一种制冷剂闭式喷雾耦合微通道散热循环系统及调节方法

本发明属于制冷，具体涉及一种制冷剂闭式喷雾耦合微通道散热循环系统及调节方法。

背景技术：

1、大功率元件例如电子芯片、激光器等广泛应用于医疗、军事、电子等领域。随着科技的发展，大功率元件的热流密度越来越高，并且有微型化、集成化的发展趋势。部分大功率元件的高效热管理已成为制约其功能提升的技术瓶颈之一。例如，激光器光学反射镜片要求的加工精度极高，工程上要求反射镜表面像差(pms)小于氦氖激光波长λ的1/10(λ＝632.8nm)。工作过程中，反射镜吸收激光能量升温造成镜片反射区域面型畸变，严重降低反射激光的质量；有研究表明，电子设备温度处于70～80℃区间时，温度每升高2℃，设备可靠性降低10％，约55％的电子设备失效与高温有关。针对上述问题，主动冷却散热尤为必要。

2、制冷剂相比于水作为循环工质，具有更低的饱和温度，且绝缘性能好，更有利于在室温下对电子、半导体元件进行冷却，能够解决传统冷却方法无法满足的高效散热难题。制冷剂闪蒸闭式喷雾冷却相比于传统的风冷具有散热能力高、流量要求小、温度无超调、与受热面无接触热阻等诸多优点；包含液滴破碎雾化、液膜蒸发、强制对流、核态沸腾以及次生核态沸腾等复杂机制；微通道结构可以大大提高过程的传热传质效率，具有结构紧凑、换热效率高、质量轻等优点。闪蒸喷雾与微通道的耦合系统可以实现高热流密度散热，调整冷量分布，提高换热效率，但是耦合系统变量比单一系统更为复杂，针对不同的应用场景需要对系统进行设计、对循环各类参数进行研究。并且，多元化的热源特征对散热提出了更高的需求，为实现对不同形状、不同功率热源的精准控温冷却以及封装紧凑化，无论是实际应用或是科学研究过程中都需要深入探究系统众多相关参数的影响。

3、目前对喷雾冷却系统相关专利、文献主要涉及温度控制、流量调节等，然而对于流体温度、背压、喷雾压力、环境温度、喷雾高度、喷雾形态、喷嘴类型等研究也至关重要；同时有必要对微通道的质量流量、质量干度、微通道结构设计等进行研究。此外，实际应用中变功率的热源也要求冷却系统随热源具有可调性；同时，高精度光学镜片等冷却场景对冷却系统的稳定性、减震特性提出了更高的要求。这些是基础的蒸汽压缩式制冷循环系统所不能实现的，因此，有必要对基本的制冷循环进行重新设计改进，实现系统各类参数的可独立调节，且满足对多元化应用场景的精准散热以及研究需求。

技术实现思路

1、针对目前技术的不足，本发明旨在提出一种制冷剂闭式喷雾耦合微通道散热循环系统及调节方法。本发明实现了高热流密度散热，对发热元件进行多面冷却和温度均匀性控制。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种制冷剂闭式喷雾耦合微通道散热循环系统，包括压缩机、第一恒温水槽与换热器机组、第一气液分离器、第二恒温水槽与换热器机组、微通道流量调节阀、喷雾流量调节阀；

4、所述压缩机出口经过油气分离器出气口与第一恒温水槽与换热器机组连接，第一恒温水槽与换热器机组出口通过气化量调节阀与第一气液分离器入口连接，第一气液分离器出液口通过液态制冷剂压力调节阀与第二恒温水槽与换热器机组连接，第二恒温水槽与换热器机组通过制冷剂充注球阀与喷雾腔和微通道连接，入口管路分别安装喷雾流量调节阀和微通道流量调节阀，喷雾腔放置在气浮平台上，其出口依次连接视液镜、腔体压力调节阀、集液腔、低压段球阀、第二气液分离器，第二气液分离器出气口连接压缩机入口；

