[發明專利]低溫噴霧冷卻實驗裝置及方法

在審

• 申請號: 201910038823.6
• 申請日: 2019-01-16
• 公開（公告）號: CN109682412A
• 公開（公告）日: 2019-04-26
• 發明（設計）人: 趙可;秦靜;蔣彥龍;余陽梓;張振豪
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01D21/00
• 分類號: G01D21/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

本發明提供低溫噴霧冷卻實驗裝置及方法，屬于冷卻實驗裝置。所述實驗裝置包括液氮供液系統、噴霧腔系統、可視化和數據采集系統；所述液氮供液系統包括液氮管路和排空旁路，所述噴霧腔系統外殼由絕熱層和預冷通道構成，并與真空泵、壓力傳感器、溫度傳感器連接，內部包含熱沉、噴嘴、溫度傳感器，所述可視化和數據采集系統包含數據采集器、光源和高速攝像機。本發明充分利用噴霧時液氮迅速蒸發產生的低溫蒸氣經過預冷通道對噴霧腔內部預冷，實現制冷劑的多級利用，提高了液氮噴霧冷卻性能，利用高速攝像機將噴霧冷卻過程可視化。本裝置通過將液氮霧化成大量細小液滴噴淋在熱沉表面帶走大量熱量，實現高熱流密度表面的快速冷卻。

技術領域

本發明涉及低溫噴霧冷卻實驗裝置，尤其用于高熱流密度散熱問題，本發明還涉及該系統的操作方法，具有噴霧腔絕熱性能優越、低溫工質利用率高、熱沉面快速冷卻、噴霧冷卻過程可視化等特點。

背景技術

眾多研究結果表明常規冷卻技術（強制風冷和強制水冷等）無法滿足大功率設備高熱流密度的散熱需求，更無法滿足低溫環境試驗條件的需求。因此必須使用新型冷卻技術解決熱流密度集聚問題。噴霧冷卻技術具有傳熱系數大、溫度均勻性好、過熱度小、臨界熱流密度高和循環流量低的特點，是最具有競爭力的高熱流密度熱控制技術。

本發明采用液氮噴霧冷卻，通過液氮霧化的大量細小液滴撞擊熱沉面發生相變帶走大量熱量，有效控制機載設備高熱流密度聚集引發的性能下降的問題。本發明意在通過這種低溫噴霧冷卻方式，實現對熱沉面的快速冷卻，充分利用液氮蒸發的低溫氮氣進行預冷，達到制冷劑的多級利用、降低系統設備的投資、節約運行成本的目的。

發明內容

本發明目的在于解決航空航天領域中高功率激光技術、電子元器件高度集成與微型化等技術大量運用導致的高熱流密度散熱問題，提供低溫噴霧冷卻實驗裝置，利用本發明，通過將液氮霧化成大量細小液滴噴淋在熱沉表面帶走大量熱量，實現高熱流密度表面的快速冷卻。

該實驗裝置包括噴霧腔；噴霧腔外層由內向外依次設置預冷通道、真空層、保溫層；所述預冷通道內壁設置有使噴霧腔和預冷通道相通的入口，預冷通道外壁設置有出口，出口通過管道依次穿過上述真空層和上述保溫層與外部真空泵連接；

上述噴霧腔內安裝有噴嘴和熱沉；噴嘴位于噴霧腔水平方向中心，熱沉位于其正下方；噴霧腔內部還安裝有溫度傳感器、壓力傳感器、光源、高速攝像機和數據采集器；數據采集器與溫度傳感器和壓力傳感器以及高速攝像機連接；

該實驗裝置還包括高壓氮氣瓶；高壓氮氣瓶出口通過減壓閥、壓力傳感器后分別連接排空旁路和液氮管路兩個支路；兩個支路合并后與液氮池入口連接；所述排空旁路上設置截止閥，所述液氮管路上依次設置截止閥、液氮杜瓦罐、低溫電磁閥；所述液氮池出口經過流量計后連接上述噴霧腔內部的噴嘴；所述流量計與噴嘴之間的管道依次穿過保溫層、真空層、預冷通道；上述液氮杜瓦罐頂部接有泄壓閥和壓力傳感器。

本發明還涉及低溫噴霧冷實驗裝置的使用方法，該方法步驟如下：

在實驗開始前，除泄壓閥之外所有閥門均處于關閉狀態。

步驟一，首先開啟光源和高速攝像機，調整噴霧腔內噴嘴距熱沉頂面的距離，固定噴嘴高度，依次打開減壓閥和排空旁路的截止閥，使氮氣依次通過排空旁路、液氮池、流量計、噴嘴進入噴霧腔內部，從而排除噴霧腔內的空氣；

步驟二，啟動真空泵，維持噴霧腔內壓力在1 MPa附近，持續排空過程至噴霧腔內空氣完全置換成氮氣；

步驟三，關閉排空旁路上的截止閥，開啟液氮管路上的截止閥和低溫電磁閥，使液氮杜瓦罐內的液氮在高壓氮氣的作用下排入液氮管路，液氮先經過液氮池預冷至78 K附近，通過流量計測量液氮進入噴嘴時的體積流率，記錄體積流率及噴嘴入口溫度；