CN105843347B - 基于振荡诱发的双向流换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于振荡诱发的双向流换热器，包括至少一个主管道，所述主管道内依次连续的设有多个截面积渐变的内管道，所述内管道的截面积渐变方向一致，且内管道与主管道的壁面形成截面积反向渐变的流体通道，所述主管道的流动通道内填充有传热介质，同时内管道的两端与主管道内壁均保持间隙，从而形成反向的锥形管道和4倍数量的分叉管道，形成连续平行变截面和平行头尾分叉的结构延长振荡双向流。本发明延长了渐变锥形管道和分叉管道的双向流传输距离，并在主动或被动方式下进行振荡诱发的传热，从而开发出了一种全新的传热模式；同时在传热介质中引入悬浮的相变材料微胶囊，大大提高了传热能力，尤其是在小温差情况下。

Description

基于振荡诱发的双向流换热器

技术领域

本发明流体传热换热器技术领域，尤其涉及振荡诱发双向流的换热管。

背景技术

过去很长一段时间，在振荡诱发下的大管道稳态流动方面已有初步研究并发表了相关论文，但仅停留在理论阶段，且很多流动的问题并未取得相应的认知，在潜在应用中，包括宏观方面和微观尺度方面还需要更全面充分的研究和探索，例如包括将流动流体中的传热传质功能如何运用到实际应用中，尤其是在微通道/迷你通道中的双向流动，极少有相关的研究。

尽管在生物系统中双向流很常见，但在传热设备中运用还没有相关的尝试。我们团队前期的研究中，已对芯片冷却领域中采用双向流换热管进行散热的机理进行可行性研究，并完成了在振动诱发下的锥形管和分叉管内的流动的初步实验、尺度化分析、计算机仿真等相关工作。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于振荡诱发的双向流换热器，延长了渐变锥形管道和分叉管道的双向流传输距离，并在主动或被动方式下进行振荡诱发的传热，从而开发出了一种全新的传热模式；同时在传热介质中引入悬浮的相变材料微胶囊，大大提高了传热能力，尤其是在小温差情况下。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于振荡诱发的双向流换热器，包括至少一个主管道，所述主管道内依次连续的设有多个截面积渐变的内管道，所述内管道的截面积渐变方向一致，且内管道与主管道的壁面形成截面积反向渐变的流体通道，所述主管道的流动通道内填充有传热介质。

作为优选，所述主管道上设有能产生沿主管道径向或轴向振动的振荡发生器。

作为优选，所述内管道置于主管道内，且内管道的两端均与主管道内壁保持间隙，并形成多个分叉流。

作为优选，所述主管道为多个，且为并联或串联形成通道组合。

作为优选，所述主管道的一端还设有传热介质存储器。

作为优选，所述内管道为截头圆锥形或截头棱锥形。

作为优选，所述主管道为四棱柱形管道，所述内管道为截头四棱锥形管道。

作为优选，所述振荡发生器为微泵、沸腾器、冷凝器或压电陶瓷隔膜。

作为优选，所述主管道的高度H小于20mm。

作为优选，主管道和内管道之间的尺寸关系公式(1)：

0＜L＜0.1d²·f·A/v (1)

