CN115435523B - 一种固态被动蒸发冷却系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固态被动蒸发冷却系统和方法，属于蒸发冷却技术领域。包括水凝胶体、给水通道、水凝胶根和给水装置；所述的给水通道一端嵌入水凝胶体内，嵌入水凝胶体内部的给水通道外壁上设于若干出水口，给水通道另一端的进水口连接给水装置，所述的给水装置用于为给水通道泵入水溶液；所述的给水通道内部设有水凝胶根。本发明利用了水凝胶固化水溶液以达到节水效果，在蒸发冷却过程中，系统内部可自发形成或增强系统内部渗透压；给水通道可调节水凝胶的含水量和提供给水驱动力，在蒸发界面构造微结构提高蒸发面积和内部毛细管道提供毛细力，以提高在蒸发过程中水的输运，进而实现高效的蒸发冷却和稳定运行，实现超低运行成本，冷却效果好。
Description
技术领域
本发明属于蒸发冷却技术领域，更具体地，涉及一种固态被动蒸发冷却系统和方法。
背景技术
水蒸发吸热，具有冷却功能，是一种常见的物理现象。基于水蒸发原理开发的被动冷却技术可以直接借助谁的水的蒸发对物体进行冷却，从而可以避免复杂的机械结构构造和冷媒对环境的影响。例如蒸发1kg水大约有2500kJ的冷量。因此水被动蒸发冷却技术具有耗量很小和制冷量大的特点，因此，逐渐收到了人们的关注。
现有的一些被动蒸发技术，主要集中在在物体覆水，包括表面蓄水、淋水或者喷水。然而，由于水的无定形的状态，在喷洒过程中极易造成谁的浪费和蓄水容易造成水污染，进而限制了传统被动蒸发冷却技术的进一步应用，并对应用的硬件条件提出了极高的要求，如水质、蓄水能力以及水处理，极大的提高了成本。
发明内容
为了解决现有蒸发冷却的技术问题，本发明提供了一种的固态被动蒸发冷却方法和冷却系统，相较于传统的被动蒸发冷却技术，基于全固态蒸发冷却技术能够实现固水作用防止水的蒸发过程的浪费和抗污特性，并在三种驱动力：蒸腾作用，渗透作用，和给水通道的驱动力作用下，实现更为高效蒸发冷却性能。其原因是水凝胶内部水为分散介质，其蒸发焓小于液态水，并且系统内部可自发形成渗透压以驱动水在蒸发冷却系统内部高效地运输，进而提高冷却效率。
本发明采用的技术方案如下：
第一个方面，本发明提供一种固态被动蒸发冷却系统，包括水凝胶体、给水通道、水凝胶根和给水装置；所述的给水通道连接给水装置，所述的给水装置用于为给水通道泵入水溶液；给水通道的管壁上设有若干出水口，所述的出水口嵌入水凝胶体内；所述的给水通道内部设有水凝胶根。
作为本发明的优选，所述的水凝胶体和水凝胶根内部存在带电荷的离子网络。
作为本发明的优选，所述的给水通道在水凝胶体内部平行或者纵横交错。
作为本发明的优选，所述的水凝胶体的一侧用于与被冷却物体直接接触，另一侧用于蒸发散热，且另一侧表面设有微结构。
作为本发明的优选，所述的水凝胶根一端与水凝胶体相连，充满给水通道的出水口，水凝胶根另一端浸入给水通道内部的水溶液中；所述的水凝胶根另一端的形状包括平面、锯齿状、三角形中的一种或多种组合。
作为本发明的优选，所述的给水装置内设有增压装置。
第二个方面，本发明提供一种上述的固态被动蒸发冷却系统的制备方法，包括以下步骤：
S1，制备水凝胶溶液；
S2，将开孔的给水通道浸入界面偶联剂溶液中，取出晾干，若干给水通道平行或交错放置于模具中；
S3，将水凝胶溶液倒入模具，给水通道抽气，使水凝胶溶液充满给水通道(1) 内部，静置成型，采取光引发或热引发的方法聚合成型，水凝胶聚合成型；
