CN113411940A - 一种基于离子风强化及能源转化利用的静电雾化冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于离子风强化及能源转化利用的静电雾化冷却系统，包括冷却装置、热基底、发电系统、控制台；冷却装置内部自上往下划分为蒸汽室、储液室和冷却室，蒸汽室通过蒸汽管连接发电系统，将蒸汽室内产生的蒸汽输入发电系统；储液室分别通过进液管和补液管与储液罐连接形成冷却液循环通道；冷却室置于热基底上，用于对热基底进行冷却；蒸汽室和冷却室之间通过过渡通道连通，将冷却室内产生的高温蒸汽输入蒸汽室。本系统采取了静电雾化喷雾与电晕离子风相结合的冷却方式，削弱了中心蒸发快边缘蒸发慢导致的液膜不匀的负面影响；采用了压力及重力自动补液的方式，降低了能耗；同时将散去的热能部分转化为电能并进行储存，节约了能源。
Description
技术领域
本发明属于冷却换热领域，尤其涉及一种兼顾能源转换利用与离子风强化冷却的静电雾化冷却系统。
背景技术
随着碳中和概念的提出，国家对于减少碳排放的要求不断提高，提高能源利用率，无疑是响应国家号召的有效措施。而如今电子设备性能不断提升，其热管理问题也正面临严峻挑战，散热能力不足、局部热点等问题日益突出。自然对流、热管、单相循环风冷及液冷等传统散热方式已经难以满足大功率下的热控需求。如何兼顾提高能源利用率的同时解决高热流电子元器件的散热需求，已然成为了当下研究人员急需专攻的重点方向。
喷雾冷却是指将加压雾化后的液体工质快速喷射到发热表面的高效换热过程，其因具有换热能力强、工质利用率高、冷却均匀性好的优点得到广泛应用。而与传统压力与机械雾化方式不同，静电雾化无需较大背压仅通过引入高压静电即可实现工质的精细雾化。其不仅具有粒径、喷射角度可控等优点，而且兼具能耗低的优势。而喷雾冷却与静电喷雾冷却同时存在着由于热基面上往往温度梯度较大而产生的液膜分布不均的现象，如果液膜较薄则会出现热源中心干涸的情况，而液膜较厚则会影响换热效果。采取阵列的方式可以使液膜铺展更加均匀，并且通过在喷雾集中点施加电晕离子风的方法，加快冷却液蒸发的同时使液体向每个喷雾单元的中心聚拢，削弱了中心蒸发快边缘蒸发慢导致的液膜不匀的负面影响。此外，在对高温表面进行冷却时，这些散失的热能往往被人们所忽略，浪费了大量能源。立足于此点，本发明将冷却液蒸发时产生的大量的热蒸汽进行收集，并通过汽轮机和发电机组发电，使得这些原本被浪费的热能得到了二次利用，有效地提高了装置的能源利用率。
与以往的静电雾化喷雾冷却技术相比，本发明将电晕离子风与静电喷雾冷却这两种技术有机结合在一起，削弱了液膜分布不均的负面效果的同时提升了蒸发速率，从而提升喷雾冷却的能力。此外，该装置采取了压力及重力自动补液的方式代替了传统的泵给液功能，通过设定机器的标准压力达到不同流量大小的需求，因此相比较于其他静电雾化冷却装置，该装置具有更低的能耗。不仅如此，它还能将部分耗散热能转化为电能，可以有效的节约能源。
发明内容
为了解决现有技术的不足与缺陷，本申请提出了一种基于离子风强化及能源转化利用的静电雾化冷却系统，采取了静电雾化喷雾与电晕离子风相结合的冷却方式，削弱了中心蒸发快边缘蒸发慢导致的液膜不匀的负面影响；采用了压力及重力自动补液的方式，降低了能耗；装备了发电系统，能将散去的热能部分转化为电能并进行储存，节约了能源；整个装置为封闭式系统，将冷却液的损耗降至最低，极大提高了冷却液的重复利用率。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于离子风强化及能源转化利用的静电雾化冷却系统，包括冷却装置、热基底、发电系统、控制台；冷却装置内部自上往下划分为蒸汽室、储液室和冷却室，蒸汽室通过蒸汽管连接发电系统，将蒸汽室内产生的蒸汽输入发电系统；储液室分别通过进液管和补液管与储液罐连接形成冷却液循环通道；冷却室置于热基底上，用于对热基底进行冷却；蒸汽室和冷却室之间通过过渡通道连通，将冷却室内产生的高温蒸汽输入蒸汽室。
