CN108554470A - 脉冲式喷雾冷却装置及脉冲控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脉冲式喷雾冷却装置及脉冲控制方法，模拟热源安装固定在密闭腔室内，模拟热源由受热铜块热沉电加热器构成，循环水部中恒温水浴的水通过微型水泵接过滤器，过滤器出来的去离子水通过电磁阀后通入腔室内，通过射流泵接喷嘴，喷嘴固定在喷嘴支架上，通过调节喷嘴支架来调节喷嘴的高度和倾斜角度，射流泵控制喷射压力，喷嘴在模拟热源正上方，数据采集仪采集模拟热源温度送计算机，计算机通过对电磁阀进行开和关频率控制对模拟热源进行脉冲式喷雾冷却。脉冲式喷雾冷却平均时间内在加热表面上形成的液膜厚度要更薄，热阻减小，脉冲式喷雾冷却可以通过改变质量流率、占空比、频率来调节，使加热面达到实际需要的温度。
Description
技术领域
本发明涉及一种冷却装置，特别涉及一种脉冲式喷雾冷却装置及脉冲控制方法。
背景技术
目前的实验装置常用封闭式喷雾冷却及测试装置，一种是喷雾冷却器，另一种是卧式回转筒熟球气水喷雾冷却机。
喷雾冷却在很多场合使用时，喷雾都必须穿越蒸汽才能到达加热面。穿越
的过程中，蒸汽流上升，而雾化的液体向下，与蒸汽流运动方向相反。这种情况一方面使得液滴的穿越速度下降，加强加热面液膜内的对流作用也就受到了影响。另一方面，雾化液滴与蒸汽接触后，也发生热交换，部分蒸汽冷凝附着在液滴表面，使液滴的直径变大，温度上升，对冷却有一定的影响。液膜较厚时，热阻较大，汽泡不但逸离时间长而且不易破裂，液滴撞击所造成的加强湍流的效果下降，因此会导致换热系数的下降，可以从减小液膜的厚度和减少液膜表面蒸汽浓度和蒸汽与喷雾液滴的相对速度角度出发考虑解决问题。
发明内容
本发明是针对现在喷雾冷却存在的问题，提出了一种脉冲式喷雾冷却装置，脉冲式喷雾冷是一个特定频率停止喷射和一个特定频率喷射的过程。可以简单概括为“喷一下，停一下，交替循环”，喷射时间加停喷时间为一个周期，占空比即为喷射时间占一个周期的百分比。脉冲式喷雾冷却可以通过改变质量流率、占空比、频率来调节，使加热面达到实际需要的温度。
本发明的技术方案为：一种脉冲式喷雾冷却装置，包括数据采集部、控制部、循环水部和喷射部四部分；
数据采集部包括数据采集仪和计算机；控制部包括电磁阀、电路控制箱和水泵；循环水部主要包括两个恒温水浴、管路和过滤器；喷射部包括喷嘴、射流泵、喷射支架，真空泵和模拟热源；
模拟热源安装固定在密闭腔室内，模拟热源由受热铜块热沉电加热器构成，电路控制箱输出信号控制加热器的功率，真空泵抽取密闭腔室内空气，第一个恒温水浴通过管路与腔室进行低温冷水循环；循环水部中第二恒温水浴的水通过微型水泵接过滤器，过滤器出来的去离子水通过电磁阀后通入腔室内，通过射流泵接喷嘴，喷嘴固定在喷嘴支架上，通过调节喷嘴支架来调节喷嘴的高度和倾斜角度，同时喷射的压力由射流泵来控制，喷嘴在模拟热源正上方，数据采集仪采集模拟热源温度送计算机处理后送控制电路，控制电路通过对电磁阀的开和关控制以达到对模拟热源进行脉冲式喷雾冷却。
所述热沉通过一层导热硅胶粘在受热铜块顶端，受热铜块周围包裹保温层，受热铜块内嵌有热电偶，嵌入受热铜块内的热电偶测量受热铜块的热流量和表面温度，所有测得的信号均通过数据采集仪输入计算机；另热电偶温度信号经 PID 温控，反馈至电路控制箱中调压器，从而控制加热器的功率，使受热铜块表面维持预定的温度；同时管路上的微型水泵由电路控制箱来控制其开启度，计算机通过控制电路板对电磁阀进行开关控制，在计算机上设置电磁阀的开合、开和关时间、控制频率参数。