或者，将水凝胶溶液注入给水通道，注满后，两端封住，静置成型后放入模具中；将水凝胶溶液倒入模具中，采取光引发或热引发的方法聚合成型将水凝胶聚合成型；
S4，采用钻孔装置从位于水凝胶体外部的给水通道端口开始沿给水通道的轴线钻孔，使钻后的通孔贯穿给水通道，通孔的横截面为平面、锯齿状、三角形中的一种或多种组合，形成水凝胶根；位于给水通道内部的水凝胶根与外部的水凝胶体连为一体。
进一步地，所述的模具底部为粗糙平面，用于在水凝胶体一侧的表面形成微结构，提高水分蒸发效率，进而提高被冷却物体的冷却效率。
第三个方面，本发明提供一种上述的固态被动蒸发冷却系统的冷却方法，包括：
将固态被动蒸发冷却系统中水凝胶体的一侧与被冷却物体接触，通过给水装置向给水通道内泵入离子浓度低于水凝胶体的水溶液，并使给水通道内保持水压；
当水分从水凝胶体表面蒸发时，在水凝胶体内部形成蒸腾压，驱动水凝胶根吸水以及驱动水分子在水凝胶体内部运输；水凝胶体蒸发界面的动态蒸发导致在水凝胶蒸发界面处的离子浓度提高，并与水凝胶体内部形成离子浓度梯度，进而由于离子浓度梯度差形成或增加渗透压；
给水通道的水溶液在渗透压、蒸腾压和水压的共同作用下，驱动水分子从给水通道向水凝胶体的蒸发表面输运，提高被冷却物体的冷却效率。
进一步地，通过调节给水装置向给水通道内泵入的水溶液的浓度和种类，能够改变水凝胶根与水溶液的渗透压。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1)本发明提出的固态被动蒸发冷却系统中，在水凝胶体与水溶液的固液界面处，由于离子浓度的差别，固液界面处的水凝胶发生溶胀，溶胀后离子浓度降低，通过调节水凝胶体内部的离子网络的梯度，可以实现水分子在水凝胶体内部的高效输运；同时，水凝胶体内部的离子网络结构能够保证离子不会因为蒸发和水的运输过程而向低浓度区域迁移，以保证水凝胶内部渗透压持续存在。
2)本发明通过在给水通道内部构造水凝胶根的方式形成毛细管道，进一步提高水凝胶的输水特性。
3)本发明具有结构简单，散热能力强，续航时间长的特点，可用于发动机、芯片、机房、属集装箱、太阳能电池板等散热，应用范围广。
附图说明
图1为本发明实施例示出的固态被动蒸发冷却系统示意图；
图2为图1示出的A虚线处的截面示意图；
图3为图1示出的B虚线处单个水通道的截面和可选的几种不同水凝胶根类型示意图；
图4为本发明实施例示出的固态被动蒸发冷却系统与传统蓄水式蒸发冷却系统的性能对比示意图；
图5为本发明实施例示出的给水通道在水凝胶体内部平行布置的示意图；
图6为本发明实施例示出的给水通道在水凝胶体内部纵横交错布置的示意图；
图7为本发明实施例示出的三种给水通道结构示意图；
图中，1-给水通道，2-水凝胶体，3-水凝胶根，4-给水装置，5-水溶液，6- 进水口，7-出水口。
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以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-3所示，本公开发明的实施例提供一种固态被动蒸发冷却系统，主要由五部分组成：给水通道1、水凝胶体2、水凝胶根3和给水装置4组成，其中给水通道1包括进水口6和出水口7，给水通道1内部由给水装置4泵入水溶液 5，所述的水溶液5与水凝胶根3在给水通道1内共存。
所述的给水通道1的出水口6位于水凝胶体2内部。给水通道可以为水凝胶补充水分，同时通过调节给水通道的分布可以增强系统的力学性能。本实施例中，给水通道的材料不限于有机无机金属材料。
