CN101963474B - 一种平面三维沸腾结构及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种平面三维沸腾结构及其加工方法，属于强化传热技术领域，包括一条周向螺旋状沟槽1和多条径向沟槽2，周向螺旋状沟槽1沿圆形平面边缘呈涡状曲线向中心位置逐渐接近，多条径向沟槽2在中心点位置重合，呈放射状向直径方向延伸，先利用周向螺旋状沟槽加工方法到周向螺旋状沟槽结构，后在其基础上利用径向螺旋状沟槽加工方法加工径向沟槽，螺旋状沟槽和径向沟槽形成多个交叉点，最终在工件平面内形成从中心向边缘分布的径向菱柱凸台3，金字塔形凸台4和切向菱柱凸台5组成的三维沸腾结构。该发明实现了径向和周向相互连通，可对工质液体起毛细抽吸作用，保证工质循环，强化沸腾，提高蒸发性能，且加工简单，蒸发效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种沸腾结构及加工方法，特别是涉及一种能有效在平面内实现液气两相高效相互转化的平面三维沸腾结构及其加工方法。
背景技术
相变传热是利用工质的形态发生改变时进行吸热和放热的一种传热方式，比如液态工质在汽化时吸收热量，在冷却时放出热量。相变传热作为一种潜热交换过程，不仅传热强度大，而且传热效率也很高，在数量上可以比一般固体材料导热大几个数量级。实际上，在相变传热过程中，工质要进行液相和气相的转化，工质液气两相的转化效率直接影响到相变传热的效率，而这种液气两相的转化效率提高需要依靠改变传热表面结构来保证，因此，强化沸腾结构的制造成为提高相变传热效率的关键。
从已有的研究成果来看，翅结构、微槽结构、微孔结构和肋片都可以提高沸腾效率，从加工方法来看，目前已有机械加工法、激光加工法、喷砂或火焰喷涂法、热解电度法、烧结法等，其沸腾性能均比光滑表面大幅提高。但激光加工、火焰加工、电镀加工和烧结等方法工艺比较复杂、成本较高、效率较低，不适合大规模的工业生产。机械加工表面沸腾结构因其成型工艺规范、简单，容易批量生产，为此得到了广泛应用，目前有几种形状的强化管实现了商品化，日本日立公司首创的机械加工多孔表面管Thermoexcel-E、德国生产的GAWA-T管和交错式T形管ECR-40，但这些商品化的强化沸腾表面都是在管外或管内制造的，由于利用这些商品化了的机械加工方法无法在平面上制造沸腾结构。
有研究者在平面上利用电火花等技术加工的垂直相交的矩形槽沸腾强化结构来提高沸腾效率，另外，激光加工法、喷砂或火焰喷涂法、热解电度法、烧结法也可用于平面沸腾结构的制造，但加工效率低下，成本较高，因而难以实现产业化生产。
发明内容
本发明的目的是针对平面沸腾结构加工效率低下，成本较高的现状，提出一种平面沸腾结构及其加工方法，并适合于大批量生产。
本发明的目的及解决其主要技术问题通过如下技术方案实现：
一种平面三维沸腾结构，其特征在于平面三维沸腾结构包括一条周向螺旋状沟槽1、多条径向沟槽2、径向菱柱凸台3、金字塔形凸台4、切向菱柱凸台5，周向螺旋状沟槽1沿圆形平面边缘呈涡状曲线向中心位置逐渐接近，多条径向沟槽2在中心点位置重合，呈放射状向直径方向延伸，周向螺旋状沟槽1和多条径向沟槽2交叉形成从中心向边缘分布的径向菱柱凸台3，金字塔形凸台4和切向菱柱凸台5。
为进一步实现本发明目的，所述的周向螺旋状沟槽1是指利用刀具从圆形工件的边缘开始到工件的中心位置结束以涡状曲线的轨迹在圆形工件的平面内形成一条沟槽结构。
所述的径向放射状沟槽2是指利用楔形刀具刀刃的一个顶点与圆形工件的中心重合，刀刃边长与圆形工件半径方向一致进行冲压加工得到的多个沟槽。
所述的径向菱柱凸台3是指在靠近圆形工件10中心处的圆形区域内周向螺旋状沟槽和径向放射状沟槽交汇处形成的截面为三角形或梯形的菱柱结构，菱柱长度方向与圆形工件10半径方向一致。