5、所述喷雾腔内具有发热元件。

6、作为本发明进一步改进，还包括腔体旁通；所述腔体旁通两端分别与第一气液分离器出气口和喷雾腔连接，腔体旁通上的腔体旁通调节阀配合气化量调节阀开度调整腔体压力。

7、作为本发明进一步改进，还包括压缩机旁通；所述压缩机旁通两端分别与第一气液分离器出气口和第二气液分离器入口连接；压缩机旁通上设置有压缩机旁通调节阀。

8、作为本发明进一步改进，还包括泄气稳压旁通；所述泄气稳压旁通两端分别与喷嘴前管路和第二气液分离器入口连接；泄气稳压旁通上设置有腔体稳压阀。

9、作为本发明进一步改进，所述喷雾腔包括可视窗、动密封进液管路、单喷嘴/喷嘴阵列、微通道、辅助加热器；动密封进液管路连接单喷嘴/喷嘴阵列用于调节至发热元件表面的高度；

10、所述可视窗和温度压力传感器设置在喷雾腔壳体上，发热元件设置在喷雾腔壳体内，微通道设置在所述发热元件侧面，辅助加热器设置在所述喷雾腔内部。

11、作为本发明进一步改进，所述发热元件撞击表面材料为紫铜、黄铜、单晶硅中的一种或多种组合，表面结构包括宏观结构、微纳结构中的一种或多种组合。

12、作为本发明进一步改进，所述喷雾腔的动密封进液管路与循环之间采用软管连接，所述喷雾腔放置于气浮平台上。

13、作为本发明进一步改进，集液腔还设置有集液腔辅助加热器；油气分离器出液口通过回油球阀与压缩机入口连接；所述循环系统的制冷剂为r134a、r404a、r410a和r32中的一种。

14、作为本发明进一步改进，还包括电脑、采集单元和调节部件，采集单元包括设置在循环管路内的多组传感器；各传感器参数连接采集设备连接电脑；

15、调节部件包括设置在循环管路所有的电动调节阀，调节部件与电脑输出端连接。

16、第二方面，本发明提供一种制冷剂闭式喷雾耦合微通道散热循环系统的调节方法，包括：

17、循环系统的蒸发端管路一分为二，采用制冷剂闪蒸喷雾冷却与微通道冷却耦合的形式，喷雾冷却对发热元件的顶部直喷冷却，微通道冷却对发热元件的侧面进行冷却，两种散热方式流量分配对所述喷雾腔进行调节；喷雾和微通道的流量分配通过微通道流量调节阀和喷雾流量调节阀控制，以实现高热流密度散热，对发热元件进行多面冷却和温度均匀性控制。

18、相对于现有技术，本发明据有以下有益效果：

19、本发明的核心技术是制冷剂闪蒸喷雾冷却与微通道冷却耦合，制冷剂相变传热，相比于传统的风冷、单相射流冷却，可实现高热流密度散热，适用于对高热流密度、高稳定性要求、高精度表面的精准控温。该制冷剂闭式喷雾耦合微通道散热循环系统具有可调节性，蒸发端管路一分为二，采用制冷剂闪蒸喷雾冷却与微通道冷却耦合的形式，两种散热方式流量分配可调节。以实现高热流密度散热，对发热元件进行多面冷却和温度均匀性控制。基本的喷雾冷却系统通过安装调节阀可实现流量的调节，但调节参数有限，且调节范围小；本发明可实现喷嘴前液体温度、腔体压力、喷嘴前液体压力、腔体温度、喷雾高度、喷雾和微通道流量分配等各个参数的独立调节，并通过两个回气旁路的设计增大了调节范围，以满足更加深入的研究以及复杂的应用工况选定最佳参数需求。

20、进一步，蒸发端设置有喷雾腔辅助加热器，与集液腔辅助加热器，配合腔体视窗和腔体出口可视化管路，用来蒸发未气化的液态制冷剂，保证压缩机入口制冷剂为气态，增强系统稳定性。

21、进一步，本发明采用耐高压软管连接喷雾腔与循环系统，同时将腔体置于气浮平台，可有效截止管路压缩机、恒温水槽、管路等振动传递到腔体，达到减振的目的。

22、进一步，本发明设计连接喷嘴前管路和第二气液分离器的泄气稳压旁通，本系统停机后打开稳压阀，压缩机将腔体内制冷剂抽至高压段，解决了停机后高低压段联通和腔体管路内液相蒸发引起的腔体压力升高问题，从而控制发热元件形变。

23、进一步，本发明的冷却对象，可以为电子芯片、激光光学镜片，但不限于此；本系统的减震、控温、调节参数功能应用于航空航天、电力电子、科研实验等众多相关领域。表面结构包括宏观结构、微纳结构中的一种或多种组合。此外，喷嘴类型为单喷嘴或喷嘴阵列，可根据热源的形状、尺寸和分布选择，适用范围广泛。