所述的水凝胶体2和水凝胶根3内部存在带某种电荷的离子网络，即离子网络可以带负电荷也可以带正电荷。离子网络的存在保证了离子很难向低浓度区域发生迁移，进而能够保证离子不会因为蒸发和水的运输过程而发生迁移。由于离子网络的存在，进而在蒸发过程中由于水分的蒸发，水凝胶蒸发界面的离子浓度动态提高，进而本发明的被动制冷系统可自发在界面处形成渗透压，驱动系统内部的水向蒸发界面输运。
所述的水凝胶体2的一侧直接与被冷却物体接触。本实施例中，通过在被冷却物体表面涂抹界面偶联剂的方式增加水凝胶体与被冷却物体之间的有效接接触；另一侧用于蒸发散热，且另一侧表面设有微结构辅助增加散热效果，可通过设置粗糙化的表面作为微结构，可以提高水凝胶的蒸发面积，进而提高水凝胶的蒸发效率。
所述的水凝胶根3从给水通道1的出水口7处伸入到给水通道内部，水凝胶根3的一端与水凝胶体2相连，水凝胶根3另一端浸入给水通道1内部的水溶液中用于吸水和储水。由于水凝根存在离子网络，进而与水溶液形成渗透压，在渗透压的作用下，水凝胶根主动从水溶液中吸水水分；由于给水通道外的水凝胶蒸发失水后会产生蒸汽压，进而外部水凝胶与水凝胶根形成水势差，水凝胶根在蒸腾作用下，从给水通道吸水并向上传输水。同时，水凝胶根吸水溶胀作用可以大大提高水凝胶内部的得水和储水能力，以保证水凝胶长期稳定的工作。
所述的给水装置4用于为给水通道1泵入水溶液，其形状不受限制，其内部可以内置增压装置，增压方式不限于重力势能增压、增压泵增压和压力增压等方式。在水压作用下，给水通道的水溶液向水凝胶内部输运，同时水凝胶根受到压力作用，使得水凝胶根存储的水向给水通道外的水凝胶体输运。
在本发明的一项具体实施中，如图3所示，在水通道内部的水凝胶根的表面微结构可以任意设计，包括平面、锯齿状、三角形中的一种或多种组合，该表面设计增加了水凝胶根的吸水和储水能力。
本发明的固态被动蒸发冷却系统中的给水通道1的水溶液在渗透压、蒸腾压和水压的共同作用下，驱动水分子从给水通道1向水凝胶体2的蒸发表面输运，提高被冷却物体的冷却效率。其原理如下：固态被动蒸发冷却系统中的水凝胶体一侧与被冷却物体接触，另一侧作为蒸发界面暴露于外界环境中。当水分从水凝胶表面蒸发时，在水凝胶内部形成蒸腾压，驱动水凝胶根吸水和水在水凝胶内部的运输；水凝胶蒸发界面的动态蒸发将导致在水凝胶蒸发界面处的离子浓度提高，与水凝胶内部形成离子浓度梯度，进而由于离子浓度梯度差形成渗透压差。在渗透压的驱动下，水分子可以沿离子浓度梯度进行输运，即蒸发作用下条件下形成渗透压差将驱动水凝胶内部水分子向蒸发界面输运，进而提高冷却效率。同时，由于水凝胶内部具有离子网络，进而能够保证离子不会因为蒸发和水的运输过程中而向低浓度区域迁移，以保证水凝胶内部渗透压的持续存在。
在本发明的一项具体实施中，通过调节水溶液的浓度和种类可以提高水凝胶根与水溶液的渗透压和储水性能。同时可抑制水凝胶根过度吸水溶胀(含水率过高)而影响蒸发，实现对本发明冷却系统力学特性的改善和蒸发冷却效率的提高。
在本发明的一项具体实施中，可以通过调控给水通道的位置和给水装置的压强，为给水通道内部的水提高驱动力向水凝胶根内部运输，同是压缩吸水的水凝胶根向水凝胶内输水。此外，通过在给水通道内部构建水凝胶根的方式形成毛细管道，可以进一步提高水凝胶的输水特性。
上述固态被动蒸发冷却系统的制备方法如下：
S1，制备水凝胶溶液；具体的，将水凝胶单体、交联剂和引发剂按照一定比例配制成水溶性水凝胶溶液，同时制备带电单体溶液；将带电单体溶液和水凝胶溶液按照摩尔混合在一起。
