CN108452964B - 一种用于高热流密度表面的静电雾化冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高热流密度表面的静电雾化冷却系统，包括管路系统、静电喷雾装置和控制器；管路系统为储液罐、循环泵、换热器通过管路连接；静电喷雾装置为喷头中装有微米孔阵列和高压孔板，微米孔阵列与喷头壳体之间为喷雾腔；控制器中设有流量控制器、电压控制器，循环泵抽出储液罐中的冷却液经过静电喷雾装置喷射出的冷却液汇集于喷雾系统下方的底板，通过回液管连接换热器通向储液罐；底板装有温度传感器可测量被冷却物的温度，控制循环泵的转速，改变流量以适应高热流密度基面的冷却；根据温度精确调节电压和雾化流量，而且设置有循环管路系统，解决现有的喷雾冷却装置难以调节喷雾的速度和大小以及冷却液不能回收利用的问题。
Description
技术领域
本发明属于冷却换热领域,尤其涉及一种用于高热流密度表面的静电雾化冷却系统。
背景技术
随着超大功率激光器及微波发生器在军事、医用、科研、航空航天等领域的应用，相应的高热流密度高效散热问题变得越来越重要。然而现阶段传统基于自然对流、强迫对流的单相循环风冷、循环液冷技术(散热能力均小于100W/cm2)已经明显不能满足大功率极端条件下的热控要求。因此针对高热流电子元件冷却技术和特殊的空间热负荷管理需求，发展高、超高热流密度设备冷却技术，已成为关系国计民生的重要研究方向。
基于空间汽液固多相传热原理的喷雾冷却技术，由于能够产生极高的换热系数，同时热表面温度梯度较小及被冷却壁面没有接触热阻等优点在空间高热流密度元器件散热及航天器未来热控制技术的重点发展方向。静电喷雾是高效喷雾冷却技术的新方法。这种过程中产生的液滴易于变形破碎，变成更小的微液滴。它与一般的压力和气流雾化相比，具有独特的优点。粒子直径可以控制在纳米至微米尺度范围，这是传统雾化方法所难以实现的。通过外加电场，可调控液滴尺寸及流量、喷射角度等参数，对微电子芯片上需冷却的关键部位进行精确温控。同时电场可控制带电液滴的运动并增加其动能，更容易穿透周围的气体介质，直达热源表面。在带电液滴的喷射过程中，库仑力还可使液滴互相排斥、分散，均匀沉积在热源表面，大幅提高换热效率。
目前已有专利提出了应用静电雾化技术的喷雾冷却方法。发明专利CN102227593A提出了一种喷雾冷却设备和喷雾方法，冷却水供给至带电喷雾头，使从带电喷雾头喷射的水颗粒带电并雾化，吸附于人体表面，实现降温。该发明很好地应用了静电雾化技术实现了液滴的细化，但仅仅是针对人体表面的这类低热流密度表面的轻度冷却以获得清凉感，而且缺少对电压和流量的实时调节装置，不便于根据被冷却面温度和大小灵活地调节喷雾流量和流场结构，其系统结构、功能和实现形式与本发明完全不同。此外，这种冷却装置缺乏冷却水的回收和循环装置，不利于节约资源。
发明内容
本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种用于高热流密度表面的静电雾化冷却系统，采用微纳加工方法制备新型微米孔阵列静电喷雾模块，以适应高热流密度基面的冷却；可以根据温度精确调节电压和雾化流量，而且设置有循环管路系统，解决现有的喷雾冷却装置难以调节喷雾的速度和大小以及冷却液不能回收利用的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于高热流密度表面的静电雾化冷却系统，包括管路系统、静电喷雾装置和控制器；所述管路系统为储液罐、循环泵、换热器通过管路连接而成；所述静电喷雾装置为喷头壳体中装有微米孔阵列和高压孔板，微米孔阵列与喷头壳体之间为喷雾腔；控制器控制器中为流量控制器、电压控制器，流量控制器连接循环泵，电压控制器连接静电喷雾装置的高压孔板与市压电源。循环泵通过进液管连接静电喷雾装置，储液罐用于储存冷却液，循环泵抽出储液罐中的冷却液经过静电喷雾装置喷射出的冷却液汇集于喷雾装置下方的底板，通过回液管连接换热器通向储液罐；所述底板装有温度传感器，用于测量被冷却物的温度，并将温度信息通过信号线传送到温度显示屏；