进一步，补液管内设有双向泵和流量传感器，流量传感器用于检测内的流量，双向泵用于切换补液管内液体流向实现排液和补液。
进一步，冷却装置包括外壳，在外壳内设置两层平行布置的隔热板，自上往下分别是第一隔热板和第二隔热板；两层隔热板将外壳的空间自上往下依次分割为蒸汽室、储液室和冷却室；
进一步，外壳的底部连接接收电极；
进一步，在第二隔热板的底部表面上依次贴壁设置喷嘴电路板和发射电极电路板；喷嘴电路板和发射电极电路板均设有电源接口。
进一步，在冷却室内设置阵列排布的喷嘴以及发射电极，喷嘴的顶端穿过第二隔热板、喷嘴电路板和发射电极电路板与储液室连通；喷嘴的壁面与喷嘴电路板接触，喷嘴的壁面与发射电极电路板用绝缘体隔绝；喷嘴的底部朝向冷却室设置；发射电极的顶部固定在发射电极电路板上，且发射电极喷嘴电路板之间绝缘。
进一步，储液室内设有压力传感器，用于检测储液室内的压力信息；
进一步，控制台中装备了警示灯、数显装置、双向泵控制电路和稳流电路。具体地，稳流电路包括依次连接的稳定直流电源转换器、自激振荡电路、升压变压器和整流器，稳流电路的稳定直流电源转换器端连接市电电源，稳流电路的整流器端连接电极接口，电极接口连接供电线连接电源接口。整流器和电极接口之间通过电位器连接电压数显表，将电压示数显示在电压数显装置上。稳定直流电源转换器依次与警示灯、数显装置、压力传感器相连。双向泵控制电路包括依次连接的泵开关、电位器、双向泵、流量传感器和数显装置；通过控制台实现对整个静电雾化冷却系统的控制以及参数检测。
进一步，所述发电系统包括汽轮机、发电机及蓄电池；汽轮机的蒸汽入口通过蒸汽管连接蒸汽室，汽轮机通过动力轴带动发电机工作发电，发电机通过导线与蓄电池连接，将电能进行存储。
本发明的有益效果：
1.本发明中采取压力及重力自动补液的方式代替了传统的泵给液功能，通过设定机器的标准压力达到不同流量大小的需求，因此相比较于其他静电雾化冷却装置，该装置具有更低的能耗。
2.本发明采取多喷头阵列静电喷雾的方式使液膜铺展更加均匀，并且通过在喷雾集中点施加电晕离子风，加快冷却液蒸发的同时使液体向每个喷雾单元的中心聚拢，削弱了中心蒸发快边缘蒸发慢导致的液膜不匀的负面影响。
3.本发明可以通过压力表实时监测储液室内的液体压力，通过双向泵进行吸液或排液，通过改变喷嘴电压调整雾化参数，实时对喷嘴流量及雾化锥角进行调整。
4.本发明对于耗散的热能进行了二次利用，采用热蒸汽发电的同时降低了蒸汽温度，便于蒸汽在储液罐内凝结，提升了装置的能源利用率。
5.本发明采取了闭式循环系统，降低了冷却液损耗的同时避免了环境的污染。
附图说明
图1是本发明的静电雾化冷却系统结构示意图；
图2是本发明的控制台电路方框图；
图3是本发明的冷却装置的示意图；
图4是本发明的冷却范围示意图；
图5是本发明的发射电极电路示意图；
图6是本发明的喷嘴电路示意图；
图7是本发明的控制台操作面板示意图；
图中，1、冷却装置，2、进液管，3、阀门，4、热基底，5、控制台，6、汽轮机，7、发电机，8、蓄电池，9、蒸汽管，10、储液罐，11、供电线，12、补液管，13、蒸汽室，14、过渡通道，15、储液室，16、喷嘴线路板，17、发射电极线路板，18、冷却室，19、接收电极，20、外壳，21、隔热板，22、电源接口，23、发射电极，24、喷嘴，25、压力表，26、泵开关，27、发射电极/喷嘴电压旋钮，28、接地插口，29、电源插口，30、电压数显表，31、流量示数板，32、警示灯。