S2，将开孔的给水通道浸入界面偶联剂溶液中2分钟，取出晾干，若干给水通道平行或交错放置于模具中。
S3，将水凝胶溶液倒入模具，给水通道抽气，使水凝胶溶液充满给水通道(1) 内部，静置成型，无氧环境下通过紫外灯照射，水凝胶聚合成型；
或者，将水凝胶溶液注入给水通道，注满后，两端封住，静置成型后放入模具中；将水凝胶溶液倒入模具中，无氧环境下通过紫外灯照射，水凝胶聚合成型；
按照引发剂种类不同，引发聚合为内部具有带电离子网络的水凝胶体。
S4，采用钻孔装置从位于水凝胶体外部的给水通道端口开始沿给水通道的轴线钻孔，使钻后的通孔贯穿给水通道，通孔的横截面为平面、锯齿状、三角形中的一种或多种组合，形成水凝胶根；位于给水通道内部的水凝胶根与外部的水凝胶体连为一体。
在本发明的一项具体实施中，步骤S1中，单体与引发剂地摩尔比1：0.0001～1：0.1；单体与交联剂地摩尔比为1：0.0001～1：0.1。
带电单体可以采用阳离子带电单体或阴离子带电单体但不限于两者的复合，带电单体可以采用以下中的一种，如甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、乙烯亚胺、乙烯胺、丙烯酸、丙烯酸钠、甲基丙烯酸、乙烯磺酸、苯乙烯磺酸钠、4-乙烯基-丙磺酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠、乙烯吡啶等。中性单体可以采用以下中的一种及几种如丙烯酰胺系、聚乙烯醇系、羟乙基纤维素系、海藻酸钠、羧甲基纤维素、琼脂糖、海藻酸钠、壳聚糖等、透明质酸和明胶。交联剂可以采用以下中的一种，如N，N'-亚甲基双丙烯酰胺、丙二胺。引发剂可以采用光引发剂或热引发剂，如氧化还原类引发剂、有机过氧化物、无机过氧化物、偶氮类引发剂中的一种，如过硫酸铵、过硫酸钾、2-羟基 -4'-2-羟基乙氧基-2-甲基苯乙酮、二苯乙酮等。界面耦合剂可以采用以下的一种，如硅烷偶联剂、二苯甲酮等。
水凝胶也可以同时带有正负两种离子网络，并可以是分别带有不同离子网络水凝胶的组合。水凝胶和界面的黏合也可以采用静电黏合方式。
在保证不破坏给水通道的情况下，给水通道的出水口开孔方式大小、形状和位置不限。
在本发明的一项具体实施中，制备水凝胶溶液的方法为：
实施例1：(1)将0.01M的N，N’一亚甲基双丙烯酸胺加到2M丙烯酰胺溶液，搅拌至溶解。(2)将等量的2M的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠溶液加入步骤1所提溶液。(3)取等量溶液搅拌混合。(4)加入2wt％的琼脂糖和2/1000 M的光引发剂，在90℃的水浴搅拌溶解，得到澄清的水凝胶溶液。
实施例2：(1)将0.01M的N，N’一亚甲基双丙烯酸胺加到2M丙烯酰胺溶液，搅拌至溶解。(2)将等量的2M的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠溶液加入步骤1所提溶液。(3)取等量溶液搅拌混合。(4)加入2wt％的琼脂糖和2/1000 M的光引发剂，在90℃的水浴搅拌溶解，得到澄清的水凝胶溶液。
实施例3：(1)将0.01M的N，N’一亚甲基双丙烯酸胺加到2M丙烯酰胺溶液，搅拌至溶解。(2)将等量的2M的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠溶液加入步骤1所提溶液。(3)取等量溶液搅拌混合。(4)加入2wt％的琼脂糖和2/1000 M的光引发剂，在90℃的水浴搅拌溶解，得到澄清的水凝胶溶液，形成带阴离子单体水凝胶溶液。
