CN106051977A - 液滴驱动的辐射空调 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液滴驱动的辐射空调系统，包括辐射板、传热管、保温板、集液槽和排液口；传热管与空调系统连接，辐射板通过对流和辐射将热/冷量直接传递给室内环境和人体，没有二次传热；辐射板上允许空气中的水蒸气在其表面冷凝形成冷凝水；辐射板表面设置有表面涂层，确保冷凝水形成大小均匀可控的液滴；通过施加如静电力或利用如介电润湿等原理，所述冷凝水液滴被驱动进入集液槽，并经过排液口排出。本发明结构简单，传热效率高，响应速度快，人体感舒适度高，且节能效果明显；系统可自动调节室内湿度，无需专门的湿度监测和除湿系统；系统无噪音，施工简单、维护方便。

Description

液滴驱动的辐射空调

技术领域

本发明涉及暖通空调领域，尤其涉及一种液滴驱动的辐射空调。

背景技术

传统的室内空调多采用对流换热实现制冷或采暖，对流换热存在着诸多缺点，如换热气流吹过人体，影响了人体舒适度；达到同样冷暖舒适度情况下能耗过高；室内风机不可避免的存在一定的噪音，且积累灰尘、滋生细菌。

随着人们生活水平的提高，辐射空调是一种更好的提供室内制冷制暖的空调设备。辐射空调是指降低(或升高)围护结构内表面中一个或多个表面的温度，形成冷(热)辐射面，依靠辐射面与人体、家具及围护结构其余表面的辐射热交换进行暖通的技术方法。辐射空调与传统方法相比供水温差小，能耗相应较少，一般比传统方式节能20％～40％；室内无明显气流，因此无吹风感，体感舒适；辐射空调通过热辐射形式对人体传递热量，辐射过程并不加热空气，因此对室内空气湿度影响小，不会导致空气过分干燥；无风机盘管等室内运转设备，可以将室内噪音降至人体可感知范围以下。

然而，夏季制冷时，辐射表面温度低于室内空气露点温度时，就会产生结露，冷凝水积聚在辐射表面，会影响辐射功能能力，并导致发霉，影响室内卫生条件。为了克服辐射空调的露点问题，一般设计的辐射空调必须配备有相应的新风系统进行空气交换和除湿，并要求尽可能的密闭门窗，因为未经处理的室外空气进入室内会导致冷凝水不可控的凝结。这种采用能动的方式进行室内除湿的方法会额外增加能耗的同时，还会带来一定的噪音；此外，专门的除湿装置必须严密监测室内空气温度湿度，要求系统具有很高的可靠性和复杂度。这些缺点是阻碍辐射空调广泛使用的主要障碍。

为了避开这个问题，CN 102563781 A设计了一种垂直式的辐射金属板，辐射板与室内换热器不接触，两者之间形成一个狭窄的风道，利用重力进行对流换热，室内换热器下设置冷凝水托盘收集室内换热器上的冷凝水。CN 105627439 A设计了一种吊顶透射式冷热辐射空调，在辐射板外设置有一个红外线透射板，在辐射板与红外透射板之间形成一个空气层，利用红外线透射板对红外线的吸收、折射率低的特点建立辐射板与人体间的红外辐射热传递。上述这类设计本质上而言都是采用的两层辐射板设计，仅内层布置传热管，这类设计只是一定程度上缓解冷凝水问题，但是都需要额外专门的除湿装置，而且使用温度受到限制，两次辐射导致辐射增加一层热阻，热量传递效率低，响应时间缓慢。

发明内容

为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种能克服现有技术中的冷凝水问题，同时不降低辐射面的辐射效率，且无需专门监控室内湿度和额外进行除湿，可自动调节室内空气湿度的辐射空调。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种液滴驱动的辐射空调，包括一个辐射板，位于辐射板内表面的传热管，位于辐射板下沿的集液槽；所述传热管与空调系统连接，将空调系统提供的冷/热媒导入辐射面；所述辐射板直接与人体及室内环境交换热量；所述辐射板的辐射面与空气接触，并允许空气中的水蒸气在辐射板表面冷凝形成冷凝水，所述冷凝水的液滴或液膜由表面力或体积力驱动，流向集液槽。辐射板位于集液槽内的部分可以根据辐射板安装位置详细设计，以便更好的利用重力将液滴连续、迅速的排入集液槽。

