一种相变材料辅助气相工质冷凝的喷雾冷却装置

1.本发明属于制冷技术领域，具体涉及一种利用相变储能材料作辅助的喷雾冷却装置。


背景技术：

2.喷雾冷却作为具有高密度热流处理能力的散热方法，一直应用于金属冶炼、服务器机组芯片散热、激光技术等带有较高产热功率的应用场合。而闭式喷雾冷却是其中一种能够循环利用冷却工质，热源与工质非接触式的散热装置。
3.现有的闭式喷雾冷却装置的结构一般包括：腔体、喷嘴阵列、排液口，在运行过程中，喷雾腔内工质蒸发后的排气情况将直接影响到喷雾冷却的效果，而喷雾腔内产生的工质蒸汽单凭排液口进行排出往往效果不佳，容易导致腔内气压较高。以冷却工质五氟丙烷（r245fa）为例，当气压达到0.5～0.6mpa时，会使喷嘴喷雾压差较通常情况降低0.4～0.5mpa，喷雾流量降低30%左右，在这样的压力下工质饱和温度提升至63～70℃，相较于常压提高了50℃左右，导致散热效果不佳；同时工质在喷雾冲击表面的蒸发温度升高会导致热源温度的上升，影响目标元件的工作情况。


技术实现要素：

4.为了实现有效降低喷雾腔内压力，解决因冷却过程中因蒸汽压上升导致的散热恶化现象，本发明提供一种利用相变材料辅助工质蒸汽冷凝的喷雾冷却装置。
5.一种相变材料辅助气相工质冷凝的喷雾冷却装置包括喷雾腔3，喷雾腔3的顶部外侧设有两排以上的进液管1，两排以上的进液管1上通过均布的支管均布设有喷嘴阵列2，喷嘴阵列2位于喷雾腔3内的顶部；喷雾腔3的底板上设有热扩散底板4，与热扩散底板4相邻的喷雾腔3的底板边缘处设有呈下凹状的集液槽7，集液槽7一侧的喷雾腔3侧壁上均布设有三根以上的排液管8，改进在于：集液槽7上方的喷雾腔3顶部设有一个以上的冷凝腔5，所述一个以上的冷凝腔5连通着喷雾腔3，冷凝腔5的外部包裹着相变材料6。
6.所述相变材料6由石蜡、烯烃嵌段共聚物（obc）与膨胀石墨（eg）混合均匀制成。
7.具有相变材料的冷凝腔辅助降低喷雾腔3的腔内压力30%～36%，使喷雾工质的饱和蒸汽温度降低了10～15℃。
8.进一步地具体技术方案如下：所述相变材料6中质量占比分别为：石蜡72%～78%；烯烃嵌段共聚物（obc）18%～20%；膨胀石墨（eg）2%～9%。
9.所述集液槽7上方的喷雾腔3顶部开设有安装口，所述冷凝腔5的底面上开设有连接口，冷凝腔5的连接口和喷雾腔3的安装口对应固定贯通连接。
10.一个以上的冷凝腔5的体积之和为喷雾腔3体积的30%～50%。
11.所述冷凝腔5的材料为高导热材料，具体为铝合金或铜合金。
12.本发明的工作机理说明如下：被冷却热源放置在喷雾腔3内，当冷却工质经进液管1进入喷嘴阵列2喷射到喷雾腔内，与被冷却热源的表面接触时，冷却工质吸收被冷却热源的热量并部分形成工质蒸汽，通过自然对流进入冷凝腔5内，冷凝腔5壁面在相变材料相变吸热作用下形成低温的壁面边界条件，使冷却工质冷却并凝结成液态回流至集液槽7，并进一步在冷凝腔5内形成一个局部的低压区，促使工质蒸汽进入冷凝腔5，进而持续地消耗产生的工质蒸汽；这部分通过冷凝腔5额外处理掉的工质蒸汽，降低了喷雾腔3内的整体压力，从而有效解决工质蒸汽过多导致喷雾腔3内压力上升的问题。
13.本发明的有益技术效果体现在以下方面：1.通过理论计算证明本发明的有益效果，以冷却工质为五氟丙烷（r245fa）的喷雾冷却装置为例。本发明装置中的相变材料包裹的冷凝腔在2kw的热负荷下能够辅助降低喷雾腔30%～36%的腔内压力，进而可以将工质的饱和蒸汽温度相较于加装冷凝腔前降低了10～15℃，从而有效降低热源接触面的温度，同时喷嘴所需面对的背压降低了，能够提升15%左右的喷雾流量，增强了喷雾冷却腔对热源的换热效果，在相同的热源热流密度下，能够使发热源的温度降低10～15℃左右，这给例如电子元件之类的需要较低工作温度的器件提供了更好的环境条件。
14.2.本发明所采用的相变材料6为混合了烯烃嵌段共聚物（obc）与膨胀石墨（eg）的石蜡，其中烯烃嵌段共聚物（obc）能够使相变材料在相变过程中整体结构不发生变化，使之能够持续紧贴于冷凝腔5的外壁，而膨胀石墨（eg）能够提高复合相变材料自身的热导率，增强相变材料的利用效率，相比于单一石蜡，热导率从0.2w/(m*k)增大至1.3w/(m*k)。