所述的金字塔形凸台4是指在位于工件半径中部的环形区域内周向螺旋状沟槽和径向放射状沟槽交汇处形成的金字塔形凸台。
所述的切向菱柱凸台5是指在工件10边缘附近的环形区域内周向螺旋状沟槽和径向放射状沟槽交汇处形成的截面为三角形或梯形的菱柱结构，菱柱长度方向与圆形工件10周向方向相切。
一种平面三维沸腾结构加工的方法，其特征包括以下步骤：
1)利用周向螺旋状沟槽结构加工装置6加工一条螺旋状沟槽1，主轴17作连续旋转运动带动工件10转动，周向沟槽刀具11刀刃安装位置与工件10中心线处于同一水平位置，加工时，周向沟槽刀具11从圆形工件10边缘逐渐向中心进给，加工后，工件10表面形成了一条周向螺旋状沟槽1；
2)在周向螺旋状沟槽1基础上利用径向螺旋状沟槽结构加工装置7加工多条径向放射状沟槽2，径向沟槽刀具21条状刀刃的一个顶点与圆形工件10的轴线重合，径向沟槽刀具21宽度与圆形工件10保持一致，加工时，径向沟槽刀具21在径向沟槽刀具进给运动机构23的带动向下作冲压动作，冲压完成后向上运动，与此同时，级进旋转装置24带动工件10旋转一定的角度，然后径向沟槽刀具21再次对工件10进行冲压，如此重复动作，直到级进旋转装置24旋转360°后加工完成；
3)在工件10加工平面内形成了一条周向螺旋状沟槽和多条在中心点重合的放射状沟槽结构交汇处组成的从中心向边缘分布的径向菱柱凸台3，金字塔形凸台4和切向菱柱凸台5组成的三维沸腾结构。
本发明与现有技术相比较，具有明显的优点和有益效果：
本发明针对目前利用激光加工法、喷砂或火焰喷涂法、热解电度法、烧结法等方法加工平面沸腾结构效率低下，成本较高的现状，提出了一种平面沸腾结构及其形成方法，利用机械法加工平面沸腾结构，工艺规范、简单，容易批量生产。
(1)本发明提出了一种平面的三维沸腾结构及其成形方法，三维沸腾结构实现了径向和周向相互连通，不仅可以对工质液体起毛细抽吸作用，使工质以最短的路径和阻力循环，而且增强了强化沸腾效果。
(2)本发明提出的三维沸腾结构，首先在圆形工件表面加工周向螺旋状沟槽结构，获得工质周向方向流动的通道，加工效率较高。
(3)本发明在周向螺旋状沟槽结构的基础上，利用刀具对工件加工平面进行冲压，使工质获得了多条径向方向流通的通道，径向沟槽与周向沟槽的交叉，使任何一处的工质能以最短的路径从工件的边缘达到工件中心位置。
(4)本发明利用机械加工法实现了在平面内加工三维沸腾结构，且加工工艺简单，加工装置结构简单，适合于大批量生产，易实现产业化。
附图说明
图1为本发明具有三角形截面的周向螺旋状沟槽形成的平面三维沸腾结构示意图；
图2为本发明具有三角形截面的周向螺旋状沟槽结构示意图；
图3为本发明具有梯形截面的周向螺旋状沟槽形成的平面三维沸腾结构示意图；
图4为本发明具有梯形截面的周向螺旋状沟槽结构示意图；
图5为本发明周向螺旋状沟槽结构成形装置示意图；
图6为本发明径向放射状沟槽结构成形装置示意图；
图7为本发明周向螺旋状沟槽结构成形刀具示意图；
图8为本发明径向放射状沟槽结构成形刀具示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。
结合附图1，一种平面三维沸腾结构包括一条周向螺旋状沟槽1、多条径向沟槽2、径向菱柱凸台3、金字塔形凸台4、切向菱柱凸台5，周向螺旋状沟槽1沿圆形平面边缘呈涡状曲线向中心位置逐渐接近，多条径向沟槽2在中心点位置重合，呈放射状向直径方向延伸，周向螺旋状沟槽1和多条径向沟槽2交叉形成从中心向边缘分布的径向菱柱凸台3，金字塔形凸台4和切向菱柱凸台5。
周向两沟槽之间的凸台形状为三角形截面时，平面三维沸腾结构由工件中心向边缘分布的径向菱柱凸台3，金字塔形凸台4和切向菱柱凸台5组成。
