TWI386607B - Microfine space cooling system - Google Patents

Description

微液滴空間冷卻系統

本發明係關於一種冷卻系統，尤指一種利用控制壓電式液滴微致動器，使其產生體積均勻之微液滴並散佈於空間中，達到吸熱降溫之冷卻系統。

諸多專家預估未來50年內全球平均溫度將持續升高攝氏1~5度，而此暖化現象已間接造成了人們生活機能漸失調，農、畜、牧業生產減少。此際，我國自2002年起，每年小型之空調設備，包含窗型與分離型冷氣機設備，其產值規模已達到新台幣100億以上，年生產量超過100萬台，在台灣夏日炎熱的高溫操作下極為耗費能源。

採用傳統壓縮機之冷卻技術雖亦日漸進步中，例如引進變頻技術，卻仍甚為耗能，更難以適用於戶外庭院等開放式空間。另一方面，目前少數應用於如溫室一類等農藝場所之冷卻系統，主要採用傳統幫浦加壓馬達搭配單孔錐狀噴嘴之噴霧冷卻技術，可連續地擊出水柱而產生霧化水滴來達到局部空間降溫效果。但傳統幫浦加壓馬達容易產生高噪音、高耗電等問題，且噴霧液滴尺寸無法準確控制，不均勻大小的液滴嚴重限制了其環境狀態調節效益，包括當液滴過小時會降溫不足，而液滴過大時會導致過度潮濕，因此，以傳統幫浦加壓馬達結合錐狀噴嘴之噴霧冷卻技術，仍是難以在開放空間中產生令人舒適的空調冷卻作用。

然而，噴霧冷卻技術具有高度節約能源之技術特色與產品優勢，無疑地使其依然存在著極大市場需求。在國際上，空調設備的高耗能問題業已廣泛引起各國注目焦點。例如，在2002年，與台灣氣候條件相似的美國加州即率先提出先進蒸發冷卻技術之白皮書(advanced evaporative cooling white paper)；其研究報告結論顯示，採用蒸發冷卻系統(indirect-direct evaporative cooler,IDEC)將可替加州節約尖峰時期90%之能源消耗。目前，此噴霧技術冷卻技術區分為低、中、高壓系列，可廣泛的運用於農業作物、畜牧業、園藝設施、戶外休閒及各類型營業場所造景之高溫冷卻應用；對於降溫、調節溼度及淨化空氣皆可達到立竿見影的效果。

在傳統的噴霧冷卻相關技術方面，其主要元件包括有高壓噴霧系統、噴霧嘴、往復式幫浦馬達、水冷風扇冷卻等。明顯地，此些應用幫浦加壓馬達方式，皆採用具有馬達、噴嘴、風扇等必要零件，以期進一步改善單獨或組合差異化之部份冷卻功效變化，卻仍無法達成最佳霧化效果及馬達靜音狀態。其技術特性隨著時間演化，由最早期的基本噴霧冷卻之大型機械系統，逐步發展至電子化控制與更小型化可攜式裝置，並朝向符合未來節能型噴霧冷卻系統之技術發展趨勢。

在商品化的市場需求方面，噴霧冷卻系統所深切關注的是噴霧品質效率與系統建置成本的高低等，其中影像噴霧品質效率的主因應以液滴產生大小、速度與均勻性及最終蒸發熱傳通量影響最大；倘若噴印液滴之直徑不均勻或速度不一致，其終將導致最後的噴霧效率不良，顯然有待改善。

有鑑於目前噴霧冷卻技術係採用傳統幫浦加壓馬達與錐狀噴嘴，具有噴霧液滴尺寸無法準確控制、高噪音、高耗電等缺點，導致噴霧效率低落，本發明之主要目的係提供一種微液滴空間冷卻系統，利用壓電式元件配合數位控制達到準確控制噴灑液滴尺寸，同時兼具低耗能、低噪音優點。

為達成前述目的，本發明微液滴空間冷卻系統包含有：複數個壓電式液滴微致動器，係利用流體管道彼此連接；一供液單元，係與前述流體管道相連接，將液體經由該流體管道輸往各個壓電式液滴微致動器；一供電單元，係經由導線電性連接至各個壓電式液滴微致動器，該供電單元送出一驅動電壓以驅動該壓電式液滴微致動器而噴灑出冷卻液滴；一中央控制單元，係電性連接該供液單元及該供電單元，用以控制該供液單元之輸出流量，以及控制該供電單元何時輸出該驅動電壓。