其中，L为所述相邻两个内管道的间距，d为内管道的管径宽度，v为传热介质的粘度、f为传热介质的振动频率,A为传热介质的振动幅度。

作为优选，所述传热介质为液体流体或气液混合的两相流体。

作为优选，所述传热介质中悬浮有微胶囊，所述微胶囊中填充有相变材料，该相变材料的相变温度为0～60℃。

作为优选，所述微胶囊的直径小于2mm。

作为优选，所述微胶囊的体积之和占流动通道总体积的比例小于40％。

作为优选，所述主管道为并排布置且内管道朝向一致形成换热板，所述换热板一端设置传热介质存储器并被所有主管道共用，所述换热板的另一端设置共用的振荡发生器。

作为优选，所述主管道有多个并通过并联形成换热板，所述换热板的两端分别设置传热介质存储器并被所有主管道共用，所述换热板的中段位置设有共用的振荡发生器。

作为优选，所述传热介质为气液两相混合的流体。

附图说明

图1为本发明所述锥形通道双向流现象的机理示意图；

图2为本发明所示分叉通道双向流现象的机理示意图；

图3为本发明实施例1所述基于振荡诱发的双向流换热器的结构示意图；

图4为本发明实施例1所述基于振荡诱发的双向流换热器的尺寸优化设计示意图；

图5为本发明实施例4所述基于振荡诱发的双向流换热器的结构示意图；

图6为本发明实施例5所述基于振荡诱发的双向流换热器的结构示意图。

其中，主管道1、内管道2、传热介质存储器3、振荡发生器4、微胶囊5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。以下所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

本发明的研究团队经过大量试验测试，主要研究了振荡诱发下微通道/迷你通道中的双向流动，并将其应用在流体传热传质的实际运用中，主要包括：压力驱动下的锥形通道的振动流，分叉管中的振动流，扭曲振动盘驱动的双向流动，圆柱内沿着直径方向振动诱发的双向流动，管内入口区域的双向流动，曲面管内因振荡诱发的双向流动。

通过试验我们发现在很多的几何形状中都可以看到双向流现象：即在振动诱发的双向流中，任何一个点的流入流出流体相同，因此流动速度净值为零。图1和2展示的双向流的两种机理。图1展示的是在锥形管通道中的流动条纹变形界面图，在振动的诱发下，流体在通道中流动中，由于流道扩张(从窄到宽的变化)或收缩(从宽到窄的变化)，使得流体的速度抛物线曲线发生变化。具体地说，当流体通道扩张时，速度变缓，当通道变窄时，速度加快；由于振动源在振动过程中，诱发的两个方向的流动，因为流动是双向流，在一个特定的锥形通道中，两种流动同时发生，即有扩张的流动也有收缩的流动，两种流动在这个锥形管道中进行叠加，其运动曲线图就如图1中所示那样，即贴近壁面和通道中心的地方，流速是往收缩通道方向流动的，在其他地方是往扩张通道方向地方流动，在任何一个截面，其当量流速都为零，也就是产生了两种错流的流动。图2中展示的分叉管道中双向流的中的轴向速度曲线图，当流动从左往右流动时流动进行分叉，由于在主管道中的流体速分布是一种抛物线的形状，当进入分叉管的时候，抛物线最高对点在分叉点处一分为二，因此在分叉管内的速度分布曲线为贴近分叉管上部的速度较高，下部的流速比较慢；相反地，当流动从右向左流动时，在分叉管中的分布也是一种抛物线，速度的最高在管道中心，当两路分叉管汇合时，两条抛物线汇合时，将在主管中形成两条抛物线。在振动源的诱发下，两种流动源源不断地同时发生，正向流和逆向流叠加的作用正是如图2中的取现，和锥形管流动的一样，在任何一个截面，流动的正向流和逆向流之和为零，也就是产生了两种错流的流动。

据我们的研究发现，在锥形通道中和分叉管中的正向流和逆向流的流动很明显，在整个锥形通道中流体的驱动力是均匀分布的，，但由于锥形管受限于主管直径尺寸的限制，一般不会很长，在分叉通道中，驱动流仅仅在分叉口的地方出现，并且仅仅在流动入口处附近才会有这种现象(即由稳定流动中的雷诺数函数决定)。也就是说，锥形管或分叉管中的错流难以维持较长距离。为此本发明通过在主管道中在设置截面积渐变的内管道阵列，形成了连续的锥形渐变管和分叉管，从而使得双向流得以延伸。

