一种基于相变材料的具有短时高热流密度的喷雾冷却系统

1.本发明属于制冷技术领域，具体涉及一种运用了相变储能材料的喷雾冷却系统。


背景技术：

2.目前，通过在闭式喷雾冷却系统中加入散热器，来维持制冷工质循环时喷雾入口温度的稳定，进而保证被冷却物体温度的稳定性。喷雾冷却系统的散热器主要是风冷和液冷两种，通过风机产生强迫对流或者外接低温循环工质，都额外提高了功耗。
3.相变储能材料是指在其物相变化过程中，可以从环境吸收热 (冷)量或向环境放出热 (冷)量，从而达到能量的储存和释放的目的。利用此材料制作的散热器可以在系统工作时内部相变吸热，系统待机时释放热量，同时由于其相变时温度近似恒定，可以用于调整控制周围环境的温度，并且可以多次重复使用。


技术实现要素：

4.为了利用相变材料完成二次散热，并利用相变过程为工质提供较大的换热温差，实现有效控制喷雾工质的温度，本发明提供一种基于相变材料的短时高热流密度的喷雾冷却系统。
5.一种基于相变材料的具有短时高热流密度的喷雾冷却系统包括喷雾腔1、冷凝器2、储液罐4、循环泵5和冷却风扇3，其中喷雾腔1、冷凝器2、储液罐4和循环泵5依次串联，改进在于：所述冷凝器2为相变储能冷凝器，包括盘管6和肋片7，盘管6的外部包裹着相变材料层8，使盘管整体呈现立方体状；工作时，工质从储液罐4被循环泵5泵送至喷雾腔1进行喷雾冷却，然后工质经由相变储能冷凝器2冷却，并回到储液罐4；利用相变材料层8的特性增强散热系统解决了短时高热流密度散热问题，使系统能够快速调控工质温度，降低温度波动，稳定喷雾腔进口参数。
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，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）3%～9%。
7.所述相变材料层8的厚度为2
‑
3cm。
8.本发明的有益技术效果体现在以下方面：1.本发明利用相变材料吸热时温度近似恒定的特点控制冷却工质温度，能够使系统在应对短时高热流密度的散热工况下具有良好的稳定性。
9.2.本发明通过相变材料吸热使系统二次散热的功耗大幅下降，并稳定工质冷凝温度，延长了系统单次运行可以工作的最长时间，而且提高了制冷系统的制冷系数。
10.3.本发明所采用的相变材料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)。
附图说明
11.图1为本发明闭式喷雾冷却系统的结构示意图。
12.图2为相变储能冷凝器结构示意图。
13.图3为相变储能冷凝器立体图。
14.上图中序号：喷雾腔1、冷凝器2、冷却风扇3、储液罐4、循环泵5、盘管6、肋片7、相变材料层8。
具体实施方式
15.下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例
16.参见图1，一种基于相变材料的具有短时高热流密度的喷雾冷却系统包括喷雾腔1、冷凝器2、储液罐4、循环泵5和冷却风扇3，其中喷雾腔1、冷凝器2、储液罐4和循环泵5依次串联。
17.参见图2和图3，冷凝器2为相变储能冷凝器，包括盘管6和肋片7，盘管6的外部包裹着相变材料层8，使盘管整体呈现立方体状。相变材料层8的厚度为2.5cm。
18.相变材料由质量比为80:20:3的石蜡、烯烃嵌段共聚物（obc）与膨胀石墨（eg）混合均匀制成。利用相变材料的相变吸热，达到二次散热的目的。相变材料中烯烃嵌段共聚物（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2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)。
19.工作时，工质从储液罐4被循环泵5泵送至喷雾腔1进行喷雾冷却，冷却工质在被喷雾面上吸收来自发热物体的热量，即一次散热，吸热后的冷却工质在相变储能的冷凝器2处散热，利用冷却风扇3为盘管6及相变材料层8辅助散热；冷却工质温度降低至近似散热器相变点温度，冷却工质回到储液罐4。
20.本发明利用相变材料吸热时温度近似恒定的特点控制冷却工质温度，应对突发的短时高热流热源波动，能够提供较大的换热温差，防止系统冷凝温度过高，保证系统运行参数的稳定。


技术特征：
1.一种基于相变材料的具有短时高热流密度的喷雾冷却系统，包括喷雾腔（1）、冷凝器（2）、储液罐（4）、循环泵（5）和冷却风扇（3），其中喷雾腔（1）、冷凝器（2）、储液罐（4）和循环泵（5）依次串联，其特征在于：所述冷凝器（2）为相变储能冷凝器，包括盘管（6）和肋片（7），盘管（6）的外部包裹着相变材料层（8），使盘管整体呈现立方体状；工作时，工质从储液罐（4）被循环泵（5）泵送至喷雾腔（1）进行喷雾冷却，然后工质经由相变储能冷凝器（2）冷却，并回到储液罐（4）；利用相变材料层（8）的特性增强散热系统解决了短时高热流密度散热问题，使系统能够快速调控工质温度，降低温度波动，稳定喷雾腔进口参数。2.根据权利要求1所述一种基于相变材料的具有短时高热流密度的喷雾冷却系统，其特征在于：所述相变材料由石蜡、烯烃嵌段共聚物（obc）与膨胀石墨（eg）混合均匀制成，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）3%～9%。3.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的具有短时高热流密度的喷雾冷却系统，其特征在于：所述相变材料层（8）的厚度为2
‑
3cm。

技术总结
本发明涉及一种基于相变材料的具有短时高热流密度的喷雾冷却系统，属于制冷技术领域。包括喷雾腔、冷凝器、储液罐、循环泵和冷却风扇，其中喷雾腔、冷凝器、储液罐和循环泵依次串联，改进在于：冷凝器为相变储能冷凝器，包括盘管和肋片，盘管的外部包裹着相变材料层。工作时，液体工质被循环泵泵送至喷雾腔进行喷雾冷却，然后液体工质经由相变储能冷凝器冷却，并回到储液罐。相变材料为混合了烯烃嵌段共聚物与膨胀石墨的石蜡，其中烯烃嵌段共聚物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的外壁，而膨胀石墨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)。0.2W/(m*K)增大至1.3W/(m*K)。0.2W/(m*K)增大至1.3W/(m*K)。


技术研发人员：程文龙 赵锐 郑磊 付豪 潘宇晖 陈健
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2021.09.30
技术公布日：2021/11/30