CN104748605A - 一种电场强化纳米流体相变传热紧凑式多层微通道换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电场强化纳米流体相变传热紧凑式多层微通道换热器，包括由上而下依次叠加并通过螺栓及螺母紧固连接的盖板、第一电极垫片、线状电极板、第二电极垫片、第一微通道基板、垫片、第二微通道基板、第一电极垫片、线状电极板、第二电极垫片、盖板，盖板设置有第一孔和第二孔，位于上端的盖板上的第二孔连接第四进出口接头，第一孔连接第一进出口接头，位于下端的盖板上的第二孔连接第三进出口接头、第一孔连接第二进出口接头。本发明实现了电场强化传热技术在微型通道换热器上的应用，使线状电极且两电极间距小，易产生高强度非均匀电场，对沸腾气泡作用力大，结合纳米流体强化传热技术，强化换热效果，结构简单、紧凑、安装方便。

Description

一种电场强化纳米流体相变传热紧凑式多层微通道换热器

技术领域

本发明涉及换热器领域，尤其涉及本发明涉及一种电场强化纳米流体相变传热紧凑式多层微通道换热器。

背景技术

随着工业技术的迅速发展，在能源动力、生物化工、航空航天、微电子技术、激光器技术等工程领域，先进设备与器件的热负荷在不断提高。此外，随着现代科技的快速发展、工艺制造水平的不断提高和生产的实际需要，微型化成为当今科技研究发展的重要方向。微尺度器件的兴起和发展，必然产生微尺度流动或微尺度传热。高热负荷散热和微尺度传热问题对强化传热技术提出了新的更高的要求。

针对高热负荷散热和微尺度传热问题，科研工作者提出了微通道换热器，这种微通道换热器不仅具有高效优良的换热性能，而且结构简单、紧凑。为了进一步高效地提高微通道换热器的换热效率，科研工作者们将纳米流体传热技术和电场强化传热技术引入到微通道进行研究。研究表明，电场、纳米流体对增强微通道换热效果具有积极作用，值得一提的是，电场非均匀性越强，换热强化效果越显著。虽然，目前的微小尺度换热研究表明基于微尺度相变理论为基础的流动沸腾换热能有效保证微系统的高效散热要求。但是在实际应用中，由于部分热交换系统特殊结构的限制和高负荷传热强度的要求，在微通道内应用单一的强化传热技术已无法满足实际需求。因此，为了能更好地解决微通道内微尺度传热问题，高效地提高其传热效率，需要两种或两种以上的强化传热技术同时应用到微通道上。换言之，就是使用复合强化传热技术解决微尺度传热问题。

在目前，尚未有纳米流体与电场复合强化的微型通道相变传热紧凑式换热设备，其主要原因为：在窄小的微通道中如何施加电场，并实现绝缘与密封，如何实现纳米流体与电场复合强化的最佳效果等问题未得到解决。因此，有必要提出一种有效的结构形式来解决问题。

发明内容

本发明针对目前上述的问题与现状，提出了一种电场强化纳米流体相变传热紧凑式多层微通道换热器，其通过纳米流体强化传热技术与电场强化传热技术进行复合，以达到更好的强化传热效果。

本发明通过以下技术方案来解决上述提出的问题：

一种电场强化纳米流体相变传热紧凑式多层微通道换热器，包括由上而下依次叠加并通过螺栓及螺母紧固连接的盖板、第一电极垫片、线状电极板、第二电极垫片、第一微通道基板、垫片、第二微通道基板、第一电极垫片、线状电极板、第二电极垫片、盖板，所述盖板设置有第一孔和第二孔，位于上端的盖板上的第二孔连接第四进出口接头，第一孔连接第一进出口接头，位于下端的盖板上的第二孔连接第三进出口接头、第一孔连接第二进出口接头，所述第一电极垫片的对角分别设置有第三孔、第四孔、第五孔、第六孔；所述第二电极垫片对角分别设置有第七孔、第八孔、第九孔、第十孔，中部设置有形状与线状电极板相对应的凹槽；所述垫片对角分别设置有第十五孔、第十六孔、第十七孔、第十八孔，中间为镂空部，其中第十七孔、第十八孔通过镂空部相连通；

所述第一微通道基板和第二微通道基板形状结构相互镜像，间隔垫片对称设置，所述第一微通道基板的对角分别设置有第十一孔、第十二孔、第十三孔、第十四孔，中部朝向第二电极垫片的一面设置有第一微通道群，所述第一微通道群的入口端设置有连通第十三孔的第一流体分配腔，出口端设置有连通第十一孔的第一流体汇集腔，所述第一微通道基板中部另一面设置有与对角设置的第十二孔、第十四孔相连通的第一流动腔；所述第二微通道基板的对角分别设置有第十九孔、第二十孔、第二十一孔、第二十二孔，其中部朝向所述垫片的一面设置有与对角设置的第二十孔、第二十二孔相连通的第二流动腔；所述第二微通道基板的另一面设置有第二微通道群，所述第二微通道群的入口端设置有连通第二十一孔的第二流体分配腔，出口端设置有连通第十九孔的第二流体汇集腔；所述第一微通道基板和第二微通道基板的侧边分别设置有通过电缆与地极接通的第一接线柱、第二接线柱；

所述线状电极板包括接线片、若干根相互平行的线状电极，每根电极位于其所对应的基板微通道宽度方向中间，其间距与第一微通道群及第二微通道群的通道间距相一致，线状电极板的接线片通过电缆与电压发生器正极接通，所述第一微通道基板和第二微通道基板作为地极。

进一步地，所述第一微通道群及第二微通道群的通道宽为0.5 mm ~3mm，高为0.5 mm ~5mm，长为10 mm ~200mm。

进一步地，所述线状电极板的厚度为0.01 mm ~0.5mm，宽度为0.1 mm ~1mm。

进一步地，第一微通道基板和第二微通道基板、线状电极板、盖板均为金属材料，所述第一电极垫片、第二电极垫片为绝缘耐腐蚀材料，所述垫片为耐腐蚀材料。

进一步地，所述换热器的换热工质为纳米流体。

按上述方案，由所述的第一微通道基板、垫片、第二微通道基板、第一电极垫片、线状电极板和第二电极垫片顺序组成的组合体可以层叠，组成多层微通道换热器。

本发明的主要工作原理：纳米流体微通道进行流动换热过程中，一方面纳米粒子的添加会增加流体的导热系数；另一方面由于粒子与粒子、粒子与液体、粒子与壁面间的相互作用及碰撞，使得液体截面温度分布平坦，减小了层流底层和温度边界层，导致层流底层温度梯度加大，使流道固体表面和纳米流体之间的传热增强，强化了纳米流体内部的能量传递过程。加入电场后，由于通道尺寸较小，进而使得电极间距很小，因此在低电压下，也能产生较强的电场，而且电极为线状电极，可产生非均匀电场。因此，对于单相换热，高强度电场通过流体引起电荷注入，结果导致二次流的产生，二次流扰乱边界层，进一步强化了传热；对于相变传热，电场力使气液界面产生扰动，使沸腾换热得以增强。

本发明专利主要优点在于：电场强化微型通道换热器可实现电场强化传热技术在微型通道换热器上的应用；同时，本发明使线状电极，且两电极间距很小，易产生高强度非均匀电场，对沸腾的气泡作用力大，而且与纳米流体强化传热技术复合，极大地提高了强化换热效果；此外，结构简单、紧凑、安装方便。

附图说明

图1电场强化纳米流体相变传热紧凑式多层微通道换热器的爆照结构示意图。

图2电场强化纳米流体相变传热紧凑式多层微通道换热器的组装示意图。

图3第一微通道基板的结构示意图。

图4是图3中的A向视图。

图5第二微通道基板的结构示意图。

图6是图5中的B向视图。

图7 线状电极板的结构示意图。

图8为垫片的结构示意图。

图中：1-第一进出口接头； 2-螺栓；3-盖板；31-第一孔；32-第二孔；4-第一电极垫片；41-第三孔；42-第四孔；43-第五孔；44-第六孔；5-线状电极板；51-接线片；52-电极；6-第二电极垫片；61-第七孔；62-第八孔；63-第九孔；64-第十孔；7-第一微通道基板；71-第十一孔；72-第一流体汇集腔；73-第一微通道群；74-第十二孔；75-第十三孔；76-第一流体分配腔；77-第一流动腔；78-第一接线柱；79-第十四孔；8-垫片；81-第十五孔；82-第十六孔；83-第十七孔；84-第十八孔；9-第二微通道基板；91-第十九孔；92-第二十孔；93-第二十一孔；94-第二流动腔；95-第二十二孔；96-第二流体分配腔；97-第二微通道群；98-第二流体汇集腔；99-第二接线柱；10-螺母；11-第二进出口接头；12-第三进出口接头；13-第四进出口接头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1至图8所示，一种电场强化纳米流体相变传热紧凑式多层微通道换热器，所述换热器的换热工质为纳米流体，包括由上而下依次叠加并通过螺栓2及螺母10紧固连接的盖板3、第一电极垫片4、线状电极板5、第二电极垫片6、第一微通道基板7、垫片8、第二微通道基板9、第一电极垫片4、线状电极板5、第二电极垫片6、盖板3，所述盖板3设置有第一孔31和第二孔32，位于上端的盖板3上的第二孔32连接第四进出口接头13，第一孔31连接第一进出口接头1，位于下端的盖板3上的第二孔32连接第三进出口接头12、第一孔31连接第二进出口接头11，

所述第一电极垫片4的对角分别设置有第三孔41、第四孔42、第五孔43、第六孔44；

所述第二电极垫片6对角分别设置有第七孔61、第八孔62、第九孔63、第十孔64，中部设置有形状与线状电极板5相对应的凹槽；

如图8所示，所述垫片8对角分别设置有第十五孔81、第十六孔82、第十七孔83、第十八孔84，中间为镂空部，其中第十七孔83、第十八孔84通过镂空部相连通；

如图3至图6所示，所述第一微通道基板7和第二微通道基板9形状结构相互镜像，间隔垫片8对称设置，所述第一微通道基板7的对角分别设置有第十一孔71、第十二孔74、第十三孔75、第十四孔79，中部朝向第二电极垫片6的一面设置有第一微通道群73，所述第一微通道群73的入口端设置有连通第十三孔75的第一流体分配腔76，出口端设置有连通第十一孔71的第一流体汇集腔72，所述第一微通道基板7中部另一面设置有与对角设置的第十二孔74、第十四孔79相连通的第一流动腔77；所述第二微通道基板9的对角分别设置有第十九孔91、第二十孔92、第二十一孔93、第二十二孔95，其中部朝向所述垫片8的一面设置有与对角设置的第二十孔92、第二十二孔95相连通的第二流动腔94；所述第二微通道基板9的另一面设置有第二微通道群97，所述第二微通道群97的入口端设置有连通第二十一孔93的第二流体分配腔96，出口端设置有连通第十九孔91的第二流体汇集腔98；所述第一微通道基板7和第二微通道基板9的侧边分别设置有通过电缆与地极接通的第一接线柱78、第二接线柱99；

如图7所示，所述线状电极板5包括接线片51、若干根相互平行的线状电极52，每根电极52位于其所对应的基板微通道宽度方向中间，其间距与第一微通道群73及第二微通道群97的通道间距相一致，线状电极板5的接线片51通过电缆与电压发生器正极接通，所述第一微通道基板7和第二微通道基板9作为地极，通电后，在第一微通道群73及第二微通道群97的微通道里形成非均匀电场，有利于强化传热。

具体来说，所述第一微通道群73及第二微通道群97的通道宽为0.5 mm ~3mm，高为0.5 mm ~5mm，长为10 mm ~200mm。

具体来说，所述线状电极板5的厚度为0.01 mm ~0.5mm，宽度为0.1 mm ~1mm。本实施例使线状电极，且两电极间距很小，易产生高强度非均匀电场，对沸腾的气泡作用力大，而且与纳米流体强化传热技术复合，极大地提高了强化换热效果。

第一微通道基板7和第二微通道基板9、线状电极板5、盖板3均为金属材料，所述第一电极垫片4、第二电极垫片6为绝缘耐腐蚀材料，所述垫片8为耐腐蚀材料。

本实施例的工作原理如下：纳米流体a，如TiO₂纳米流体、Al₂O₃纳米流体、CuO纳米流体等，首先从第四进出口接头13进入，通过盖板3的第二孔32、第一电极垫片4的第四孔42和第二电极垫片6的第八孔62，接着进入第一微通道基板7的第十三孔75后分流，一支流进入第一微通道基板7的第一流体分配腔76，然后流经第一微通道群73的通道进行沸腾换热，在电场作用下换热得以强化，接着再流入流体第一流体汇集腔72，经第十一孔71、垫片8的第十五孔81进入第二微通道基板9的第十九孔91；另一支流则通过垫片8的第十六孔82和第二微通道基板9的第二十一孔93，进入第二微通道基板9的第二流体分配腔96，然后流经第二微通道群97的通道进行沸腾换热，在电场作用下换热得以强化，再流入第二流体汇集腔98，与上一支流在第二微通道基板9的第十九孔91汇合后，最后经第一电极垫片4的第五孔43、第二电极垫片6的第九孔63、盖板3的第一孔31和第二进出口接头11流出；另一种工质b，如冷却油等，首先从第三进出口接头12进入，通过盖板3的第二孔32、第二电极垫片6的第十孔64和第一电极垫片4的第六孔44，进入第二微通道基板9的第二十二孔95，再进入第一微通道基板7的第一流动腔77和第二微通道基板9的第二流动腔94进行换热，然后经第一微通道基板7的第十二孔74、第二电极垫片6的第七孔61、第一电极垫片4的第三孔41、盖板3的第一孔31和第一进出口接头1流出。流体流动的方向如图中箭头标示方向，但是方向可以互换。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电场强化纳米流体相变传热紧凑式多层微通道换热器，包括由上而下依次叠加并通过螺栓(2)及螺母(10)紧固连接的盖板(3)、第一电极垫片(4)、线状电极板(5)、第二电极垫片(6)、第一微通道基板(7)、垫片(8)、第二微通道基板(9)、第一电极垫片(4)、线状电极板(5)、第二电极垫片(6)、盖板(3)，所述盖板(3)设置有第一孔(31)和第二孔(32)，位于上端的盖板(3)上的第二孔(32)连接第四进出口接头(13)，第一孔(31)连接第一进出口接头(1)，位于下端的盖板(3)上的第二孔(32)连接第三进出口接头(12)、第一孔(31)连接第二进出口接头(11)，其特征在于：

所述第一电极垫片(4)的对角分别设置有第三孔(41)、第四孔(42)、第五孔(43)、第六孔(44)；

所述第二电极垫片(6)对角分别设置有第七孔(61)、第八孔(62)、第九孔(63)、第十孔(64)，中部设置有形状与线状电极板(5)相对应的凹槽；

所述垫片(8)对角分别设置有第十五孔(81)、第十六孔(82)、第十七孔(83)、第十八孔(84)，中间为镂空部，其中第十七孔(83)、第十八孔(84)通过镂空部相连通；

所述第一微通道基板(7)和第二微通道基板(9)形状结构相互镜像，间隔垫片(8)对称设置，所述第一微通道基板(7)的对角分别设置有第十一孔(71)、第十二孔(74)、第十三孔(75)、第十四孔(79)，中部朝向第二电极垫片(6)的一面设置有第一微通道群(73)，所述第一微通道群(73)的入口端设置有连通第十三孔(75)的第一流体分配腔(76)，出口端设置有连通第十一孔(71)的第一流体汇集腔(72)，所述第一微通道基板(7)中部另一面设置有与对角设置的第十二孔(74)、第十四孔(79)相连通的第一流动腔(77)；所述第二微通道基板(9)的对角分别设置有第十九孔(91)、第二十孔(92)、第二十一孔(93)、第二十二孔(95)，其中部朝向所述垫片(8)的一面设置有与对角设置的第二十孔(92)、第二十二孔(95)相连通的第二流动腔(94)；所述第二微通道基板(9)的另一面设置有第二微通道群(97)，所述第二微通道群(97)的入口端设置有连通第二十一孔(93)的第二流体分配腔(96)，出口端设置有连通第十九孔(91)的第二流体汇集腔(98)；所述第一微通道基板(7)和第二微通道基板(9)的侧边分别设置有通过电缆与地极接通的第一接线柱(78)、第二接线柱(99)；

所述线状电极板(5)包括接线片(51)、若干根相互平行的线状电极(52)，每根电极(52)位于其所对应的基板微通道宽度方向中间，其间距与第一微通道群(73)及第二微通道群(97)的通道间距相一致，线状电极板(5)的接线片(51)通过电缆与电压发生器正极接通，所述第一微通道基板(7)和第二微通道基板(9)作为地极。

2.根据权利要求1所述的电场强化纳米流体相变传热紧凑式多层微通道换热器，其特征在于：所述第一微通道群(73)及第二微通道群(97)的通道宽为0.5mm ~3mm，高为0.5 mm ~5mm，长为10 mm ~200mm。

3.根据权利要求2所述的电场强化纳米流体相变传热紧凑式多层微通道换热器，其特征在于：所述线状电极板(5)的厚度为0.01mm ~0.5mm，宽度为0.1mm ~1mm。

4.根据权利要求1所述的电场强化纳米流体相变传热紧凑式多层微通道换热器，其特征在于：第一微通道基板(7)和第二微通道基板(9)、线状电极板(5)、盖板(3)均为金属材料，所述第一电极垫片(4)、第二电极垫片(6)为绝缘耐腐蚀材料，所述垫片(8)为耐腐蚀材料。

5.根据权利要求1所述的电场强化纳米流体相变传热紧凑式多层微通道换热器，其特征在于：所述换热器的换热工质为纳米流体。