CN113329595B - 一种靶向温控的静电喷雾冷却装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种靶向温控的静电喷雾冷却装置及其方法，包括储液罐、供液泵、第一流量阀、换热器、第二流量阀、喷头、静电喷雾腔、高压静电发生器、冷凝器、温度继电器和控制器；高压静电发生器和喷头连接，静电喷雾腔内设有热沉，热沉通过绝缘隔离带隔离，形成若干热沉单元，热沉单元下方均设置有测温热电偶；绝缘隔离带与热沉单元之间形成排液沟槽；热沉的热电偶与温度继电器连接、并进行接地处理；控制器分别与高压静电发生器、温度继电器和第二流量阀连接。本发明可实现喷雾过程的靶向精准冷却，通过温度继电器以及控制器对热沉表面温度信号进行处理，装置可通过控制高压静电发生器和流量阀自行调节电参数、流动参数，以满足不同冷却工况需求。

Description

一种靶向温控的静电喷雾冷却装置及其方法

技术领域

本发明属于高性能电子元器件热管理技术领域，尤其涉及一种基于静电雾化技术的精准靶向冷却装置。

背景技术

随着电子元器件性能的不断提升，其热管理问题正面临严峻威胁，这对于冷却系统提出了更高的要求。在众多冷却技术中，喷雾冷却因具有换热能力强、工质利用率高、冷却均匀性好等优点，而被广泛应用于冶金、能源、化工、电子设备及医疗工程等领域的温控过程中。

喷雾冷却具体指液体工质经喷雾加压后雾化形成大量小液滴，快速喷射到发热表面的高效换热过程，其冷却机制主要包括液滴击打换热、液膜冲刷换热、液体蒸发换热、沸腾气泡换热以及与周围环境之间的换热。已有研究表明，以水为工质的喷雾冷却过程可实现1200W/cm²超高热流密度散热，并有望在未来成为解决大功率电子元器件冷却问题的关键技术。然而，现阶段喷雾冷却系统通常包括储液罐、压力泵、喷淋室及冷凝器等部分，不仅占地面积大，而且喷雾往往需要较大背压进行雾化，同时液滴单分散较差、沉积均匀性难以保证。这一系列问题严重制约了喷雾冷却技术向高效化、精准化、轻量化方向的进一步发展。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种靶向温控的静电喷雾冷却装置及其方法，通过在喷头上接入高压静电的方式对液体工质进行雾化，可有效减少喷雾过程中的能量消耗，并显著提升雾化质量，充分提高冷却工质利用率。此外，通过对热沉进行单元化结构划分，配合热电偶对局部温度信息的实时监测，利用喷头与热沉之间形成的电势差，可实现喷雾过程的靶向精准冷却。通过温度继电器以及控制器对热沉表面温度信号进行处理，装置可通过控制高压静电发生器和流量阀自行调节电参数、流动参数，以满足不同冷却工况需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种靶向温控的静电喷雾冷却装置，包括储液罐、供液泵、第一流量阀、换热器、第二流量阀、喷头、静电喷雾腔、高压静电发生器、冷凝器、温度继电器和控制器；所述储液罐和静电喷雾腔通过供液管路连接、且储液罐低于静电喷雾腔；所述供液泵、第一流量阀、换热器、第二流量阀和喷头沿液体流动方向依次安装在储液罐和静电喷雾腔之间的供液管路上；喷头安装在静电喷雾腔顶部；所述静电喷雾腔的底部与储液罐还通过液相工质回收管路连接；静电喷雾腔的顶部还通过气相工质回收管路与储液罐连接；所述冷凝器安装在气相工质回收管路上；所述高压静电发生器和喷头连接，静电喷雾腔内设有热沉，所述热沉通过绝缘隔离带隔离，形成若干热沉单元，所述热沉单元下方均设置有测温热电偶；所述绝缘隔离带与热沉单元之间形成排液沟槽；热沉的热电偶与温度继电器连接、并进行接地处理；所述控制器分别与高压静电发生器、温度继电器和第二流量阀连接。

上述方案中，还包括过滤器；所述过滤器安装在供液管路上、且位于第一流量阀和换热器之间。

上述方案中，所述储液罐为绝缘材质。

上述方案中，所述供液泵为蠕动泵。

上述方案中，所述喷头为金属材质，喷孔直范围为100-400μm。

上述方案中，所述喷头与热沉表面间距范围为10-30mm。

上述方案中，所述热沉表面最大直径不超过30mm。

上述方案中，所述绝缘隔离带的填充高度低于热沉单元上表面3-5mm，以形成排液沟槽，供冷却工质回收。

一种根据所述的靶向温控的静电喷雾冷却装置的控制方法，包括以下步骤：

向所述储液罐中加入冷却工质，打开供液泵开关，使冷却工质进入换热器进行预热，保持第二流量阀处于关闭状态；

将所述静电喷雾腔底部热沉与带冷却面连接，打开温度继电器和控制器，设置温度信号阈值；

当局部的热沉单元表面温度上升达到所设定的温度阈值时，温度继电器对该过热区域所对应的热沉单元作接地处理，同时将温度信号传送到控制器通过控制器控制打开高压静电发生器和第二流量阀，在高压喷头与过热热沉单元之间形成局部电场，控制喷雾方向，对该区域进行靶向喷雾降温；