在本发明的一项具体实施中，步骤S3中，可以先将水凝胶溶液倒入模具，给水通道抽气，使水凝胶溶液充满给水通道内部，静置成型，无氧环境下通过紫外灯照射，水凝胶聚合成型，使得给水通道内外的水凝胶相同，水凝胶体与水凝胶根带同种电荷。还可以将水凝胶溶液注入给水通道，注满后，两端封住，静置成型后放入模具中；将水凝胶溶液倒入模具中，无氧环境下通过紫外灯照射，水凝胶聚合成型，该方法可制备水通道内外的水凝胶不同的结构，水凝胶根与水凝胶体带异种电荷，形成静电组装，在两者界面能够形成界面电场，进而提高水的运输，增大蒸腾作用。
在本发明的一项具体实施中，步骤S4中，用钻孔装置给将水通道钻孔，利用给水装置泵入低浓度水溶液，水凝胶沿着给水通道内部出水口吸水溶胀，最终在给水通道内部形成根结构。本实施例中，所述的低浓度水溶液可以为以下的一种或几种的混合溶液，不限于纯水、生活用水、氨水、盐水。盐水的种类可以是任意的盐溶液，不限于一种或几种的混合，如NaCl、KCl、CuSO4、LiCl、LiBr、 Zn(ClO4)2、K2S2O8、ZnCl等。
为了便于对比，我们采用传统蓄水被动蒸发冷却系统与固态被动蒸发冷却系统做对比。传统蓄水被动蒸发冷却系统的蒸发冷却方式是水槽中通入5mm高的生活用水。本实施例中，将制备得到的系统、水凝胶和传统蓄水被动蒸发冷却系统放置于60℃恒温恒湿箱中，用以测试其蒸发冷却能力，测试如下：
步骤1、将固态被动冷却系统和蓄水式被动冷却系统放置于60℃恒温恒湿箱中。
步骤2、对两种冷却系统与周围环境进行6个小时温度监测。
如图4所示，明显的固态被动冷却系统的冷却能力远远超于传统蓄水被动蒸发冷却系统和单独水凝胶的冷却能力。
如图5所示，给水通道位于固态被动蒸发冷却系统上方，可以借助水的重力势能为水凝胶补充水分。给水通道的组合不限于横向分布和纵向分布，还可以是如图6所示的纵横交错的网络结构。此外，给水通道的出水口的朝向和数量不限，可根据实际需要进行调整，图7示出了三种可选的给水通道结构示意图。
在本发明的一项具体实施中，通过提高水凝胶表面的粗糙度，以提高水凝胶蒸发界面的面积，进而实现高效的蒸发冷却。更具体地，将水凝胶预聚体溶液倒入内部具有不同目数的粗糙磨具，如毛玻璃磨具、或者砂纸，聚合以后就可以得到表面具有不同表面微结构水凝胶。此外，也可使用物理剪切或者磨处理的方法是实现不同的表面的微结构。
为了提高水凝胶的输水特性，还可以通过刺穿的方式，在蒸发冷却系统的水凝胶体内部造孔，通过孔的毛细作用提高水在水凝胶内部的运输能力。刺穿方向为横向或和纵向方向。
利用上述的固态被动蒸发冷却系统对被冷却物体进行冷却的过程为：
将固态被动蒸发冷却系统中水凝胶体2的一侧与被冷却物体接触，通过给水装置4向给水通道1内泵入离子浓度低于水凝胶体的水溶液，并使给水通道1 内保持水压；通过调节给水装置4向给水通道1内泵入的水溶液的浓度和种类，改变水凝胶根与水溶液的渗透压。
当水分从水凝胶体表面蒸发时，在水凝胶体内部形成蒸腾压，驱动水凝胶根 3吸水以及驱动水分子在水凝胶体内部运输；水凝胶体蒸发界面的动态蒸发导致在水凝胶蒸发界面处的离子浓度提高，并与水凝胶体内部形成离子浓度梯度，进而由于离子浓度梯度差形成或增加渗透压；
