一种电导泵驱动的电喷液滴辐射散热装置

本发明涉及一种电导泵驱动的电喷液滴辐射散热装置，属于电流体动力学及传热相关技术领域。

背景技术：

作为三种基本能量传递方式之一，辐射换热在多个领域中有着广泛的应用，是高温或真空环境中的核心传热方式之一。具体地，在航天器和空间站上，动力装置所产生的废热只能通过热辐射向太空散热。相关技术的发展历程主要包括：首先，传统用于空间站的辐射散热装置主要通过热管系统和泵循环系统，但其存在散热系统质量和尺寸大，需要辐射散热面积大等缺点。之后，基于液滴系统的空间辐射散热装置被开发出来，此系统具有散热比表面积大和散热系统质量小等优点，但液滴容易蒸发损耗掉。从驱动力方面看，现有的液滴辐射循环系统主要采用传统的机械泵，具有体积大能耗高的缺点。另外，传统的机械型雾化喷嘴是通过设计喷口直径来控制液滴直径，这种机械雾化喷嘴一旦设计组装，液滴直径及流量就已固定不可调节。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的空间辐射散热装置所采用的机械泵体积大能耗高以及液滴直径不可调的问题，进而提供了一种电导泵驱动的电喷液滴辐射散热装置。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种电导泵驱动的电喷液滴辐射散热装置，它包括电导泵、热交换器、液滴发生器、液滴收集器、蓄液装置及可调直流电源，其中液滴收集器、电导泵、热交换器及液滴发生器之间依次通过管路连通，液滴发生器与液滴收集器之间通过透明腔体连接，可调直流电源上设置有三个接口，其中通过一个接口的正、负极连接液滴发生器和液滴收集器，通过一个接口的正、负极连接电导泵的正、负极，通过最后一个接口的正、负极连接透明腔体的下侧和上侧，经热交换器换热后的高温液体输送至液滴发生器中，通过电荷注入液滴发生器使液体带电，液滴发生器产生的液滴经喷嘴喷出后，在透明腔体内形成的空间电场的作用下，经透明腔体运动到液滴收集器，液滴收集器收集的液滴通过电导泵送回至液滴发生器；所述蓄液装置与电导泵的入口端通过管路连通，且蓄液装置与电导泵的入口端之间的连接管路上安装有控制阀门。

进一步地，电导泵的数量为1～10个，且并联连接。

进一步地，介电液体的运行温度为275～350k，液滴发生器中的喷嘴温度为300～350k。

进一步地，可调直流高压电源的电压范围为0～1kv。

进一步地，介电液体为有机绝缘材料。

进一步地，喷雾液滴直径为100μm～300μm，液滴运动速度0.05m/s～0.5m/s。

进一步地，液滴发生器内喷嘴孔径为1～3mm。

进一步地，所述透明腔体呈楔形结构，其大端与液滴发生器连接，小端与液滴收集器连接。

进一步地，透明腔体的长度为1m。

进一步地，所述透明腔体的材质为二氧化硅。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本申请采用电导泵替代传统的机械泵提供动力。电导泵是基于电场强化分解结合机制，利用电场驱动介电流体的流动，理论上而言能够将电能全部转化为流体动能，因此更加节能。此外，电导泵的体积小，不存在复杂的机械能转化装置，也不存在震动和噪声。

本申请将电导泵与电喷雾相结合，在空间液滴辐射传热系统中，同时采用电导泵驱动循环流动以及电场调控液滴直径和运动轨迹，利用一套简单的电源实现整个装置的高效运行，摒弃传统的机械泵存在，实现整个系统的连续智能化控制。弥补了现有技术中空间辐射换热技术的不足，避免了电能-机械能-流体动能的多次过渡，实现电能到流体动能的直接转化，进而实现了能量的高效利用。

本申请尤其适用于如真空微重力等环境中。

本申请一方面通过电喷雾实现液滴雾化及电场调控液滴空间飞行轨迹，可以实现液滴粒径控制及运行轨迹的调节，实现液滴辐射散热段的操控，另一方面采用电导泵为整个循环回路提供驱动力，实现整个系统的优化设计。