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、3所示，本发明一种基于离子风强化及能源转化利用的静电雾化冷却系统，包括冷却装置1、热基底4、发电系统、控制台5。冷却装置1内部自上往下划分为蒸汽室13、储液室15和冷却室18，蒸汽室13通过蒸汽管9连接发电系统，将蒸汽室13内产生的蒸汽输入发电系统；储液室15分别通过进液管2和补液管12与储液罐10连接形成冷却液循环通道；冷却室18置于热基底4上，用于对热基底4进行冷却。补液管12内设有双向泵和流量传感器，流量传感器用于检测12内的流量，双向泵用于切换补液管12内液体流向实现排液和补液。
如图3所冷却装置1包括外壳20，在外壳20内设置两层平行布置的隔热板21，自上往下分别是第一隔热板和第二隔热板；两层隔热板21将外壳20的空间自上往下依次分割为蒸汽室13、储液室15和冷却室18；蒸汽室13通过蒸汽管9连接发电系统；在储液室15内设置有多根过渡通道14，过渡通道14的两端分别与蒸汽室13、冷却室18连通；用于将冷却室18内产生的高温蒸汽输入蒸汽室13。在第二隔热板的底部表面上依次贴壁设置喷嘴电路板16和发射电极电路板17；喷嘴电路板16和发射电极电路板17均设有电源接口22。储液室15内设有压力传感器，用于检测储液室15内的压力信息；
在冷却室18内设置阵列排布的喷嘴24以及发射电极23，喷嘴24的顶端穿过第二隔热板、喷嘴电路板16和发射电极电路板17与储液室15连通。同时，喷嘴24的壁面与喷嘴电路板16接触，喷嘴24的壁面与发射电极电路板17用绝缘体隔绝；喷嘴24的底部朝向冷却室18设置；发射电极23的顶部固定在发射电极电路板17上，且发射电极23喷嘴电路板16之间绝缘。外壳20的底部连接接收电极19；
发射电极23布置方式包括但不仅限于附图5中的布置：发射电极23的数量为24，材料为紫铜，单根发射电极23的直径为1mm，其底部需要经过打磨形成尖端，针尖不超过0.5mm；发射电极23连接高压直流电源，发射电极23与接收电极19的距离为30mm；所述发射电极23加载的压力可以针对热基底4降温的不同要求以及喷嘴24流量进行调整，在0-12kv的范围内进行选择，从而改变离子风风速，使得效益最大化；
所述喷嘴24的布置，包括但不仅限于附图6中的布置：数量为12个，喷嘴24的长度比发射电极长度长5-8mm，在该布置下工作时单个喷嘴24最小雾化半径标准为12mm，最大雾化半径标准为14mm。如图4所示，在中心位置为发射电极23，其四周放置着按90度角为间隔均匀分布的四个喷嘴24，喷嘴24中心到发射电极23的距离为10mm；喷嘴24的外围则是一圈以20mm距离为半径、45度角为间隔分布的发射电极23；更外围则是由发射电极23与喷嘴24间隔分布组成的圆环，圆环的半径为30mm，发射电极23与其相邻的喷嘴24间形成的圆心角为22.5(如需扩大该设备的冷却范围，则其发射电极23与喷嘴24的分布应按照两者间隔排列的方式依次向外扩展布置，每次扩大圆环的距离为10mm)；最外圈则是一圈沿着内圈喷嘴24与中心发射电极23连线向外扩展10mm布置的发射电极23。这样的布置可以保证在每个喷嘴24的周围都有四个发射电极23，使得冷却液可以向中心干涸区域集中。此外，这些发射电极23还集中在喷嘴24与喷嘴喷射冷却液范围的交汇处，使交汇处的液体向周围扩散，能够让整个接收电极19上的冷却液分布更加均匀。
为了保证每个发射电极23的荷电均匀的同时避开喷嘴24位置，设计并采取了如图5所示的中心对称电路，该布置能够有效的减少荷电不均匀性及减少对于喷嘴荷电的干扰。此外，针对喷嘴荷电电路，采取了如图6所示的对称布置，有效提高了喷嘴荷电的均匀性。