所述脉冲式喷雾冷却装置的脉冲控制方法，控制电路采用16MHz晶振的ATmega328单片机控制系统，单片机控制系统输出脉冲控制信号给电磁阀，电磁阀为机械响应时间5ms高精度液动电磁阀，电磁阀关则停止喷嘴喷射，电磁阀开则进行喷射，喷射时间加停喷时间为一个周期，占空比即为喷射时间占一个周期的百分比，单片机控制系统根据模拟热源与腔体室内温度差计算占空比，对模拟热源进行周期脉冲喷雾冷却；
单片机机器周期为1/晶振频率/12=0.75us，以四个机器周期为一个计时周期，即一个计时周期为3us，以计时周期累加时间，与确定占空比后的停喷和喷射时间进行比较，累加时间大于所述停喷和喷射时间时刻发出对应控制信号。
本发明的有益效果在于：本发明脉冲式喷雾冷却装置及脉冲控制方法，脉冲式喷雾冷却相比于传统式喷雾冷却的一个最大的优点就是工质的利用率高，脉冲式喷雾冷却相比于连续性喷雾冷却，平均时间内在加热表面上形成的液膜厚度要更薄，热阻减小，喷嘴喷射一段时间，停喷一段时间，如此交替反复。在停喷期间，由于受热蒸发作用，液膜厚度应会减小。脉冲式喷雾冷却是解决现在大功率电子设备散热问题的最理想方法之一，具有能够大幅度提高电子元器件换热效率的潜能。
附图说明
图1为本发明脉冲式喷雾冷却装置结构示意图；
图2为本发明脉冲式喷雾冷却装置控制系统结构示意图。
具体实施方式
如图1所示脉冲式喷雾冷却装置结构示意图，脉冲式喷雾冷却装置主要包括数据采集部、控制部、循环水部和喷射部四部分。
数据采集部包括数据采集仪和计算机；控制部包括电磁阀、电路控制箱和水泵；循环水部主要包括两个恒温水浴、管路和过滤器；喷射部包括喷嘴、射流泵、喷射支架，真空泵和模拟热源。
真空泵是用来吸收密闭腔室的空气，使每次实验能够在真空条件下进行，减少外界环境的干扰。第一个恒温水浴引入低温冷水，使腔室的环境温度维持在较低的条件下，同时保证腔内的周围环境恒定。在实验进行之前，先通过开启真空泵，然后将第一恒温水浴的水通过管道连接引入腔室，与腔内环境换热从而保持温度恒定。循环水部中第二恒温水浴的水通过微型水泵接过滤器，过滤器出来的去离子水通过电磁阀后通入腔室内，通过射流泵接喷嘴，喷嘴固定在喷嘴支架上，通过调节喷嘴支架来调节喷嘴的高度和倾斜角度，同时喷射的压力由射流泵来控制，喷嘴在模拟热源正上方，通过对电磁阀的控制达到对模拟热源进行脉冲式喷雾冷却。
管路中的第二恒温水浴主要控制进入喷射液体的温度。过滤器是防止有杂质堵塞喷嘴和管道，用来过滤管道杂质。模拟热源安置在喷雾室内部，由受热铜块热沉电加热器构成，热沉通过一层导热硅胶粘在受热铜块顶端，受热铜块周围包裹保温层，受热铜块内嵌有热电偶。嵌入受热铜块内的热电偶测量受热铜块的热流量和表面温度。所有测得的信号均通过数据采集仪输入计算机。另有热电偶温度信号经 PID 温控，反馈至电路控制箱中调压器，从而控制加热器的功率，使受热铜块表面维持预定的温度。同时管路上的微型水泵由电路控制箱来控制其开启度，喷室腔由树脂玻璃制成，上顶盖和侧边可以拆卸。本装置最新颖之处，在喷嘴上端安装一个电磁阀，电磁阀由控制电路板控制，并连接到计算机上，通过在计算机上设置相关参数，到达对电磁阀的开合、时间和频率的控制。
脉冲式喷雾冷却是一个特定频率停止喷射和一个特定的频率喷射的过程。可以简单概括为“喷一下，停一下，交替循环”，喷射时间加停喷时间为一个周期，占空比即为喷射时间占一个周期的百分比。单片机控制系统根据模拟热源与腔体室内温度差计算占空比，对模拟热源进行周期脉冲喷雾冷却。
系统使用高精度液动电磁阀，通过程序控制其开关，从而控制喷嘴的喷射和停喷动作，来实现脉冲喷雾。脉冲式喷雾可以通过采集到的加热表面实时温度信号输入从而改变质量流率、占空比、频率等来进行调节，从而使加热表面达到一个实际所需的温度。系统可以精确地实现时间控制。