实施例1

如图3和4所示，本发明的基于振荡诱发的双向流换热器主要由主管道和内管道组成，内管道为截头棱锥形并依次设在主管道内，且朝向一致，同时主管道的横截面设计成矩形一方面提高接触面积还是的内管道与主管道之间也形成渐变流道，从而产生双重双向流动；然后在主管道内填充传热介质，例如乙二醇溶液等。另外，本设计中同时将锥形通道双向流和分叉管双向流两种机理结合运用；同时在主管道的一端预留传热介质存储器(即储液区)从而提高传热介质容量，进而提升传热效率。

使用时，直接将换热管与发热芯片接触，由于芯片温度较高将热传递到换热管中的传热介质，此时由于换热管远离芯片端温度较低，从而产生温度差形成振荡诱发使得换热管内传热介质发生双向流动(同一截面上的总流量为零)传递热量，从而实现换热效果。

作为改进方案，由于靠热源与环境之间的温差有限产生的振荡诱发强度不够或不能持续稳定发生时，可以在换热管上设置振荡发生器产生流体振动，从而形成主动式振荡诱发换热器，优选采用压电陶瓷隔膜作为振荡发生器。

对换热管的尺寸及结构做优化，大量试验发现，换热管的双向流传热效率主要与通道主管径、流体粘度、振动频率和振幅有较大关联，从中发现换热管各尺寸参数符合下列函数关系时具有较佳的传热效率：

0＜L＜0.1d²·f·A/v (1)

其中，L为所述相邻两个内管道的间距，α为内管道的锥角，v为传热介质的粘度、f为传热介质的振动频率,A为传热介质的振动幅度。

图3中虽然显示振荡发生器处于换热管的一端，图中的换热管形状可以是任意的形状，这里展示的是2维的示意图，整个主通道中，只要任何地点诱发振动，都会有双向流发生，即成为一种散热器，尤其是当这个散热器贴在热源或冷源上面时，任何有热量或冷量发生，都会发生双向流，从而将热量输送的各处，成为散热器。

实施例2

与实施例1相比，本实施例将多个主管道同向并联设置形成整块的散热板，其一端共用一个存储传热介质的传热介质存储器，另一端也共用振荡发生器，优选压电陶瓷隔膜产生沿主管道径向的振动。振荡发生器的位置也可根据热源尺寸，设置其他部位。

实施例3

与实施例1相比，本实施例是进一步在流体管道内的传热介质中加入悬浮的微胶囊，该微胶囊为弹性塑料膜制成，并在微胶囊内填充相变材料，优选的相变材料的相变温度为0～60℃之间，优选12℃～35℃。传热介质的比热容(显热)相对较小携带的热量有限，因此利用相变材料的相变潜热能大幅度提高传热效率，对计算机芯片提供更好的降温效果。

作为优选，控制相变材料占据整个流动通道中流体提及的比例要小于40％，且微胶囊的直径要小于2mm，从而确保传热介质流体和想变材料之间足够的传热面积。

作为优选，传热介质流体采用纯液体单相流体，还可以采用气液混合的两相流体，该两相流体具有更大的振荡诱发强度，选择合适的传热介质使其在工作环境中处于相变临界时，可以确保足够的双向流时获得更大的诱发强度。

实施例4

如图5所示，与实施例1相比，本实施例是将单根换热管进行并联组合形成符合各种应用场合的换热板。但采用并联组合时，在换热板的一端设置共享传热介质存储器，一方面起到缓冲作用，另一方面能迅速起到降温作用。针对大面积发热源，可以采用这种换热板，同时根据发热源的主要发热点(例如CPU、GPU等芯片组位置)设置振荡发生器，从而加强储热-传热-放热的效率。

实施例5

如图6所示，与实施例1相比，本实施例是将单根换热管进行串联组合形成符合各种应用场合的换热延长管，并根据实际情况，在换热管之间间断的设置传热介质存储器，从而降低相邻换热管的双向流传热的抵消影响。同样的，振荡发生器也可以间断的设置多个。