基於前述架構，本發明之中央控制單元可控制該供電單元於適當時機產生驅動電壓，令壓電式液滴微致動器在接收該驅動電壓時將電能轉換為液體動能，噴灑出具有均粒徑的液滴，使其擴散分佈於週遭環境中，利用噴液微滴會吸收週遭環境空氣之高溫熱量而蒸發，由液相轉變成氣相來達到降溫冷卻效果，在控制過程中，並無使用幫浦加壓馬達故可避免高噪音、高耗電等問題。

請參考圖1所示，本發明陣列化微液滴空間冷卻系統包含有：複數個壓電式液滴微致動器10，係利用流體管道20彼此連接，該壓電式液滴微致動器10之數量及排列方式可根據實際冷卻場合之環璄而適當規劃，例如可呈矩陣排列，當其分布密度越高時，更能達到均質化空間溫度的效果；一供液單元30，係與前述流體管道20相連接，將液體(例如水)經由該流體管道20輸往各個壓電式液滴微致動器10；一供電單元40，係經由導線50電性連接至各個壓電式液滴微致動器10，該供電單元40可送出一驅動電壓以驅動該壓電式液滴微致動器10而噴灑出冷卻液滴；一中央控制單元60，係電性連接該供液單元30及該供電單元40，用以控制該供液單元30之流量及供電單元40應輸出驅動電壓之時機，其中，該中央控制單元60可進一步連接一溫度感測器70，該溫度感測器70係感應周圍環境之即時溫度，將感應結果提供予中央控制單元60以判斷是否應執行冷卻作業。

如圖2所示，本發明中所使用之壓電式液滴微致動器10為一種將電能轉換成動能的微型能量轉換單元，該壓電式液滴微致動器10內部係形成一可貯存液體的腔體11，腔體11係與流體管道20相連通且上方設有一壓電薄膜12，另於腔體11下方形成有複數個噴孔13，該複數個噴孔13可具有相同孔徑；其中，該壓電薄膜12接收供電單元40所輸出之驅動電壓V而產生振動，進而將腔體11內部的液體向外擠壓而在噴孔13的出口處產生體積約略均勻的微滴。整體而言，壓電式液滴微致動器10是將輸入之電能功率，經由壓電薄膜12振動轉換成液體流率，而其噴液通量可根據中央控制單元60之操作而達到精確數位化控制，產生符合設定的噴液流量值。

當壓電式液滴微致動器10所產生的微滴擴散分佈至空間時，在歷經一段時間之後，將因自然吸收週遭環境空氣之高溫熱量而蒸發，致使由液相轉變成氣相，可降低其環境空氣之溫度，產生冷卻效益。

請參考圖3所示，本發明陣列化微液滴空間冷卻系統於實際應用時，可將多數個壓電式液滴微致動器10均勻分佈在一待冷卻之三維空間100裡，該三維空間100可為一開放式空間，例如運用於農業作物、畜牧業、園藝設施、戶外休閒及各類型營業場所造景之高溫冷卻應用，根據預設的時段或是該三維空間100內部的溫度啟動本發明，經由微滴蒸發吸熱與自然對流熱傳過程，使該三維空間100的溫度能獲得冷卻。

請參考圖4(a)、(b)，本發明在控制方面，可以在中央控制單元60內設定一欲達成之冷卻溫度(T_S )與時間(t_s )，並將噴液流率(F)設定於一參考平均數值(F_S )，並根據該參考平均數值(F_S )為基準點以特定循環週期(τ)增減其液體噴液流率(F)，以容許液滴蒸發氣化時間，得適度地調節溫度變化範圍；除前述連續性增減的控制方式之外，亦可採用固定的噴液流率(F)搭配間歇式的啟動控制方式，例如以參考平均數值(F_S )為固定噴液流率，控制該供液單元30根據一導通時間及一關閉時間交替的啟動、關閉，亦可達到調節溫度之目的。