如图2所示，本发明装置的控制系统由四个部分组成：电磁阀、ATmega328单片机、24V外部直流电源和数据采集PC端。本控制系统程序由C语言进行编写，本程序编写精密，对时间的控制精度在毫秒级。
在使用16MHz晶振的ATmega328单片机控制系统中内部所有工作，都是基于由晶振产生的同一个触发信号源，由这个信号（即系统时钟）来同步协调工作步骤。系统时钟是整个单片机工作节奏的基准，它每振荡一次，单片机就被触发执行一次操作。单片机机器周期为1/（晶振频率/12）=0.75us。因此16MHz晶振下控制板单个机器周期为0.75us，以四个机器周期为一个计时周期，即3us。例如，在相同占空比、不同周期时，占空比DC=70%，喷射周期为100ms，需要精确计时两次分别为停喷时间30ms和喷射时间70ms。70ms需要单片机进行23334次计时周期，计时时间为70002us，计时误差小于十万分之一毫秒。经分析计算，所有工况下，计时误差均小于十万分之一毫秒。
经计算分析由单片机输出的控制电磁阀开启和关闭的指令信号，所需要的时间在万分之一毫秒内，远远小于电磁阀的机械响应时间5ms，所以由控制系统产生的时间误差可以忽略不计。故此控制系统可以精确地实现时间控制，精确控制输出开启关闭信号，单片机控制系统控制可控硅导通和关断实现电磁阀开启和关闭，然后由于可控硅的高速响应，减少了开启闭合控制的时间误差。
Claims (3)
1.一种脉冲式喷雾冷却装置，其特征在于，包括数据采集部、控制部、循环水部和喷射部四部分；
数据采集部包括数据采集仪和计算机；控制部包括电磁阀、电路控制箱和水泵；循环水部主要包括两个恒温水浴、管路和过滤器；喷射部包括喷嘴、射流泵、喷射支架，真空泵和模拟热源；
模拟热源安装固定在密闭腔室内，模拟热源由受热铜块热沉电加热器构成，电路控制箱输出信号控制加热器的功率，真空泵抽取密闭腔室内空气，第一个恒温水浴通过管路与腔室进行低温冷水循环；循环水部中第二恒温水浴的水通过微型水泵接过滤器，过滤器出来的去离子水通过电磁阀后通入腔室内，通过射流泵接喷嘴，喷嘴固定在喷嘴支架上，通过调节喷嘴支架来调节喷嘴的高度和倾斜角度，同时喷射的压力由射流泵来控制，喷嘴在模拟热源正上方，数据采集仪采集模拟热源温度送计算机处理后送控制电路，控制电路通过对电磁阀的开和关控制以达到对模拟热源进行脉冲式喷雾冷却。
2.根据权利要求1所述脉冲式喷雾冷却装置，其特征在于，所述热沉通过一层导热硅胶粘在受热铜块顶端，受热铜块周围包裹保温层，受热铜块内嵌有热电偶，嵌入受热铜块内的热电偶测量受热铜块的热流量和表面温度，所有测得的信号均通过数据采集仪输入计算机；另热电偶温度信号经 PID 温控，反馈至电路控制箱中调压器，从而控制加热器的功率，使受热铜块表面维持预定的温度；同时管路上的微型水泵由电路控制箱来控制其开启度，计算机通过控制电路板对电磁阀进行开关控制，在计算机上设置电磁阀的开合、开和关时间、控制频率参数。
3.根据权利要求1或2所述脉冲式喷雾冷却装置的脉冲控制方法，其特征在于，控制电路采用16MHz晶振的ATmega328单片机控制系统，单片机控制系统输出脉冲控制信号给电磁阀，电磁阀为机械响应时间5ms高精度液动电磁阀，电磁阀关则停止喷嘴喷射，电磁阀开则进行喷射，喷射时间加停喷时间为一个周期，占空比即为喷射时间占一个周期的百分比，单片机控制系统根据模拟热源与腔体室内温度差计算占空比，对模拟热源进行周期脉冲喷雾冷却；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180921 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |