CN102620586A - 一种套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统 - Google Patents

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Abstract

一种套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，包括充有工质2的脉动热管1。该脉动热管1自下而上依次分为蒸发区I，绝热区II，冷凝区III。它的特点是：在脉动热管1上套有电控压电陶瓷块3。电控压电陶瓷块3上施加的电压大小可调，频率可调。这种脉动热管传热系统优点如下：通过控制加载在压电陶瓷上电压的大小和频率，使压电陶瓷产生不同频率和强度的超声波，从而控制脉动热管的启动和正常工作时的传热性能。降低脉动热管的启动功率，解除脉动热管在低功率条件下的应用限制。采用空化原理降低脉动热管的传热热阻，强化脉动热管在正常工作时的传热性能。所用的材料普通常见，造价低廉。制作方便，使用简单，具有较强的现实可操作性和应用前景。

Description

一种套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统
技术领域本发明涉及一种电控的脉动热管传热系统，属于换热、制冷技术领域。
背景技术随着电子科技的不断发展，因电子元件的高频、高速化以及集成电路的密集化与小型化，导致单位容积电子器件的发热功率大幅增加，从而使其冷却问题变得日趋严峻。脉动热管具有体积小、当量导热系数大、结构简单、样式多样等优点，因而作为一种高效散热元件被广泛应用于电子元器件冷却领域。脉动热管由一个毛细管多次穿过蒸发端以及冷凝端制成，状如蛇形。毛细管内充有工作流体，形成气塞以及液塞。工作时，管内工作流体在蒸发端蒸发，在冷凝端冷凝，这将导致毛细管在冷凝端与加热端产生压力差，这一压力差使得工作流体在脉动热管内快速流动。在此过程中由于工作流体的相变以及强制对流作用使热量有效地从加热端传递到冷凝端。由于脉动热管的脉动限制，其启动困难的问题，以及其在低功率条件下的工作不稳定，限制了脉动热管在低功率输入状态下的应用。
超声波是指振动频率较高的物体在介质中所产生的弹性波，其频率范围为20kHz～10MHz。将大振幅、低频率的超声波能量集中，可以使介质产生剧烈振动，强化流体流动和传热。并且超声波可以引起空化效应。空化效应是指存在于液体中的微小泡核在超声波作用下，经历超声的稀疏相和压缩相，体积生长、收缩、再生长、再收缩，多次周期行振荡，最终高速破裂的动力学过程。实验测定，泡核内温度高达5200K，压力高达5.05×107Pa，泡核周围极小的空间范围内(泡核液相层厚度为200～300nm)的温度也可高达1900K。由于这种局部高温、高压条件存在的时间极短(小于10um)，故温度变化率可高达109K/s，并伴有强烈的冲击波和时速高达400km/h的微射流，这就为在一般条件下难以实现或不可能实现的物理化学反应提供了一种极端的条件。空化反应主要发生在20kHz～1000kHz的中频范围内。
压电陶瓷是一种具有压电效应的材料，是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。压电陶瓷是超声振动的驱动源，通过外加电场控制，压电陶瓷可产生不同频率的振动，从而发出各种不同频率的声音，其中就包括超声波。使用压电陶瓷制作成超声波换能器，可以把高频电能转化为机械能，超声波换能器作为能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去，而它自身消耗很少的一部分功率。
发明内容本发明要解决的技术问题是，通过一种技术手段，使脉动热管的脉动流动和传热性能得到控制和强化，降低脉动热管的脉动限制，并且解决脉动热管启动困难的问题；降低脉动热管的启动所需要的输入功率，提高脉动热管在低功率条件下工作的稳定性，解除脉动热管在低功率输入下的应用限制。此外，控制并强化脉动热管在正常工作时的传热性能。为解决上述问题，本发明提出以下技术方案：一种套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，包括充有工质的脉动热管，该脉动热管自下而上依次分为蒸发区I，绝热区II，冷凝区III。它的特点是：在该脉动热管1上套有电控压电陶瓷块3。
电控压电陶瓷块3可以套在所述的蒸发区I，也可以套在绝热区II或者冷凝区III。在蒸发区I、绝热区II、冷凝区III中套装的数量可以根据需要组合。电控压电陶瓷块3上施加的电压大小可调。可调电压范围为5伏～1000伏。电控压电陶瓷块3上施加的电压频率可调。施加的电压频率范围为50Hz～2MHz。施加的电压频率最佳范围为1kHz～1000kHz。
采用了以上技术方案的套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，与传统脉动热管传热装置相比，具有如下优点：通过控制加载在压电陶瓷上的电压的大小和频率，使压电陶瓷产生的超声波的频率和强度得到控制，从而使脉动热管的启动和正常工作时的传热性能得到控制。此外，由于压电陶瓷产生的超声波和脉动热管联合使用，可以降低脉动热管的启动功率，解除脉动热管在低功率条件下的应用限制。采用空化原理还可以降低脉动热管的传热热阻，强化脉动热管在正常工作时的传热性能。所选用的各种材料普通常见，造价低廉。制作方便，使用简单。
附图说明图1为本发明一种套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统的结构示意图。
具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步详细说明。从图1中可以看出，本发明与普通脉动热管传热装置一样设有脉动热管1，蒸发区I，绝热区II，冷凝区III；内部工质2。本发明与一般常见的脉动热管不一样之处在于：在蒸发区I，绝热区II，冷凝区III处套有电控压电陶瓷块3。电控压电陶瓷块3也可以在所述的蒸发区(I)、绝热区(II)、冷凝区(III)中都有安装。在各区域中安装的数量可以根据需要组合。
使用电控压电陶瓷块3产生超声波，并将此超声波引入到脉动热管1传热装置中，利用超声波的空化效应强化脉动热管的性能。其特点是：通过外加电场控制加载在压电陶瓷上的电信号的电压大小和频率，该电压的范围为5V～1000V，该频率的范围为50Hz～2MHz，能够控制压电陶瓷产生不同强度、不同频率的超声波，并利用此超声波的空化效应，控制并强化脉动热管内部工质2流动和传热性能，以及利用超声波控制脉动热管1的启动及正常工作的传热性能。当施加的电压频率为1kHz～1000kHz时，所产生的超声波对脉动热管脉动流动和传热的控制和强化作用最为显著。
脉动热管1的材质：可采用铜、铝、碳钢、不锈钢、合金钢以及其他金属，也可以采用陶瓷，玻璃或者塑料等非金属材料。脉动热管1的形状可为闭环管式脉动热管，开环管式脉动热管等。脉动热管1的通道弯数可以根据实际需要确定，可以为单管或多管。脉动热管1的横截面可以是标准圆形，也可以是椭圆形，以及正方形、矩形、扁平形、波纹形等。脉动热管1内部充灌工质2可为水，也可为酒精，丙酮，甲醇，氟代烃等化合物以及各种纳米流体，微米流体等。
压电陶瓷块3的材料：可以是钙钛矿型压电陶瓷材料，如钛酸铅(PbTiO3)，也可以是二元系PbZrO3-PbTiO3压电陶瓷(简称PZT)和三元系钙钛矿型压电陶瓷等。对于管式脉动热管，压电陶瓷块3的形状满足其内环尺寸可环套于与之匹配的脉动热管外壁即可。压电陶瓷块3外周边形状不限，圆形、方形均可，而厚薄可根据需要决定。