所述热沉表面液体工质经排液沟槽向下汇集，经液相工质回收管路流回储液罐；工质蒸汽向上进入气相工质回收管路，经冷凝器冷凝后流回储液罐；

当热沉表面温度下降至某一临界值时，控制器控制关闭高压静电发生器和第二流量阀。

上述方案中，所述控制器根据温度继电器检测到的热沉表面过热程度情况，控制高压静电发生器的电压及第二流量阀的流量，对过热区域实现精准冷却，从而避免冷却工质的浪费。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用外加高压静电的方式对冷却工质进行雾化，与机械式及压力式雾化方式相比，大幅节约了雾化所需能耗；高压静电与金属喷头直接相连形成接触式荷电结构，静电作用可有效削弱冷却工质表面张力，从而促进液体破碎，并且可通过改变电压调整喷雾形态，以满足不同冷却工况需求；同时热沉表面设置有实时温度监测，通过温度继电器和控制器获得过热区域坐标位置，综合调控流量参数和电参数实现对过热区域的精准靶向冷却，充分提升工质利用率。

附图说明

图1是本发明一种可实现精准靶向温控的静电喷雾冷却装置示意图；

图2是本发明一种实施方式的热沉单元化方案俯视图；

图3是本发明一种实施方式的热沉单元化方案主视图。

图中：1.储液罐；2.供液泵；3.第一流量阀；4.过滤器；5.换热器；6.第二流量阀；7.喷头；8.静电喷雾腔；9.高压静电发生器；10.控制器；11.温度继电器；12.冷凝器；13热沉；13-1.热沉单元；13-2.绝缘隔离带；13-3.排液沟槽；13-4.热电偶。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1所示为本发明所述靶向温控的静电喷雾冷却装置的一种较佳实施方式，所述靶向温控的静电喷雾冷却装置，包括储液罐1、供液泵2、第一流量阀3、换热器5、第二流量阀6、喷头7、静电喷雾腔8、高压静电发生器9、冷凝器12、温度继电器11和控制器10；所述储液罐1和静电喷雾腔8通过供液管路连接、且储液罐1低于静电喷雾腔8；所述供液泵2、第一流量阀3、换热器5、第二流量阀6和喷头7沿液体流动方向依次安装在储液罐1和静电喷雾腔8之间的供液管路上；喷头7安装在静电喷雾腔8顶部；所述静电喷雾腔8的底部与储液罐1还通过液相工质回收管路连接；静电喷雾腔8的顶部还通过气相工质回收管路与储液罐1连接；所述冷凝器12安装在气相工质回收管路上；所述高压静电发生器9和喷头7连接，静电喷雾腔8内设有热沉13，所述热沉13通过绝缘隔离带13-2隔离，形成若干热沉单元13-1，所述热沉单元13-1下方均设置有测温热电偶13-4；所述绝缘隔离带13-2与热沉单元13-1之间形成排液沟槽13-3；热沉13的热电偶13-4与温度继电器11连接、并进行接地处理；所述控制器10分别与高压静电发生器9、温度继电器11、第二流量阀6连接。

所述第一流量阀3用于调节供液流量，所述过滤器4用于防止供液管路堵塞，换热器5设置于静电喷雾腔8进液口处，用以调节冷却工质的初始温度，冷凝器12设置于冷却气相工质回收管路中，用于冷凝回收静电喷雾腔8内过热工质蒸汽。

所述高压静电发生器9与金属毛细管喷头7相连，形成接触式荷电结构，液体工质在电势差作用下以喷雾形式快速喷射至热沉表面，达到冷却降温的目的，所述热沉13表面进行单元化划分，通过绝热、绝缘材料相隔，各热沉单元区域下方设置有热电偶13-4测温点，可实时监测热沉表面温度分布情况。

所述温度继电器11通过监测热沉13表面温度，经过控制器10控制装置运行的启停，以及进一步调节工质流量和外加电压大小，其中，温度继电器11可获得局部热沉温度信息，通过对局部热沉单元区域进行接地，形成局部电场进而控制喷雾方向，从而实现对过热区域的精准、靶向冷却。

所述储液罐1需做静电绝缘处理。所述冷却工质为介电液体。所述换热器5设置于供液管路中，且温度可调节。所述供液泵2为蠕动泵，仅为满足定量液体供给，不产生压力，相较压力泵可大幅节约能耗；同时蠕动泵可避免工质与泵体直接接触，保证了工质静电喷雾的稳定性。

根据本实施例，优选的，所述喷头为金属材质，喷孔直范围为100-400μm；所述喷头与热沉表面间距范围为10-30mm；所述热沉表面最大直径不超过30mm，基于这些参数范围有利于保证静电喷雾冷却的效果。

所述储液罐1中盛有冷却工质，材料为绝缘材质，放置位置低于静电喷雾腔8，用于冷却工质的供液和回收；所述供液泵2为蠕动泵，可精确调整供液流量，作为液体工质输运的唯一动力源，且避免泵体与冷却工质直接接触；所述过滤器4设置于供液管路中，作用是防止管路中的固体杂质堵塞换热器5和雾化喷头7；所述换热器5用于控制喷雾冷却工质初始温度，确保喷雾冷却过程的精准换热；所述喷头7与高压静电发生器9相连接，优选的，可产生0-30kV高压，同时热沉13做接地处理，进而在喷头7与热沉13之间形成高压静电场，用以驱动静电喷雾冷却过程进行；所述热沉13下方设置有多个热电偶13-4，可实时反映热沉表面温度分布情况，热电偶13-4与温度继电器11连接，热沉13表面温度信号经温度继电器11传输至控制器10，控制器10与高压静电发生器9以及第二流量阀6连接，根据获得的热沉13表面温度信息，控制高压静电发生器9和第二流量阀6进行电参数以及流量参数的调节，以满足不同冷却工况需求，最大程度利用冷却工质。

如图2和3所示，所述热沉13通过绝缘隔离带13-2间隔，作单元化划分处理，热沉单元13-1为高导热金属材料构成，相邻热沉单元13-1之间处于绝缘绝热状态；各个热沉单元13-1下方设置有热电偶13-4，可实时反馈整个热沉温度分布情况，通过温度继电器11和控制器10作用，在喷头7与过热热沉单元13-1之间形成局部电场，从而在静电力作用下实现对特定区域的精准靶向冷却。

所述热沉13的结构主视图如图3所示，特别的，绝缘隔离带13-2上表面设置为略低于热沉单元13-1，在喷雾冷却换热表面形成排液沟槽13-3，用于供冷却过程中的冷却工质排液回收，排液沟槽13-3的设置可同时有效减少换热面上液体的大量堆积，从而提升喷雾冷却换热效率。

所述静电喷雾腔8设置有三条管路实现冷却工质的循环使用，供液管路连接喷头7提供静电喷雾所需液体，静电喷雾腔8底部设置有回流通道连接储液罐1，通过重力作用进行液相工质的回收；同时，静电喷雾腔8顶部侧边设置有气相工质回收管路，气相工质回收管路中设置有冷凝器12，后连接至储液罐1，喷雾冷却过程中，冷却工质在静电喷雾腔8内受热蒸发，使得静电喷雾腔8内压强升高，在压力差作用下工质蒸汽经冷凝器12冷凝回收至储液罐1中，从而形成冷却工质的使用循环。

所述靶向温控的静电喷雾冷却装置的控制方法，包括以下步骤：

向所述储液罐1中加入一定量的冷却工质，确保循环管路稳定运行，同时打开供液泵2开关，使冷却工质进入换热器5进行预热，保持流量阀6处于关闭状态；

将静电喷雾腔8底部热沉13通过导热硅脂与带冷却面连粘接，打开温度继电器11和控制器10，设置温度信号阈值；

当局部热沉单元13-1表面温度上升达到所设定的温度阈值时，温度继电器11则立即对该过热区域所对应的热沉单元13-1作接地处理，同时通过控制器10控制打开高压静电发生器9和第二流量阀6，在高压喷头7与过热的热沉单元13-1之间形成局部电场，控制喷雾方向，对该区域进行靶向喷雾降温。

