引用論文

Yao, J., Yang, S., Yang, L. et al. Investigation of a Low-Power-Consumption and Self-Retaining Micro Solenoid Valve for Thermal Management Systems. Chin. J. Mech. Eng. 38, 59 (2025). https://doi.org/10.1186/s10033-025-01227-5

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01

研究背景及目的

數(shù)據(jù)中心普遍采用熱管理系統(tǒng)來保證計算機(jī)的高效工作，特別是對于核心部件，如中央處理器。熱虹吸回路系統(tǒng)具有傳熱距離長、傳熱溫差小等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)中。然而，在傳統(tǒng)的熱虹吸式熱管理回路系統(tǒng)中，主開關(guān)安裝在主冷卻管的起始位置，工作液的主動分配不足，會導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)性能的惡化。解決這一問題的有效途徑是實(shí)現(xiàn)各并聯(lián)支路工作流體流量的主動分布控制，具有較高的控制靈活性和精度。然而，現(xiàn)有的閥難以滿足快速開關(guān)、低功率、低壓力損失和小型化的要求。為此，本文研發(fā)了一種用于熱管理系統(tǒng)的低功耗微型電磁閥，以實(shí)現(xiàn)各支路冷卻液流量的主動控制，進(jìn)一步提高熱管理系統(tǒng)性調(diào)控的靈活性。

02

試驗(yàn)方法

試驗(yàn)臺可以模擬微型電磁閥在熱管理系統(tǒng)中的工作條件，包括溫度和壓力，能夠進(jìn)行開關(guān)和壓力損失試驗(yàn)。

1）開關(guān)測試

開關(guān)動作測試中，液柱模擬熱管理系統(tǒng)壓力，閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，工作液作用在閥入口的水頭壓力8000Pa，其中液柱要求具有足夠大的直徑，以保證短時間內(nèi)液柱高度不發(fā)生大幅度變化，從而維持壓力穩(wěn)定。加熱管和溫箱分別用于模擬工作液溫度和環(huán)境溫度，壓力傳感器用于測量閥入口和出口的壓力，工作范圍為0~10kPa，精度為0.5%。電流傳感器用于測量線圈中電流，工作范圍0~2A，精度1%。數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用的是NI公司的USB-6003采集卡，最高采樣速率50KS/s。

通過驅(qū)動電路使閥啟閉，同時檢測此時線圈中的電流，根據(jù)電流拐點(diǎn)確定閥芯開啟和關(guān)閉時刻。

2）壓損測試

壓降測試系統(tǒng)中，油泵為閥提供流量，節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)通過閥的流量，調(diào)節(jié)范圍為0.3~1L/min，流量傳感器用于監(jiān)測通過閥的流量，測量范圍0.035~1.6L/min，精度為2%，壓差傳感器用于測量閥的壓降，測量范圍0~200Pa，精度0.0075%。加熱管和溫箱與開關(guān)動作測試系統(tǒng)中作用相同，工作液溫度設(shè)定為25℃。在實(shí)驗(yàn)過程中，閥初始狀態(tài)為打開狀態(tài)，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使流量傳感器儀表示數(shù)達(dá)到要求值，直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，讀取壓差傳感器值，即該通流流量下壓損值。

Figure 1 Working principle of thermosyphon cooling loop system

Figure 2 Proposed low-power-consumption and self-retaining LMSV: (left) 3D sectional view and (right) realized prototype

Figure 3 Forces on the valve spool: (a) Closed state, (b) Opening process, (c) Opened state, (d) Closing process

03

結(jié)果

1)在低功耗自保持式微型電磁閥中，永磁體的直徑對電磁力的影響最為顯著，而其長度的影響相對較小。閥芯位移對系統(tǒng)的壓力損失影響最大，且壓力損失的主要分布位置不隨流量改變。壓力損失主要集中在10–20 mm和35–40 mm兩個區(qū)域。

2)在低溫流體介質(zhì)條件下，該電磁閥的開啟和關(guān)閉時間有所縮短，但功耗隨之增加。兩個極端高低溫條件下，最大工作電流差異為0.36 A。

3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在8000 Pa 的工作壓力下，該電磁閥的開啟與關(guān)閉時間均為5 ms，0.92 L/min流量條件下壓力損失為200 Pa。

4)該電磁閥在工作過程中可在斷電狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)閥芯位置的自保持功能，每個開關(guān)周期的能耗僅為1.55 J。

04

結(jié)論

本文設(shè)計了一種用于熱管理系統(tǒng)的低功耗自保持式微型電磁閥。該電磁閥通過對永磁體尺寸的合理設(shè)計，使閥芯在無需外部持續(xù)供電的情況下穩(wěn)定保持，有效避免了因持續(xù)通電而導(dǎo)致的過熱問題。閥體采用直通式結(jié)構(gòu)，電磁執(zhí)行器內(nèi)置于閥體之中，結(jié)構(gòu)緊湊。研究了永磁體尺寸對磁場分布及電磁力的影響，并評估了關(guān)鍵流道參數(shù)對流場特性和壓力損失的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電磁閥不僅具備自保持功能，還具有響應(yīng)速度快、壓損小等優(yōu)異性能。本研究所提出的新型微型電磁閥可滿足熱管理系統(tǒng)的嚴(yán)苛工作要求，為實(shí)現(xiàn)熱管理系統(tǒng)的精確控制提供了一種新的解決方案。