Claims (16)

1.一种套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，包括充有工质(2)的脉动热管(1)，该脉动热管(1)自下而上依次分为蒸发区(I)，绝热区(II)，冷凝区(III)，其特征在于：在该脉动热管(1)上套有电控压电陶瓷块(3)。
2.根据权利要求1所述的套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，其特征在于：电控压电陶瓷块(3)套在所述的蒸发区(I)。
3.根据权利要求1所述的套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，其特征在于：电控压电陶瓷块(3)套在所述的绝热区(II)。
4.根据权利要求1所述的套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，其特征在于：电控压电陶瓷块(3)套在所述的冷凝区(III)。
5.根据权利要求1所述的套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，其特征在于：电控压电陶瓷块(3)在所述的蒸发区(I)、绝热区(II)、冷凝区(III)中都套有。
6.根据权利要求1至此5中任一项所述的套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，其特征在于：电控压电陶瓷块(3)在所述的蒸发区(I)，绝热区(II)，冷凝区(III)各区域中套有的数量可以根据需要组合。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，其特征在于：所述的电控压电陶瓷块(3)上施加的电压可调。
8.根据权利要求7所述的套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，其特征在于：所述的电控压电陶瓷块(3)上施加的电压范围为5伏～1000伏。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，其特征在于：所述的电控压电陶瓷块(3)上施加的电压频率可调。
10.根据权利要求9所述的套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，其特征在于：所述的电控压电陶瓷块(3)上施加的电压频率范围为50Hz～2MHz。
11.根据权利要求10所述的套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，其特征在于：所述的电控压电陶瓷块(3)上施加的电压频率最佳范围为1kHz～1000kHz。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，其特征在于：电控压电陶瓷块(3)的内环与脉动热管(1)外壁之间为滑动配合间隙。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，其特征在于：电控压电陶瓷块(3)的材质为钙钛矿型压电陶瓷。
14.根据权利要求13所述的套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，其特征在于：电控压电陶瓷块(3)的材质为钛酸铅(PbTiO3)。
15.根据权利要求1至5中任一项所述的套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，其特征在于：电控压电陶瓷块(3)的材质为二元系PbZrO3-PbTiO3压电陶瓷(简称PZT)。
16.根据权利要求1至5中任一项所述的套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统，其特征在于：电控压电陶瓷块(3)的材质为三元系钙钛矿型压电陶瓷。
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