所述发电系统包括汽轮机6、发电机7及蓄电池8；汽轮机6的蒸汽入口通过蒸汽管9连接蒸汽室13，汽轮机6通过动力轴带动发电机7工作发电，发电机7通过导线与蓄电池8连接，将电能进行存储。
如图2和7所示的控制台中装备了警示灯32、数显装置、双向泵控制电路和稳流电路。具体地，稳流电路包括依次连接的稳定直流电源转换器、自激振荡电路、升压变压器和整流器，稳流电路的稳定直流电源转换器端连接市电电源，稳流电路的整流器端连接电极接口，电极接口连接供电线11连接电源接口22。整流器和电极接口之间通过电位器连接电压数显表30，将电压示数显示在电压数显装置30上。稳定直流电源转换器依次与警示灯32、数显装置、压力传感器相连。双向泵控制电路包括依次连接的泵开关、电位器、双向泵、流量传感器和数显装置。通过控制台实现对整个静电雾化冷却系统的控制以及参数检测。
如图2所示，所述控制台可以根据不同的降温需求调节装置的工作压力标定区间；控制台内装有测量储液室底部压力的压力传感器，在压力表25上实时显示当前压力；当储液室内的压力低于指定最低压力时，警示灯32开启并闪烁红光，提示需要打开泵排液开关26进行主动供液；当储液室内的压力高于指定最大压力时，警示灯开启并闪烁黄光，提示需要打开泵吸液开关26进行主动吸液；当泵内液体压力处于标定区间范围时，警示灯停止闪烁并关闭。此外，控制台内还包含了稳定直流电源转换器和电位器，可将交流电转化为直流电，分别给针电极及喷嘴提供稳定电压，并将电压示数显示在电压数显装置30上，通过旋钮27可以调节两者的电压大小。控制台内双向泵的流量也可以通过电位器调节，并在流量数显装置31上显示当前流量大小，提升吸液/排液效率。控制台的外部如图7所示设有压力表25、泵开关26、发射电极/喷嘴电压旋钮27、接地插口28、电源插口29、电压数显表30、流量示数板31、警示灯32。
图4所示两个虚线圆之间为对应喷嘴及发射电极布置下该冷却系统的最佳冷却范围，其中，黑色实心圆表示发射电极23，空心圆表示喷嘴24；所述发电装置是采取了热饱和蒸汽带动汽轮机叶片旋转从而使发电机切割磁场线发电的方案，所需热饱和蒸汽压力压力较大，因而该装置需要在高热流密度表面工作时才能有效的产电。
本装置整体为封闭式，使冷却液能得到最大幅度的回收利用，有效地节约了资源。
本申请中的冷却液为沸点较低的挥发性液体，在选用冷却液时应注意其对汽轮机的腐蚀性。
下面结合本发明的工作过程作进一步解释：
机器运作之前，需要根据降温需求设定储液室15内的标定压力区间32，机器开始运转时，首先启动控制台，将冷却装置的供电线11接入电源接口29，随即打开进液管及蒸汽管上的截止阀3，所述储液室15内的冷却液受重力作用自动下落，施加电压后形成喷雾。根据所需冷却量调整标定压力区间(所需冷却需求大，则需要提高压力区间，反之则降低压力区间)，从而确定喷嘴流量，修改喷嘴电压及发射电极电压；如储液室15内压力超过或低于标定压力区间，可打开补液管12截止阀，开启双向泵进行手动排液或补液。当冷却室18内的冷却液受到热基面4的加热与离子风吹扫双重作用快速蒸发时，产生大量热蒸汽，热蒸汽通过过渡管道14后进入蒸汽室13；在蒸汽室13内形成高压热饱和蒸汽。这些高压蒸汽在通过蒸汽管9后进入汽轮机6运作，从而使发电机7产电；而热蒸汽在经过汽轮机6之后会变成低压湿蒸汽和部分液体，通过蒸汽管9进入储液罐10，回收冷却液的同时提供一定压力，配合重力实现储液室15的自动补液。产生的电能会被储存在蓄电池8中，以供其他场合使用。
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 (9)