如此，當中央控制單元60將該溫度感測器70所測得之即時溫度與所設定之冷卻溫度(T_S )相比後，若即時溫度係高於該冷卻溫度(T_S )，係送出控制信號至該供液單元30及供電單元40以啟動壓電式液滴微致動器10開始進行噴液冷卻作業，對於任一空間位置(s₀ )與時間(t)時，達成由初始溫度(T₀ )至冷卻溫度(T_S )之降溫作用(T₀ -T_S >0)。

綜上所述，本發明利用數位化的控制方式可同步控制多個壓電式液滴微致動器10，以電能轉為動能的手段產生均勻液滴粒徑而能兼具低噪音作業，噴液微滴因自然吸收週遭環境空氣之高溫熱量而蒸發，致使由液相轉變成氣相，可降低其環境空氣之溫度，產生冷卻效果。當同時採用多個壓電式液滴微致動器10並以陣列方式均勻分佈在一待冷卻空間時，可更均質化空間溫度。

10．．．壓電式液滴微致動器

11．．．腔體

12．．．壓電薄膜

13．．．噴孔

20．．．流體管道

30．．．供液單元

40．．．供電單元

50．．．導線

60．．．中央控制單元

70．．．溫度感測器

100．．．三維空間

圖1：本發明陣列化微液滴空間冷卻系統之配置示意圖。

圖2：本發明壓電式液滴微致動器之示意圖。

圖3：本發明分布在一待冷卻三維空間之示意圖。

圖4(a)：空間溫度(T)之時變圖。

圖4(b)：噴液流量(F)之時變圖。

10．．．壓電式液滴微致動器

20．．．流體管道

30．．．供液單元

40．．．供電單元

50．．．導線

60．．．中央控制單元

70．．．溫度感測器

Claims (9)

1. 一種微液滴空間冷卻系統，包含：複數個壓電式液滴微致動器，係利用流體管道彼此連接；一供液單元，係與前述流體管道相連接，將液體經由該流體管道輸往各個壓電式液滴微致動器；一供電單元，係經由導線電性連接至各個壓電式液滴微致動器，該供電單元送出一驅動電壓以驅動該壓電式液滴微致動器而噴灑出冷卻液滴；一中央控制單元，係電性連接該供液單元及該供電單元，用以控制該供液單元之輸出流量，以及控制該供電單元何時輸出該驅動電壓；該中央控制單元係進一步連接一溫度感測器，該溫度感測器係感應周圍環境之即時溫度，將該即時溫度輸出至該中央控制單元。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微液滴空間冷卻系統，該複數個壓電式液滴微致動器係為陣列化排列。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之微液滴空間冷卻系統，於該中央控制單元內部係設定有一欲達成之冷卻溫度以及一用以控制該供液單元之噴液流率，並以一循環週期增減該噴液流率。
4. 如申請專利範圍第1或2項所述之微液滴空間冷卻系統，於該中央控制單元內部係設定有一欲達成之冷卻溫度以及一用以控制該供液單元之固定噴液流率，其中，該供液單元係根據所設定之固定噴液流率交替的啟動及關閉。
5. 如申請專利範圍第3項所述之微液滴空間冷卻系統，該中央控制單元係將該溫度感測器所測得之即時溫度與所設定之冷卻溫度相比，若即時溫度係高於該冷卻溫度，係控制該供液單元及供電單元以啟動壓電式液滴微致動器。
6. 如申請專利範圍第4項所述之微液滴空間冷卻系統，該中央控制單元係將該溫度感測器所測得之即時溫度與所設定之冷卻溫度相比，若即時溫度係高於該冷卻溫度，係控制該供液單元及供電單元以啟動壓電式液滴微致動器。
7. 如申請專利範圍第5項所述之微液滴空間冷卻系統，各壓電式液滴微致動器內部係形成一貯存液體的腔體，該腔體係與流體管道相連通且於腔體上方設有一壓電薄膜，於腔體下方形成有複數個噴孔。
8. 如申請專利範圍第6項所述之微液滴空間冷卻系統，各壓電式液滴微致動器內部係形成一貯存液體的腔體，該腔體係與流體管道相連通且於腔體上方設有一壓電薄膜，於腔體下方形成有複數個噴孔。
9. 如申請專利範圍7項所述之微液滴空間冷卻系統，該壓電薄膜係接收該供電單元所輸出之驅動電壓。