附图说明

图1为本申请的原理示意图；

图2为本申请的三维结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～2说明本实施方式，一种电导泵驱动的电喷液滴辐射散热装置，它包括电导泵1、热交换器2、液滴发生器3、液滴收集器4、蓄液装置5及可调直流电源6，其中液滴收集器4、电导泵1、热交换器2及液滴发生器3之间依次通过管路连通，液滴发生器3与液滴收集器4之间通过透明腔体7连接，可调直流电源6上设置有三个接口，其中通过一个接口的正、负极连接液滴发生器3和液滴收集器4，通过一个接口的正、负极连接电导泵1的正、负极，通过最后一个接口的正、负极连接透明腔体7的下侧和上侧，经热交换器2换热后的高温液体输送至液滴发生器3中，通过电荷注入液滴发生器3使液体带电，液滴发生器3产生的液滴经喷嘴喷出后，在透明腔体7内形成的空间电场的作用下，经透明腔体7运动到液滴收集器4，液滴收集器4收集的液滴通过电导泵1送回至液滴发生器3；所述蓄液装置5与电导泵1的入口端通过管路连通，且蓄液装置5与电导泵1的入口端之间的连接管路上安装有控制阀门8。

所述控制阀门8为智能控制阀门8。在热交换器2流出的高温液体介质，在液滴发生器3中经过加压经过喷嘴，在电场作用下实现雾化过程，大载荷运行时多个雾化喷嘴可同时工作。

通过设置透明腔体7，防止液滴蒸发。

本申请中液滴发生器3、液滴收集器4及透明腔体7挂靠于整个装置的外部，装置中的其它组成结构可以封装处理，以实现向低温区域的辐射散热。整个装置占地面积最大的是辐射段，即透明腔体7所占的空间。根据需求设计足够尺寸实现液滴散热。

可调直流电源6包含三个接口，其中一个接口连接电导泵1，控制电导泵1工作；一个接口连接液滴发生器3及液滴收集器4，实现静电雾化功能；最后一个接口连接透明腔体7，实现带电液滴运动过程调节。三个电源接口均要求实现电压连续可调，用于实现不同驱动力、不同液滴直径以及不同液滴运动方向的调节。

废热可以来自各个方面，包括机械部件废热，工业余热等。

单次循环能够通过辐射传热实现液滴温降30％左右。蓄液装置5是为了补充上述循环中的微量液滴损耗。

电导泵1的数量为1～10个，且并联连接。电导泵1直径为0.01m～0.0.03m，长度为0.1m～0.3m。电导泵1中高压电极与接地端交错排布，排布间距为0.01m～0.0.03m。

介电液体的运行温度为275～350k，液滴发生器3中的喷嘴温度为300～350k。

可调直流高压电源的电压范围为0～1kv。

介电液体为有机绝缘材料。如有机硅油dow705。

液滴发生器3上的电压调节范围为0～2kv，喷雾液滴直径为100μm～300μm，液滴运动速度0.05m/s～0.5m/s。喷雾液滴直径和液滴运动速度值根据调节液滴发生器3上的电压调节。

液滴发生器3内喷嘴孔径为1～3mm。

所述透明腔体7呈楔形结构，其大端与液滴发生器3连接，小端与液滴收集器4连接。

透明腔体7的长度为1m。

所述透明腔体7的材质为二氧化硅。

工作原理：

首先，介电液体在换热器中通过导热和对流作用，吸收内部系统的废热，废热源可能是电子设备散热，也可能是机械运动产生。通过交错排布换热层，介电液体从热交换器2中带出废热并升温。高温的液体输运到液滴发生器3中，通过电荷注入使液体带电，经过喷嘴喷出后，在空间电场的作用下，可以沿着设定的区域流动。

透明腔体7上电场强度e的范围，应能使液滴受到电场力与其他作用力平衡后，保持直线运动为宜，因此需要根据当地重力的大小调节施加电场的强度，具体公式可以推导为e＝gρπd³/6q,其中g为当地重力加速度(m/s²)，ρ为液滴密度(kg/m³)，q为喷嘴处注入的电荷密度(c/m³)，d为液滴直径。

然后，半透明液滴在液滴发生器3与液滴收集器4之间的空间运动过程中，可以看作是发射率为∈灰体介质，同时发生表面辐射和参与性介质辐射，向背景环境中辐射能量。值得注意的是，辐射换热的效率，不仅取决于液滴比表面积，还取决于背景环境温度，比如接近绝对零度的太空环境中，液滴辐射能量密度很高，而在室温条件下，此类液滴辐射装置效果不明显。空间环境中单个液滴辐射能量可以简化推导为s＝∈σπd²t⁴，其中σ为斯特藩玻尔兹曼常数，d为液滴直径(m)，t为液滴表面温度(k)。为了防止液滴收集器4发生溅射，液滴收集器4采用内凹型结构，下方设计流道，该结构的液滴收集器4为现有技术，此处不再赘述。