优选地，所述冷凝水的液滴或液膜经过静电力、电泳、电渗、介电润湿、声表面波、曲率梯度、热毛细力、光化学方法中的一种或多种方式驱动冷凝水的液滴或液膜流入集液槽。

优选地，所述辐射板为具有多层结构的电路板，所述电路板包括传热板、衬底、绝缘层、电极层、介电层、表面涂层；所述辐射板配置电极阵列以及相应电压控制芯片。具有多层结构的辐射板是一种润湿性可控的智能表面，构件形成液滴驱动电路芯片板，以利于连续、稳定的驱动液滴。

优选地，所述表面涂层采用润湿性材料，用于调整整辐射板表面润湿性。

优选地，所述辐射板水平或竖直设置；所述辐射板呈平面或弧形状。辐射板应结合安装环境(室内壁面、吊顶或者围板上)选择是水平还是竖直安装，根据辐射板安装方式，再进一步选择是弧形的辐射板还是平面的辐射板，利于将冷凝水驱动至集液槽内。

优选地，所述传热管与制冷/制热空调系统连接，所述传热管的平面布置呈S形或同心螺旋圆形，以使得辐射面上温度分布更合理，协同界面力的温度效应，更有利于辐射面上液滴的驱动和强化换热。

优选地，所述传热管采用铜管。

优选地，所述传热管紧密固定在辐射板上，如焊接，以利于传热。

优选地，所述传热管上设置有保温板，所述保温板与辐射板通过四周围板将传热管密封在空腔内。保温板与辐射板将传热管包围，以减少热量向外界的散失，隔绝辐射板与其它方向的传热。

优选地，所述集液槽底部设置有排液口，排液口用于冷凝水的排放。

本发明的有益效果是，使用辐射板直接向人体和室内环境传递热量，传热效率高，制冷或制热响应速度快，人体舒适感强，无噪音，节能效果明显。本发明冷凝水液滴或液膜由表面力或体积力驱动，流向集液槽，可集中处理冷凝水，不需额外的室内除湿系统装置，也不需要相应的湿度监控设备，可自动调节室内湿度，不会有常规空调使用后的干燥感；系统结构简单，可在工厂进行整体装配，安装简单、可靠性强。

附图说明

图1是实施例一中辐射板呈平面状的剖示图；

图2是实施例一中的辐射板为多层结构电路板的示意图；

图3(a)是实施例一中辐射板上采用静电力方式驱动液滴的示意图；

图3(b)是实施例一中电极阵列的示意图；

图3(c)是实施例一中采用静电力方式的电压示意图；

图4(a)是实施例一中传热管呈S形布置的示意图；

图4(b)是实施例一中传热管呈螺旋圆形布置的示意图；

图5是实施例一中辐射板的外边缘呈弧形结构的剖示图；

图6是实施例二中采用重力驱动液滴的示意图。

图中：

1-辐射板；2-传热管；3-保温板；4-辐射面；5-集液槽；6-排液口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例一：

参阅附图1-5所示，本实施例的一种液滴驱动的辐射空调，包括辐射板1、传热管2、保温板3以及集液槽5；辐射板1水平设置，整体呈平面设置，安装在吊顶、天花板上；传热管2设置在辐射板1的内表面上，传热管2与空调系统连接，将空调系统提供的冷/热媒导入辐射板1。辐射板1具有与空气接触的辐射面4；辐射板1通过辐射面4以对流和辐射方式直接与人或室内环境交换热量，因此换热效率高，制冷制热响应迅速。辐射面4上允许空气中水蒸气在上面冷凝，形成冷凝水；集液槽5设置在辐射板1四周下沿，集液槽5用于收集辐射面4上的冷凝水。

用以驱动液滴运动的液滴驱动方式包括但不限于静电力、电泳、电渗、介电润湿、声表面波、曲率梯度、热毛细力、光化学方法等，根据实际需要可以采用上述一种或综合采用多种方式对液滴进行驱动，冷凝水由上述方式驱动流向四周的集液槽5，集液槽5的底部设置有排液口6，通过重力作用，冷凝水从排液口6排出。与上述驱动原理相结合，辐射板1具有相应的结构，例如如图2所示。