1.一种基于离子风强化及能源转化利用的静电雾化冷却系统，其特征在于，包括冷却装置(1)、热基底(4)、发电系统、控制台(5)；冷却装置(1)内部自上往下划分为蒸汽室(13)、储液室(15)和冷却室(18)，蒸汽室(13)通过蒸汽管(9)连接发电系统，将蒸汽室(13)内产生的蒸汽输入发电系统；储液室(15)分别通过进液管(2)和补液管(12)与储液罐(10)连接形成冷却液循环通道；冷却室(18)置于热基底(4)上，用于对热基底(4)进行冷却；蒸汽室(13)和冷却室(18)之间通过过渡通道(14)连通，将冷却室(18)内产生的高温蒸汽输入蒸汽室(13)。
2.根据权利要求1所述的一种基于离子风强化及能源转化利用的静电雾化冷却系统，其特征在于，冷却装置(1)包括外壳(20)，在外壳(20)内设置两层平行布置的隔热板(21)，自上往下分别是第一隔热板和第二隔热板；两层隔热板(21)将外壳(20)的空间自上往下依次分割为蒸汽室(13)、储液室(15)和冷却室(18)。
3.根据权利要求2所述的一种基于离子风强化及能源转化利用的静电雾化冷却系统，其特征在于，外壳(20)的底部连接接收电极(19)。
4.根据权利要求2所述的一种基于离子风强化及能源转化利用的静电雾化冷却系统，其特征在于，在第二隔热板的底部表面上依次贴壁设置喷嘴电路板(16)和发射电极电路板(17)；喷嘴电路板(16)和发射电极电路板(17)均设有电源接口(22)。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于离子风强化及能源转化利用的静电雾化冷却系统，其特征在于，补液管(12)内设有双向泵和流量传感器，流量传感器用于检测(12)内的流量，双向泵用于切换补液管(12)内液体流向实现排液和补液。
6.根据权利要求5所述的一种基于离子风强化及能源转化利用的静电雾化冷却系统，其特征在于，在冷却室(18)内设置阵列排布的喷嘴(24)以及发射电极(23)，喷嘴(24)的顶端穿过第二隔热板、喷嘴电路板(16)和发射电极电路板(17)与储液室(15)连通；喷嘴(24)的壁面与喷嘴电路板(16)接触，喷嘴(24)的壁面与发射电极电路板(17)用绝缘体隔绝；喷嘴(24)的底部朝向冷却室(18)设置；发射电极(23)的顶部固定在发射电极电路板(17)上，且发射电极(23)喷嘴电路板(16)之间绝缘。
7.根据权利要求5所述的一种基于离子风强化及能源转化利用的静电雾化冷却系统，其特征在于，储液室(15)内设有压力传感器，用于检测储液室(15)内的压力信息。
8.根据权利要求5所述的一种基于离子风强化及能源转化利用的静电雾化冷却系统，其特征在于，控制台中装备了警示灯(32)、数显装置、双向泵控制电路和稳流电路；稳流电路包括依次连接的稳定直流电源转换器、自激振荡电路、升压变压器和整流器，稳流电路的稳定直流电源转换器端连接市电电源，稳流电路的整流器端连接电极接口，电极接口连接供电线(11)连接电源接口(22)；整流器和电极接口之间通过电位器连接电压数显表(30)，将电压示数显示在电压数显装置(30)上；稳定直流电源转换器依次与警示灯(32)、数显装置、压力传感器相连。双向泵控制电路包括依次连接的泵开关、电位器、双向泵、流量传感器和数显装置；通过控制台实现对整个静电雾化冷却系统的控制以及参数检测。
9.根据权利要求1所述的一种基于离子风强化及能源转化利用的静电雾化冷却系统，其特征在于，所述发电系统包括汽轮机(6)、发电机(7)及蓄电池(8)；汽轮机(6)的蒸汽入口通过蒸汽管(9)连接蒸汽室(13)，汽轮机(6)通过动力轴带动发电机(7)工作发电，发电机(7)通过导线与蓄电池(8)连接，将电能进行存储。
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