进一步的，根据热沉13表面过热程度情况，控制器10可控制调整外加电压及工质流量大小，对过热区域实现精准冷却，从而避免冷却工质的浪费。

所述热沉13表面液体工质经排液沟槽13-3向下汇集，经回收管路流回储液罐1；工质蒸汽向上进入回收管路，经冷凝器12冷凝后同样流回储液罐1；

随着喷雾冷却过程的进行，当热沉13表面温度下降至某一临界值时，温度继电器11和控制器10控制关闭高压静电发生器9和第二流量阀6；

如此反复，通过对热沉表面温度信息的实时监测，可实现该喷雾冷却装置的启停控制及运行参数调整，实现精准靶向冷却。

本发明所述的靶向温控的静电喷雾冷却装置，特别适用于大功率精密电子元器件的冷却，其优势在于体积小、能耗低且温控精准；同时接触式静电雾化可使冷却工质破碎形成微米级细小喷雾，改善喷雾质量，提升冷却换热效率；自动控制单元则增加了整个装置的操控性及灵活性；本发明利用静电雾化技术，配合自动化控制及工质循环方案，实现了高效化、精准化、轻量化的喷雾冷却。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种靶向温控的静电喷雾冷却装置，其特征在于，包括储液罐(1)、供液泵(2)、第一流量阀(3)、换热器(5)、第二流量阀(6)、喷头(7)、静电喷雾腔(8)、高压静电发生器(9)、冷凝器(12)、温度继电器(11)和控制器(10)；

所述储液罐(1)和静电喷雾腔(8)通过供液管路连接、且储液罐(1)低于静电喷雾腔(8)；所述供液泵(2)、第一流量阀(3)、换热器(5)、第二流量阀(6)和喷头(7)沿液体流动方向依次安装在储液罐(1)和静电喷雾腔(8)之间的供液管路上；喷头(7)安装在静电喷雾腔(8)顶部；所述静电喷雾腔(8)的底部与储液罐(1)还通过液相工质回收管路连接；静电喷雾腔(8)的顶部还通过气相工质回收管路与储液罐(1)连接；所述冷凝器(12)安装在气相工质回收管路上；

所述高压静电发生器(9)和喷头(7)连接，静电喷雾腔(8)内设有热沉(13)，所述热沉(13)通过绝缘隔离带(13-2)隔离，形成若干热沉单元(13-1)，所述热沉单元(13-1)下方均设置有测温热电偶(13-4)；所述绝缘隔离带(13-2)与热沉单元(13-1)之间形成排液沟槽(13-3)；热沉(13)的热电偶(13-4)与温度继电器(11)连接、并进行接地处理；

所述控制器(10)分别与高压静电发生器(9)、温度继电器(11)和第二流量阀(6)连接。

2.根据权利要求1所述的靶向温控的静电喷雾冷却装置，其特征在于，还包括过滤器(4)；所述过滤器(4)安装在供液管路上、且位于第一流量阀(3)和换热器(5)之间。

3.根据权利要求1所述的静电喷雾冷却装置，其特征在于，所述储液罐(1)为绝缘材质。

4.根据权利要求1所述的静电喷雾冷却装置，其特征在于，所述供液泵(2)为蠕动泵。

5.根据权利要求1所述的静电喷雾冷却装置，其特征在于，所述喷头(7)为金属材质，喷孔直范围为100-400μm。

6.根据权利要求1所述的静电喷雾冷却装置，其特征在于，所述喷头(7)与热沉(13)表面间距范围为10-30mm。

7.根据权利要求1所述的静电喷雾冷却装置，其特征在于，所述热沉(13)表面最大直径不超过30mm。

8.根据权利要求1所述的静电喷雾冷却装置，其特征在于，所述绝缘隔离带(13-2)的填充高度低于热沉单元(13-1)上表面3-5mm，以形成排液沟槽(13-3)。

9.一种根据权利要求1-8任意一项所述的靶向温控的静电喷雾冷却装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

向所述储液罐(1)中加入冷却工质，打开供液泵(2)开关，使冷却工质进入换热器(5)进行预热，保持第二流量阀(6)处于关闭状态；将所述静电喷雾腔(8)底部热沉(13)与带冷却面连接；

当局部的热沉单元(13-1)表面温度上升达到所设定的温度阈值时，温度继电器(11)对过热区域所对应的热沉单元(13-1)作接地处理，同时将温度信号传送到控制器(10)通过控制器(10)控制打开高压静电发生器(9)和第二流量阀(6)，在高压喷头(7)与过热热沉单元(13-1)之间形成局部电场，控制喷雾方向，对该区域进行靶向喷雾降温；

所述热沉(13)表面液体工质经排液沟槽(13-3)向下汇集，经液相工质回收管路流回储液罐(1)；工质蒸汽向上进入气相工质回收管路，经冷凝器(12)冷凝后流回储液罐(1)；

当热沉(13)表面温度下降至某一临界值时，控制器(10)控制关闭高压静电发生器(9)和第二流量阀(6)。

10.根据权利要求9所述的靶向温控的静电喷雾冷却装置的控制方法，其特征在于，所述控制器(10)根据温度继电器(11)检测到的热沉(13)表面过热程度情况，控制高压静电发生器(9)的电压及第二流量阀(6)的流量。

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