15.3.本发明的冷凝腔通过螺纹连接安装在喷雾腔上，便于安装维护，且相变材料覆盖在冷凝腔的外表面，不影响内部喷雾效果，可根据需求使用不同的相变材料或喷雾工质。
附图说明
16.图1为本发明的结构原理示意图。
17.图2为本发明的实施例1的立体剖面示意图。
18.图3为本发明的实施例2的立体剖面示意图。
19.上图中序号：进液管1、喷嘴阵列2、喷雾腔3、热扩散底板4、冷凝腔5、相变材料6、集液槽7、排液管8。
具体实施方式
20.下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。
21.实施例1参见图2，一种相变材料辅助气相工质冷凝的喷雾冷却装置包括喷雾腔3，喷雾腔3的顶部外侧安装有两排进液管1，两排进液管1上分别通过支管均布安装有喷嘴阵列2，喷嘴阵列2位于喷雾腔3内的顶部。喷雾腔3的底板上安装有热扩散底板4，与热扩散底板4相邻的喷雾腔3的底板边缘处设有呈下凹状的集液槽7，集液槽7一侧的喷雾腔3侧壁上均布安装有三根以上的排液管8。
22.参见图2，集液槽7上方的喷雾腔3的顶部并列安装有三个圆柱管状的冷凝腔5。参
见图1，每个圆柱管的冷凝腔5的上端封闭，下端通过螺纹连接着喷雾腔3，每个冷凝腔5的外圆柱面和顶部包裹着相变材料6。
23.喷雾腔3为长方体金属壳体，尺寸为400
×
200
×
100（mm），壁厚为5mm，喷雾腔3内顶部的喷嘴阵列2为8
×
3排布，相邻喷嘴之间的间距为30mm。
24.冷凝腔5为一端封闭的圆柱管，材料为铝合金，具体尺寸：高度为150mm、外径为80mm、管壁厚为3mm。每个冷凝腔5的外圆柱面包裹的相变材料的厚度为5mm，用于提供潜热来冷凝进入冷凝腔5的气体工质。本实施例1的相变材料以石蜡为相变物质，加入膨胀石墨（eg）增强传热，加入烯烃嵌段共聚物（obc）使其在相变时整体为固态，石蜡、烯烃嵌段共聚物（obc）与膨胀石墨（eg）的质量比例为80:20:3。
25.热扩散底板4的材料为铜，利用铜的高热导率扩展热源散热面积，尺寸为390*120*5（mm）。靠近排液管8一侧带有10mm宽的倾斜面与集液槽7相连，集液槽7用于收集未汽化的工质以及冷凝腔冷却下来的液态工质，尺寸为390*60（mm）。
26.为测试本实施例1的效果，以工质为五氟丙烷（r245fa）的喷雾冷却装置为例，通过计算，在2kw的热负荷下，相比于不具有相变材料辅助的冷凝腔的喷雾装置，本发明装置中的相变材料包裹的冷凝腔5能够辅助降低喷雾腔3的腔内压力35.5%，腔内压力从0.5mpa降低至0.32mpa，进而可将工质的饱和蒸汽温度从63℃降低至48℃；当泵压1mpa时，相应的喷嘴流量将提升17%左右。
27.实施例2参见图3，冷凝腔5为立方形的箱体，箱体的顶面和四个侧面上均包裹着相变材料6。喷雾腔3的顶部外侧安装有三排进液管1，三排进液管1上分别通过支管均布安装有喷嘴阵列2，喷嘴阵列2位于喷雾腔3内的顶部。其它结构同实施例1。
28.喷雾腔3的立方形的金属壳体尺寸为400
×
200
×
100（mm），壁厚为5mm，喷雾腔3内顶部的喷嘴阵列2为8
×
3排布，相邻喷嘴之间的间距为30mm。
29.本实施例2中的冷凝腔5的材料为铝合金，箱体尺寸为：高度150mm、长宽分别为350mm、80mm，壁厚为5mm。与喷雾腔3顶部的矩形接口相连接。冷凝腔5的外表面包裹的相变材料的厚度为5mm，用于提供潜热来冷凝进入冷凝腔5的气体工质。本实施例2所用相变材料与实施例1相同，石蜡、烯烃嵌段共聚物（obc）与膨胀石墨（eg）的质量比例为80:20:10。
30.其它结构尺寸与实施例1相同。
31.为测试本实施例2的效果，以工质为五氟丙烷（r245fa）的喷雾冷却装置为例，通过计算，在2kw的热负荷下，本实施例2中的相变材料包裹的冷凝腔5能够辅助降低喷雾腔3的腔内压力30.4%，腔内压力从0.5mpa降低至0.35mpa；同时将工质的饱和蒸汽温度从63℃降低至51℃；当泵压1mpa时，相应的喷嘴流量将提升14%左右。