利用静电力驱动辐射板1上液滴的一种示例如图3(a)所示，辐射板1是一个多层的电路板，其结构包括但不限于传热板、衬底、绝缘层、电极层、介电层、表面涂层，以此电路板为基础可以利用静电力、电泳、电渗等原理驱动液滴移动。如图2所示，辐射板1的电路板制作主要流程和材质如下：以金属板(铜板)为传热板，以普通硅片为衬底，在衬底上面采用湿氧氧化法生长SiO₂作为绝缘层，采用低压化学气相沉积LPCVD生成多晶硅作为绝缘层，干氧热法氧化生成SiO₂形成阻挡层后，进行光刻、HF腐蚀，注入浓硼离子，高温退火激活注入离子形成驱动电极阵列，利用LPCVD生长致密的SiN4作介电层，光刻后刻蚀掉电极上引出焊盘处的介电层,溅射生长铝,合金化使铝和重掺杂多晶硅形成良好的欧姆接触，最后用电感耦合等离子体化学气相淀积(ICPCVD)碳氟聚合物膜作为疏水层。

如图3(a)所示，液滴在电场中会受到静电力的作用，当受到的静电力足够大，能克服表面的阻力时，液滴即可运动。在静电力驱动方式下，系统可以看作是静电场中的可变电容，液滴移动是为了使系统能量最小化。如图3(b)所示，为了使得液滴能够连续驱动，可以在辐射板1内设计电极阵列以及相应电压控制芯片，采用直流电电压驱动，通过电极阵列的电压切换，如图3(c)所示，可以控制液滴的运行方向，切换频率是决定液滴运动速度的重要因素。通过电极阵列的控制系统，结合辐射板1上辐射面4的涂层性质，可以对驱动系统进行最优化设计；如实验证明，对于普通液滴，电压加载15-45V左右时将可以产生足够大的驱动力，驱使液滴发生快速运动，试验测得液滴最大运动速率可达0.1m/s。

为促进冷凝水液滴水平移动，辐射面4表面将根据实际需要涂覆相应的表面涂层，以控制冷凝水液滴在辐射面4上的润湿性(润湿性以液滴在固体表面的接触角大小来表征)，接触角为30°-150°，其湿润性较好，让冷凝水稳定的形成大小可控的液滴，确保不会因重力导致液滴坠落，并有利于液滴沿辐射面4移动。目前学术界和工业界对控制固体表面的润湿性已经开展广泛的应用和研究，主要的技术手段已经比较成熟，包括改变表面自由能和改变表面微观结构(表面粗糙度)两个主要途径。对于前者，可以采用化学气相沉积等方法在固体表面形成的自聚合单分子层(SAMs)来改变固体表面自由能，如涂覆烷基三氯硅烷(Cl₃Si(CH₂)nCH₃,n＝8-1)可形成亲水性表面；涂覆有机硅和氟树脂以及其相应的改性树脂可形成疏水性表面，有机硅及其改性树脂有醇酸树脂、聚酯树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂和酚醛树脂等，氟树脂及其改性树脂有Teflon系列、PVDF、FEVE和PVF等。表面粗糙度方面，可以利用模板法、粒子填充法、刻蚀法、纳米阵列法、气相沉积法、相分离法、溶胶-凝胶法和光化学法等等在基础表面形成微米或纳米级立柱阵列，利用表面张力改变表面疏水性。还可综合上述方法形成梯度表面润湿性，如利用气相沉积法通过控制烷基三氯硅烷在气相扩散过程中的浓度分布，使得在硅片表面上CH₃基团多的地方表面能低，即形成疏水区域，在CH₃基团少的地方表面能高，即形成亲水区域。

传热管2通过焊接方式与辐射板1紧密接触，辐射板1实际上形成了传热管2的翅片，有助于提高散热速度，以促进传热管2与辐射面4之间的传热；传热管2可以为铜管，如紫铜管。如图4所示，传热管2平面布置可以采用传统的S形，也可根据设计需要将传热管2布置成螺旋同心圆形状，以协同界面力的温度效应，利用界面的热毛细迁移原理，促进液滴向集液槽5的移动。

传热管2上设置有保温板3，用于将辐射传热系统与周围环境隔离，减少热量散失；所述保温板3与辐射板1通过四周围板将传热管2密封在空腔内。

此外，辐射板1在集液槽5内的部分可以进行灵活设计，辐射板1可以设置呈如图1所示的全部的平面，也可以将辐射板1设置呈如图5所示的外边缘向下弯曲，具有一定弧度，更利于冷凝水的收集。此外，为了便于收集冷凝水，还可在结合辐射板1的外边缘弯曲的前提下改变辐射板1的辐射面4的涂层，增强表面的疏水性，涂覆如特氟龙TEFLON涂层等常用疏水材料增大接触角，促进液滴进入集液槽5内。