所述控制器中的流量控制器为电位器，通过控制循环泵的转速，改变流量，在泵的出口处设置流量传感器将流量信息通过信号线传送到流量显示屏；
控制器中的稳定直流电源转换器将市电源转换成直流电压，经过升压电路以及整流器传送到高压孔板电极，高压孔板电极的电压由电位器控制，并将电压信号通过信号线传送到控制箱内的电压表，并在电压显示屏上显示出来；
所述微米孔阵列是在1cm2的硅片加工出微米孔单元；
所述微米孔阵列上微米孔和高压孔板上孔的要一一对应设置；
所述冷却液为含有纳米粒子的去离子水；
所述纳米粒子为纯银或碳纳米管。
本发明的有益效果：
1)利用静电雾化技术进行喷雾冷却，实现对流场结构的精确调控，从而实现对被冷却表面的精确温控；同时使得微液滴更容易到达和沉积在被冷却表面，大大提高了换热效率；
2)通过温度传感和显示装置，实现被冷却物温度的实时监测，使得使用者能够根据温度适时地灵活地控制冷却过程，改变高压孔板的电压，从而改变外电场的强度，改变微液滴之间的静电斥力，实现对喷雾流场的范围的调节；
3)通过建立冷却液的循环系统，实现了冷却液的回收利用，解决了其他喷雾冷却装置无法有效地节约冷却液资源的问题。
附图说明
图1是本发明的一种用于高热流密度表面的静电雾化冷却系统示意图；
图2是本发明中的微米孔阵列静电喷雾模块示意图；
图3是本发明中的微米孔阵列仰视图；
图4是本发明中的孔板电极仰视图；
图5是本发明中的控制箱电路方框图；
图中，1、控制箱，2、进液管，3、静电喷雾装置，4、支架，5、回液管，6、底板，7、被冷却物，8、信号线，9、温度显示屏，10、电压显示屏，11、流量显示屏，12、流量旋钮，13、电压旋钮，14、换热器，15、微米孔阵列，16、高压孔板，17、喷雾腔，18、喷雾腔入口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、2所示，本发明为一种用于高热流密度表面的静电雾化冷却系统，包括管路系统、静电喷雾装置和控制器；管路系统中储液罐、循环泵、换热器14、阀门以及底板6通过管路连接静电喷雾装置3形成一个循环；储液罐中装有冷却液，通过管路连接到循环泵，再由进液管2流入喷雾腔入口18到静电喷雾装置3的喷头中；经过喷头喷射出的冷却液最终会落在喷头下方所设置的底板6上，通过底板6上的回液管5流入换热器14，换热器将冷却液降温后，再次进入控制箱1内的储液罐中，完成一个循环过程。其中，底板6内置温度传感器，用于测量被冷却物7的温度将温度信息通过信号线8传输到控制箱中，在温度显示屏9上显示。
如图3、4所示，静电喷雾装置3为喷头中装有微米孔阵列15和高压孔板16，微米孔阵列15与喷头壳体之间为喷雾腔17；喷雾腔17用于暂时储存冷却液，所述微米孔阵列是在1cm2的硅片上通过微纳加工方法集成数百个微米孔单元(例如500个，具体微米孔加工的数量可以根据实际情况制造)，高压孔板16上所加工的孔需要和微米孔阵列15上的微米孔单元一一对应；冷却液经进液管2流入静电喷雾装置3，在孔板电极形式的高压静电场作用下发生雾化并形成亚微米级雾滴群，所形成的微液滴在重力和静电力的共同作用下实现定向均匀沉积喷雾，直达被冷却物7表面，对被冷却物7进行降温，以满足高热流密度表面的换热需求。静电喷雾装置3通过支架4固定在底板正上方，可以保证在工作过程中管路稳定不会发生振动。
若提高对微米孔阵列静电喷雾模块3施加的电压，能够增加形成的微液滴所带的电荷量，同时增加阵列微米孔和高压孔板电极之间的外电场的强度，从而增强微液滴之间的静电斥力，增大喷雾流场的范围，以适应面积较大的被冷却物的冷却要求。