结合附图1和附图2，周向螺旋状沟槽1是在圆形工件10加工平面内利用周向螺旋状沟槽结构成形装置6加工的一条沟槽结构，该结构从周向方向连通了工件10边缘与中心。加工时，周向螺旋状沟槽结构成形装置连续旋转主轴17的转速和周向沟槽刀具进给运动工作台13进给速度配合，得到了截面为三角形的凸台。
结合附图3，周向两沟槽之间的凸台形状为梯角形截面时，平面三维沸腾结构由工件中心向边缘分布的径向菱柱凸台3和切向菱柱凸台5组成。
结合附图3和附图4，在加工时，周向螺旋状沟槽结构成形装置连续旋转主轴17的转速和周向沟槽刀具进给运动工作台13进给速度配合，形成了截面为梯形的凸台。
结合附图5，周向螺旋状沟槽结构加工装置6包括周向沟槽刀具11，周向沟槽刀具刀架12，周向沟槽刀具固定装置121，周向沟槽刀具进给运动工作台13，周向沟槽刀具刀架固定座14，周向沟槽刀具进给螺杆15，工件夹紧装置16，工件平台161，工件平台与主轴连接销162，工件固定装置163，连续旋转主轴17，轴承18，周向螺旋状沟槽结构加工装置固定机座19。加工时，工件被工件平台161定位，被工件夹紧装置16夹紧，周向沟槽刀具11刀刃与工件10中心高度一致，并预先调节好一定的加工深度，当主轴17开动旋转时，带动工件平台161旋转，工件10随着工件平台161一起旋转。周向沟槽刀具进给螺杆15旋转，从工件10的边缘向中心位置进给，带动周向沟槽刀具进给运动工作台13进给，周向沟槽刀具刀架12固定在周向沟槽刀具进给运动工作台13上，因此当周向沟槽刀具进给运动工作台13进给时，一起带动周向沟槽刀具刀架12进给，与此同时，周向沟槽刀具11开始进给。此时，工件10做旋转运动，周向沟槽刀具11从工件10边缘向中心位置作直线运动，由于刀具预先调节好了一定的深度，因此，加工后在圆形工件10的表面就形成了一条螺旋状沟槽结构，螺旋状沟槽的深度为周向沟槽刀具11预先调节好一定的深度，螺旋状沟槽的沟槽间距受主轴17的旋转速度和周向沟槽刀具进给装置15的进给速度同时制约。
结合附图6，径向螺旋状沟槽结构加工装置7包括径向沟槽刀具21，径向沟槽刀具刀架22，径向沟槽刀具固定装置221，径向沟槽刀具进给运动机构23，工件夹紧装置16，工件平台161，工件平台与主轴连接销162，工件固定装置163，轴承18，级进旋转装置24，径向螺旋状沟槽结构加工装置机座25。当周向螺旋状沟槽结构1加工完成后开始径向螺旋状沟槽结构2的加工，工件10固定在工件平台161上，用工件固定装置163固定。径向沟槽刀具21安装在工件10的上方径向沟槽刀具刀架22上，用径向沟槽刀具固定装置221固定，安装时，刀具的楔形刀刃一个顶点与工件10的中心对齐，刀具的宽度与工件半径一致。预先调节好径向沟槽刀具21的冲压深度，径向沟槽刀具进给运动机构23向下对工件10进行冲压，得到一条沿半径方向的径向沟槽，然后径向沟槽刀具进给运动机构23向上运动，与此同时，级进旋转装置24旋转一定的角度，当径向沟槽刀具进给运动机构23再次向下冲压时，得到另一条沿半径方向的径向沟槽，两条径向沟槽以工件10的中心为重合点，夹角为级进旋转装置24旋转的角度，深度为预先调节好的径向沟槽刀具21的冲压深度。如此重复，径向沟槽刀具进给运动机构23上下往复运动，每冲压一次后，级进旋转装置24旋转一定的角度再次冲压，直到级进旋转装置24旋转360°后，冲压完毕，在工件10加工平面内形成了一条周向螺旋状沟槽和多条在中心点重合的放射状沟槽结构交汇处组成的从中心向边缘分布的径向菱柱凸台3，金字塔形凸台4和切向菱柱凸台5组成的三维沸腾结构。
结合附图7，周向沟槽刀具11上部为刀刃和两个挤压面，构成一个楔状结构，工件的金属被刀刃切开，然后由挤压面向两侧分开。
