jí)且每級(jí)分叉至少含有2個(gè)分叉?zhèn)鬏敼艿溃龅牡谝患?jí)分叉?zhèn)鬏敼艿琅c傳輸管道入口連接，所述的最后一級(jí)分叉?zhèn)鬏敼艿肋B接所述的霧化器，所述的上下級(jí)分叉?zhèn)鬏敼艿赖闹睆街葹?APia ,所述的上下級(jí)分叉?zhèn)鬏敼艿赖拈L度之比為，其中W為每級(jí)的分叉管道數(shù)目，# 取大于等于2的整數(shù)，直徑維數(shù)Δ 取大于7/3且小于3，長度維數(shù)i/取大于1且小于等于2 的實(shí)數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于高熱流熱源冷卻的噴霧冷卻裝置，包括噴霧冷卻器、泵、儲(chǔ)液桶以及冷凝器，噴霧冷卻器一端通過泵與儲(chǔ)液桶連接，噴霧冷卻器的另一端連接冷凝器的入口，冷凝器的出口連接至所述的儲(chǔ)液桶，在所述的噴霧冷卻器內(nèi)布置具有構(gòu)形特征的傳輸管道，所述的構(gòu)形特征傳輸管道入口通過所述的泵與所述的儲(chǔ)液桶連接，在所述的構(gòu)形特征傳輸管道出口安裝霧化器。本發(fā)明具有構(gòu)形特征傳輸管道的噴霧式冷卻裝置，實(shí)現(xiàn)了噴霧冷卻裝置內(nèi)工質(zhì)輸運(yùn)優(yōu)化配置，提高了流體霧化的均勻程度，強(qiáng)化了噴霧冷卻器的冷卻性能。
文檔編號(hào)F28D5/02GK102322751SQ20111025624
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月1日
發(fā)明者姚峰, 施明恒, 趙沐雯, 陳永平 申請人:東南大學(xué)