给水通道1的水溶液在渗透压、蒸腾压和水压的共同作用下，驱动水分子从给水通道1向水凝胶体2的蒸发表面输运，提高被冷却物体的冷却效率。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种固态被动蒸发冷却系统，其特征在于，包括水凝胶体(2)、给水通道(1)、水凝胶根(3)和给水装置(4)；所述的给水通道(1)连接给水装置(4)，所述的给水装置(4)用于为给水通道(1)泵入水溶液；给水通道(1)的管壁上设有若干出水口(7)，所述的出水口(7)嵌入水凝胶体(2)内；所述的给水通道(1)内部设有水凝胶根(3)，所述的水凝胶根(3)一端与水凝胶体(2)相连，充满给水通道(1)的出水口(7)，水凝胶根(3)另一端浸入给水通道(1)内部的水溶液中；所述的水凝胶根(3)另一端的形状包括平面、锯齿状、三角形中的一种或多种组合；所述的水凝胶体(2)和水凝胶根(3)内部存在带电荷的离子网络。
2.根据权利要求1所述的一种固态被动蒸发冷却系统，其特征在于，所述的给水通道(1)在水凝胶体(2)内部平行或者纵横交错。
3.根据权利要求1所述的一种固态被动蒸发冷却系统，其特征在于，所述的水凝胶体(2)的一侧用于与被冷却物体直接接触，另一侧用于蒸发散热，且另一侧表面设有微结构。
4.根据权利要求1所述的一种固态被动蒸发冷却系统，其特征在于，所述的给水装置(4)内设有增压装置。
5.一种权利要求1-4任一项所述的固态被动蒸发冷却系统的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，制备水凝胶溶液；
S2，将开孔的给水通道(1)浸入界面偶联剂溶液中，取出晾干，若干给水通道(1)平行或交错放置于模具中；
S3，将水凝胶溶液倒入模具，给水通道抽气，使水凝胶溶液充满给水通道(1)内部，静置成型，采取光引发或热引发的方法聚合成型，水凝胶聚合成型；
或者，将水凝胶溶液注入给水通道，注满后，两端封住，静置成型后放入模具中；将水凝胶溶液倒入模具中，采取光引发或热引发的方法聚合成型将水凝胶聚合成型；
S4，采用钻孔装置从位于水凝胶体(2)外部的给水通道(1)端口开始沿给水通道的轴线钻孔，使钻后的通孔贯穿给水通道(1)，通孔的横截面为平面、锯齿状、三角形中的一种或多种组合，形成水凝胶根(3)；位于给水通道(1)内部的水凝胶根(3)与外部的水凝胶体(2)连为一体。
6.根据权利要求5所述的固态被动蒸发冷却系统的制备方法，其特征在于，所述的模具底部为粗糙平面，用于在水凝胶体(2)一侧的表面形成微结构。
7.一种基于权利要求1-4任一项所述的固态被动蒸发冷却系统的冷却方法，其特征在于，包括：
将固态被动蒸发冷却系统中水凝胶体(2)的一侧与被冷却物体接触，通过给水装置(4)向给水通道(1)内泵入水溶液的离子浓度低于水凝胶体的离子浓度，并使给水通道(1)内保持水压；
当水分从水凝胶体表面蒸发时，在水凝胶体内部形成蒸腾压，驱动水凝胶根(3)吸水以及驱动水分子在水凝胶体内部运输；水凝胶体蒸发界面的动态蒸发导致在水凝胶蒸发界面处的离子浓度提高，并与水凝胶体内部形成离子浓度梯度，进而由于离子浓度梯度差形成或增加渗透压；
给水通道(1)的水溶液在渗透压、蒸腾压和水压的共同作用下，驱动水分子从给水通道(1)向水凝胶体(2)的蒸发表面输运，提高被冷却物体的冷却效率。
8.根据权利要求7所述的固态被动蒸发冷却系统的冷却方法，其特征在于，通过调节给水装置(4)向给水通道(1)内泵入的水溶液的浓度和种类，改变水凝胶根与水溶液的渗透压。
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| GR01 | Patent grant | ||
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