结合附图8，径向沟槽刀具21为条形冲压刀具，两个面交汇处形成刀刃，成楔形结构，刀刃长度与工件10一致。
以上所述，仅是本发明的较佳实施方案而已，并非对本发明做任何形式的限制，任何熟悉本专业的方法人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施方案，但是凡是未脱离本发明的技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施方案所作的任何简单修改，等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种平面三维沸腾结构，其特征在于结构包括一条周向螺旋状沟槽(1)、多条径向沟槽(2)、径向菱柱凸台(3)、金字塔形凸台(4)、切向菱柱凸台(5)，周向螺旋状沟槽(1)沿圆形平面边缘呈涡状曲线向中心点位置逐渐接近，多条径向沟槽(2)在中心点位置重合，呈放射状向直径方向延伸，周向螺旋状沟槽(1)和多条径向沟槽(2)交叉形成从中心向边缘分布的径向菱柱凸台(3)，金字塔形凸台(4)和切向菱柱凸台(5)。
2.根据权利要求1所述的一种平面三维沸腾结构，其特征在于所述的周向螺旋状沟槽(1)是指利用刀具从圆形工件的边缘开始到工件的中心位置结束以涡状曲线的轨迹在圆形工件的平面内形成一条沟槽结构。
3.根据权利要求1所述的一种平面三维沸腾结构，其特征在于放射状的所述径向沟槽(2)是指利用楔形刀具刀刃的一个顶点与圆形工件的中心重合，刀刃边长与圆形工件半径一致进行冲压加工得到的多个沟槽。
4.根据权利要求1所述的一种平面三维沸腾结构，其特征在于所述的径向菱柱凸台(3)是指在靠近圆形工件(10)中心处的圆形区域内周向螺旋状沟槽和径向放射状沟槽交汇处形成的截面为三角形或梯形的菱柱结构，菱柱长度方向与圆形工件(10)半径方向一致。
5.根据权利要求1所述的一种平面三维沸腾结构，其特征在于所述的金字塔形凸台(4)是指在位于工件半径中部的环形区域内周向螺旋状沟槽和径向放射状沟槽交汇处形成的金字塔形凸台。
6.根据权利要求1所述的一种平面三维沸腾结构，其特征在于所述的切向菱柱凸台(5)是指在工件(10)边缘附近的环形区域内周向螺旋状沟槽和径向放射状沟槽交汇处形成的截面为三角形或梯形的菱柱结构，菱柱长度方向与圆形工件(10)周向方向相切。
7.一种平面三维沸腾结构的加工方法，其特征在于包括以下步骤：
1)利用周向螺旋状沟槽结构加工装置(6)加工一条周向螺旋状沟槽(1)，主轴(17)作连续旋转运动带动工件(10)转动，周向沟槽刀具(11)刀刃安装位置与工件(10)中心线处于同一水平位置，加工时，周向沟槽刀具(11)从圆形工件(10)边缘逐渐向中心进给，加工后，工件(10)表面形成了一条周向螺旋状沟槽(1)；
2)在周向螺旋状沟槽(1)基础上利用径向螺旋状沟槽结构加工装置(7)加工多条径向放射状沟槽(2)，径向沟槽刀具(21)条状刀刃的一个顶点与圆形工件(10)的轴线重合，径向沟槽刀具(21)宽度与圆形工件(10)保持一致，加工时，径向沟槽刀具(21)在径向沟槽刀具进给运动机构(23)的带动向下作冲压动作，冲压完成后向上运动，与此同时，级进旋转装置(24)带动工件(10)旋转一定的角度，然后径向沟槽刀具(21)再次对工件(10)进行冲压，如此重复动作，直到级进旋转装置(24)旋转360°后加工完成；
3)在工件(10)加工平面内形成了一条周向螺旋状沟槽和多条在中心点重合的放射状沟槽结构交汇处组成的从中心向边缘分布的径向菱柱凸台(3)，金字塔形凸台(4)和切向菱柱凸台(5)组成的三维沸腾结构。
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