实施例二：

如图6所示，与实施例一不同的是，辐射板1整体呈竖直设置，所述辐射板1可以呈平面状，也可以设置呈弧形；辐射板1可以与室内吊顶的弧形或竖直面设计相结合，此时液体的驱动力优先考虑重力。辐射板1的表面涂覆涂层，以控制液滴在辐射板1表面接触角，使得液滴既不会直接坠落，又便于液滴在重力驱动下下滑进入集液槽5。

此外，此实施例中，传热管2入口可设计在辐射板1下部，出口设计在辐射板1上部，利用热毛细力加速液滴移动。根据热毛细迁移原理，液体的表面张力随温度的升高而减小，气液界面冷热端流体表面张力的差值将产生一个切向力，进而在固液界面产生一个拉力，拉动液滴向冷端移动。实验和理论计算表明，直径为2.9mm的液滴速度可达10-40mm/s。

上述实施例是用于对于本发明进行详细解释的举例说明。由于液滴的表面驱动是一项已经进行了广泛研究的科学领域，基于静电力、电泳、电渗、介电润湿、声表面波、曲率梯度、热毛细力、光化学方法等中的一种或多种方式组合对液滴驱动都在本发明的保护范围之内。

如声表面波原理是设置在压电基片上的叉指换能器将电能转化成声能，声表面波在传播过程中遇到衬底表面液滴,则部分声表面波转化为漏波模式表面波,并按一定的角度向液滴内辐射能量，并转换成为液滴克服阻力的能量。在辐射板1上，在LiNbO₃晶体为衬底上设置铝叉指换能器，在28V输入的直流电压下可产生9.6MHz的谐振频率，可驱动液滴移动，速度为约为0.5-1mm/s。

如曲率梯度原理就是利用液滴在任意曲面上接触区的平均曲率决定了液滴的总表面能和动态润湿性，接触区不同的曲率对于液滴和固体表面系统代表了不同的势能，因此，当势能足够大时就可驱动液滴从高曲率区移动到低曲率区。应用到辐射板1时，可以在辐射板1的辐射表面上通过气相沉积、光刻等方法形成微米或更小尺度的锥形管，液滴将自动从曲率较高的锥形管顶部移动到锥形管底部，交叉排列的锥形管可实现液滴连续驱动。实验表明，在室温条件下，液滴在横截面直径0.1mm增加到1.0mm的锥形面上最大瞬时速度可以达到0.24m/s。

电泳、电渗与上述静电力驱动液滴原理类似，都是利用带电粒子在电场内的洛伦兹力驱动液滴移动；相界面表面张力会受到电压、光能和温度的影响，利用这些原理在液滴上施加电场、照射特定光波就可改变液滴不同位置的表面张力，表面张力的差值产生一个切向力，从而驱动液滴移动，基本原理与热毛细力驱动类似。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种液滴驱动的辐射空调，包括一个辐射板，位于辐射板内表面的传热管，所述传热管与空调系统连接；其特征在于：所述辐射板直接与人体及室内环境交换热量；所述辐射板允许在其表面形成冷凝水；所述辐射空调还包括位于辐射板下沿的集液槽；所述冷凝水的液滴或液膜由表面力或体积力驱动，流向集液槽。

2.根据权利要求1所述的液滴驱动的辐射空调，其特征在于：所述表面力或体积力利用方法包括静电力、电泳、电渗、介电润湿、声表面波、曲率梯度、热毛细力、光化学方法中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的液滴驱动的辐射空调，其特征在于：所述辐射板为具有多层结构的电路板，所述电路板包括传热板、衬底、绝缘层、电极层、介电层、表面涂层；所述辐射板配置电极阵列以及相应电压控制芯片。

4.根据权利要求3所述的液滴驱动的辐射空调，其特征在于：所述表面涂层采用润湿性材料。

5.根据权利要求1所述的液滴驱动的辐射空调，其特征在于：所述辐射板水平或竖直设置；所述辐射板呈平面或弧形。

6.根据权利要求1所述的液滴驱动的辐射空调，其特征在于：所述传热管平面布置呈S形或同心螺旋圆形。

7.根据权利要求1所述液滴驱动的辐射空调，其特征在于：所述传热管采用铜管。

8.根据权利要求1所述的液滴驱动的辐射空调，其特征在于：所述传热管紧密固定在辐射板上。

9.根据权利要求1所述的液滴驱动的辐射空调，其特征在于：还包括保温板，所述保温板位于传热管外，所述保温板与辐射板通过四周围板将传热管密封在空腔内。

10.根据权利要求1所述的液滴驱动的辐射空调，其特征在于：所述集液槽底部设置有排液口。