最后，液滴流回到电导泵1中，在电导泵1中加压驱动整个电喷液滴辐射散热装置循环。

电导泵1的工作原理是，外加电场强化了电极附近的电荷分解-结合机制，在介电液体靠近高压电极板处(即靠近液滴发生器3处)产生了自由电荷，在电场作用下，自由电荷朝着相邻的负极板(即液滴收集器4)运动并且对流体施加库仑力的作用，从而推动介电液体的流动过程。本发明中采用高压电极和接地端逐级配置，这样就形成了对介电液体的逐级加压，实现一定功率的输出。本申请采用1～10个电导泵1并联，单个电导泵1上配置绕线组为5～20组。

本申请采用电导泵1替代传统的机械泵提供动力。电导泵1是基于电场强化分解结合机制，利用电场驱动介电流体的流动，理论上而言能够将电能全部转化为流体动能，因此更加节能。此外，电导泵1的体积小，不存在复杂的机械能转化装置，也不存在震动和噪声。

本申请将电导泵1与电喷雾相结合，在空间液滴辐射传热系统中，同时采用电导泵1驱动循环流动以及电场调控液滴直径和运动轨迹(如前所述电场强度e的推导公式，通过在电喷雾过程中调节施加电压大小，控制喷雾液滴直径d和电荷量q。而通过调节施加在透明腔体7上的电压，可以改变电场实现液滴的平衡和运动轨迹控制。)，利用一套简单的电源实现整个装置的高效运行，摒弃传统的机械泵存在，实现整个系统的连续智能化控制。弥补了现有技术中空间辐射换热技术的不足，避免了电能-机械能-流体动能的多次过渡，实现电能到流体动能的直接转化，进而实现了能量的高效利用。

本申请尤其适用于如真空微重力等环境中。

本申请一方面通过电喷雾实现液滴雾化及电场调控液滴空间飞行轨迹，可以实现液滴粒径控制及运行轨迹的调节，实现液滴辐射散热段的操控，另一方面采用电导泵1为整个循环回路提供驱动力，实现整个系统的优化设计。

本申请采用电喷雾具有两个技术优势，首先，通过电场力克服液滴表面张力，可以实现更小液滴直径更加均匀的雾化过程，其次，可以通过控制施加电压的大小(如图1所示的可调直流稳压电源)，实现喷雾液滴直径和流量的控制，进而可以根据需要改变空间辐射换热强度。另一方面，由于喷雾液滴带电，在液滴飞行轨迹的外侧玻璃罩上施加电压，可以实现液滴的运动过程的控制。比如在地面环境中，可以加大所施加的电压克服重力作用而实现液滴的悬浮前进，而在微重力环境中，可以根据局部重力大小调节施加电压大小，实现液滴在玻璃罩内飞行过程的智能控制。最后，采用电导泵1作为整个循环的驱动泵，通过调节电导泵1的工作电压，实现介电液体的压力和速度调节。可调直流稳压电源包含三个通道，三个通道的正负极分别连接液滴发生器3(含雾化喷嘴)-收集器、透明腔体7的下侧-上侧、电导泵1的正极-负极。

具体实施方式二：结合图1～2说明本实施方式，本申请应用于芯片散热，即图2中的废热来自芯片，利用本申请的液滴辐射散热装置实现芯片温度控制。芯片可以选择直接与冷却介质(即前述介电液体)接触，即浸没在液体硅油中，也可以先传递到热沉再传到液体中。涉及的芯片散热应处于特殊的环境，如航天器和卫星的芯片散热，其中导热和对流过程非常微弱可以忽略，此时，本申请的电导泵1驱动液滴辐射散热系统可以发挥重要作用。举例说明如下：假设一个散热功率为1kw的大型高性能处理器(内含多个芯片)，循环介质流量为0.01m³/s，初始温度为295k，根据常温下硅油比热2.49kj/kgk，密度为0.94kg/m³,流出温度可以大约计算为335k。在液滴发生器3中，通过设计10～30个喷嘴，雾化液滴直径在100μm～300μm左右。通过长约1m左右的辐射空间，抵达液滴收集器4时温度降为大约290k。通过多个电导泵1加压，冷却介质重新回到换热器中。

智能化控制过程主要包括如下几个方面：首先通过设计热电偶监控芯片温度，温度过高时反馈到可调直流电源6上，通过增加电压提高电导泵1的功率，增大冷却介质的流量实现芯片降温。其次液滴运动过程中碰撞四周外罩时，调节外罩间电压差实现液滴轨迹的改变。最后，工质蒸发损耗掉的部分，可以通过储液器智能调节补充。