05

前景與應(yīng)用

低功耗微型電磁閥在熱管理系統(tǒng)中的應(yīng)用前景十分廣闊。隨著數(shù)據(jù)中心對高效散熱需求的不斷增加，熱管理系統(tǒng)的性能成為提升核心部件運(yùn)行效率和可靠性的關(guān)鍵。低功耗微型電磁閥的出現(xiàn)為這一難題提供了全新的解決方案。通過實(shí)現(xiàn)各并聯(lián)支路冷卻液流量的精確控制，這種電磁閥能夠顯著提高熱管理系統(tǒng)的靈活性和效率。此外，其低功耗、快速響應(yīng)、低壓力損失和小型化設(shè)計，使其特別適合應(yīng)用于對能效和空間要求較高的數(shù)據(jù)中心。

未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，低功耗微型電磁閥有望在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮作用，如高性能計算設(shè)備、可再生能源系統(tǒng)和電動汽車電池管理等場景。這些領(lǐng)域?qū)芰黧w控制和高效散熱的需求與日俱增，微型電磁閥的引入將顯著提升系統(tǒng)的整體效能，同時推動節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，助力構(gòu)建更加綠色、智能的技術(shù)生態(tài)。

06

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01

作者團(tuán)隊(duì)介紹

孔祥東教授團(tuán)隊(duì)，為“燕山大學(xué)智能裝備機(jī)電液一體化團(tuán)隊(duì)”，團(tuán)隊(duì)獲“機(jī)電液一體化”國家級教學(xué)團(tuán)隊(duì)、“機(jī)電液一體化元件及系統(tǒng)”中國機(jī)械工業(yè)優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等稱號，是“現(xiàn)代流控基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用教師團(tuán)隊(duì)”全國高校黃大年式教師團(tuán)隊(duì)的核心組成部分，獲省部級科技進(jìn)步、技術(shù)發(fā)明、教學(xué)成果一等獎7項(xiàng)。擁有國務(wù)院特殊津貼專家、國家教育部“長江學(xué)者”特聘教授、國家“萬人計劃”領(lǐng)軍人才、國家百千萬工程人才、國家教育部青年長江學(xué)者、國家優(yōu)秀青年基金獲得者、國家青年托舉工程人才等；在讀博士后、博士和碩士研究生200余人。團(tuán)隊(duì)在先進(jìn)鍛壓裝備系統(tǒng)、全液壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、高壓及超高壓液壓元件、高性能液壓足式仿生機(jī)器人、航空航天液壓元件及系統(tǒng)、工程機(jī)械機(jī)電液一體化仿真平臺等領(lǐng)域具有豐富的技術(shù)積累和實(shí)踐經(jīng)歷。主持國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目課題、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計劃(973計劃)項(xiàng)目課題、國家科技支撐計劃及省部級課題與企業(yè)合作項(xiàng)目200余項(xiàng)，出版教材著作12部，發(fā)表論文300余篇，授權(quán)/公開國家專利200余項(xiàng)。

姚靜，教授/博導(dǎo)，燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副院長。入選國家級高層次人才計劃。從事液壓元件及系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究，主持多項(xiàng)國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目課題、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)和面上項(xiàng)目、京津冀合作專項(xiàng)等項(xiàng)目。發(fā)表高水平論文80余篇，獲省科技發(fā)明一等獎、省科技進(jìn)步一等獎等。

楊帥，燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，博士研究生，主要研究方向?yàn)樾滦蛿?shù)字液壓元件設(shè)計及其高精度控制研究。

楊柳（通信作者），燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師，起重機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（燕山大學(xué)）科級學(xué)術(shù)秘書，中國機(jī)械工程學(xué)會流體傳動與控制分會青工委委員，主研方向：高精度位置伺服控制元件和系統(tǒng)、高性能電液轉(zhuǎn)換元件研制、基于AI的元件可靠性和故障診斷。近五年以第一/通訊作者發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文15篇，授權(quán)發(fā)明專利6項(xiàng)，其中國際發(fā)明專利1項(xiàng)，轉(zhuǎn)化專利1項(xiàng)；主持國家自然科學(xué)基金青年基金1項(xiàng)，國防科工局項(xiàng)目1項(xiàng)，作為子課題負(fù)責(zé)人承擔(dān)國家重點(diǎn)研發(fā)計劃2項(xiàng)，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)企業(yè)橫向課題10余項(xiàng)；獲得機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會科技進(jìn)步一等獎1項(xiàng)，二等獎1項(xiàng)。

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作 者：姚 靜

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責(zé)任校對： 向映姣

審 核：張 強(qiáng)

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