如图5所示，在控制箱1中装有静电雾化冷却系统的控制器，控制器中设有流量控制器、电压控制器，其中，电压控制器为电位器，内置的高压静电发生器，由稳定直流电源转换器、自激振荡电路、升压变压器、整流器、电压显示屏10等组成一个整体，稳定直流电源转换器将市电源转换成直流电压，经过升压电路以及整流器传送到高压孔板电极，高压孔板电极的电压由电位器控制，并将电压信号通过信号线传送到控制箱内的电压表，并在电压显示屏上显示出来，电位器调节电压用于向微米孔阵列静电喷雾模块施加几千伏的电压，并可用与电位器相连的电压调节旋钮调节电压的大小，以达到精确调控微喷雾的雾化稳定性及雾滴粒度范围的目的。温度显示屏9与基板内的温度传感器连接，用于显示被冷却面的温度，便于操作者根据被冷却物的温度对喷雾冷却过程进行调控。
流量控制器是通过与电位器相连的流量调节旋钮通过调节循环泵的输入电压来调节其转速，从而调节流量的大小，以达到精确调控冷却液流量的目的。
冷却液，选用含有纳米粒子的去离子水，纳米粒子可为纯银、碳纳米管等。冷却液中含有纯银纳米粒子，有较显著的传热性能，更有利于冷却过程中的传热强化，从而能够增强冷却效果。
由于从阵列微米孔中喷出的微液滴都是荷电的，可以尽可能地避免液滴由于静电斥力在表面反弹，所以能够充分利用液滴的冷却能力，增强冷却效果。
冷却液通过收集和循环，可实现多次利用，达到了节省资源的效果。
下面结合本发明的工作过程作进一步解释：
控制箱1通电后，开启流量旋钮12以及电压旋钮13，将被冷却物7放置在底板6上，底板6与被冷却物7之间的温度传感器，检测被冷却物7的温度，并在温度显示屏9中显示，工作人员可以根据流量显示屏11上的流量信息、电压显示屏10上显示的电压信息以及通过温度传感器检测到的被冷却物7的温度信息，通过流量旋钮12及电压旋钮13对循环泵的转速和高压孔板16的电压进行调节，从而控制喷雾的流量、粒度及流场结构；冷却液经进液管2流入静电喷雾装置3，在孔板电极形式的高压静电场作用下发生雾化并形成亚微米级雾滴群，所形成的微液滴在重力和静电力的共同作用下实现定向均匀沉积喷雾，直达被冷却物7表面，对被冷却物7进行降温；最终汇集在底板6上，通过回液管5流向换热器14，换热器14对冷却液进行降温，在输送到储液罐中备用，从而完成一个循环过程。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于高热流密度表面的静电雾化冷却系统,其特征在于，包括管路系统、静电喷雾装置（3）和控制器；所述管路系统为储液罐、循环泵、换热器（14）、底板（6）通过管路连接而成；所述静电喷雾装置（3）由喷头壳体中装有的微米孔阵列（15）和高压孔板（16）组成，微米孔阵列（15）与喷头壳体之间为喷雾腔（17）；循环泵通过进液管（2）连接静电喷雾装置（3），静电喷雾装置（3）下方的底板（6）通过回液管（5）连接换热器（14）通向储液罐；控制器为流量控制器、电压控制器，流量控制器连接循环泵，电压控制器连接静电喷雾装置（3）的高压孔板（16）与市压电源；所述微米孔阵列（15）是在1 cm2的硅片加工出微米孔单元；所述微米孔阵列（15）上微米孔单元和高压孔板（16）的孔单元一一对应设置；冷却液为含有纳米粒子的去离子水；所述纳米粒子为纯银粒子或碳纳米管；
所述底板（6）装有温度传感器，用于测量被冷却物（7）的温度，并将温度信息通过信号线传送到温度显示屏（9）。
2.根据权利要求1所述的一种用于高热流密度表面的静电雾化冷却系统，其特征在于，所述流量控制器为电位器，控制循环泵的转速，改变流量，在循环泵的出口处设置流量传感器将流量信息通过信号线传送到流量显示屏（11）。
3.根据权利要求1所述的一种用于高热流密度表面的静电雾化冷却系统，其特征在于，所述电压控制器为电位器，并将电压信号通过信号线传送到控制箱（1）内的电压表，并在电压显示屏（10）上显示出来。
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