本发明的主要发明点在于：

1、首创地将相变材料集成在微胶囊中，并将微胶囊用于散热器中。尽管错流式流动在生物系统中很常见，但在传热设备中运用这种流式流却是一种创新性的应用。在研究文献中，我们对芯片散热的热管换热器采用流式流这种散热机理进行了可行性研究，前期已经完成了在振动诱发下的锥形管和分叉管内的流动的部分实验、尺度化分析、计算机仿真等相关工作。相变材料也是广泛应用于各种换热的场合。同时，本发明中在传热介质中加入悬浮的相变材料微胶囊大大提高了传热能力，尤其是温差较小的情形下。

2、首创地提出一种设备，可以将相变的微胶囊在较长的距离中进行循环流动。热管或散热器包括一个主管道，主管道中包括很多迷你的锥形通道，这些锥形通道一个接一个地串联成通道，在这种结构设计下主管道的所有空间都能提供错流式流动所需要的持续驱动力，换言之可以认为这个空间内包含了许多小的流式“泵”，包括如图4中所展示的平行布置的锥形泵A和B，还包括分叉泵C和D。锥形管道的意思是横截面变化的通道，不限于锥形，只要是横截面一直是变大或变小的的通道通可以，可以是圆锥体、棱锥体等。

3、两个锥形结构之间的距离是通道主管径、流体粘度，振动频率和振幅的函数，这也一个发明点：0＜L＜0.1d²·f·A/v；

4、主通道的高度H<20mm；

5、锥形迷你通道的角度0°<α<45°；

6、相变材料占据整个流动通道的流体的体积比例小于40％；

7、含相变材料的微胶囊的直径小于2mm；

8、振动流体可以是液体或气液混合的两相流体；

9、主通道内的散热器可以并联布置或串联布置；

10、振动发生器可以是压电陶瓷隔膜，振动也可以是因为加热不稳定产生的，当里面的流体在沸腾或冷凝过程会产生流动的振动。

符号释义：

A：通道中流体振动的振幅(m)；

A_c：通道截面积(m²)；

C：流体和微胶囊相变材料混合流体当量比热容kJ/(kg·℃)]；

u_p：颗粒速度(m/s)；

f：振动频率(Hz)；

H：通道的高度或当量直径(m)；

H_f：相变材料的单位质量融化热(kJ/kg)；

h_d：分叉管或子管的高度或当量直径(m)；

h_m：主管的高度或当量直径(m)；

K：流体的导热系数(W/mK)；

L：主管或分叉子管的长度(m)；

m_p：粒子的质量(kg)；

U_c：流体中心的流动速度(m/s)；

ν：流体的运动粘度(m²/s)；

ρ：流体密度(kg/m³)；

Re：振荡流的雷诺数,2AfH/ν。

Claims (17)

1.一种基于振荡诱发的双向流换热器，其特征在于：包括至少一个主管道，所述主管道内依次连续的设有多个截面积渐变的内管道，所述内管道的截面积渐变方向一致，且内管道与主管道的壁面形成截面积反向渐变的流体通道，所述主管道的流动通道内填充有传热介质。

2.根据权利要求1所述基于振荡诱发的双向流换热器，其特征在于：所述主管道上设有能产生沿主管道径向或轴向振动的振荡发生器。

3.根据权利要求1所述基于振荡诱发的双向流换热器，其特征在于：所述内管道置于主管道内，且内管道的两端均与主管道内壁保持间隙，并形成多个分叉流。

4.根据权利要求1所述基于振荡诱发的双向流换热器，其特征在于：所述主管道为多个，且为并联或串联形成通道组合。

5.根据权利要求1所述基于振荡诱发的双向流换热器，其特征在于：所述主管道的一端还设有传热介质存储器。

6.根据权利要求1所述基于振荡诱发的双向流换热器，其特征在于：所述内管道为截头圆锥形或截头棱锥形。

7.根据权利要求1所述基于振荡诱发的双向流换热器，其特征在于：所述主管道为四棱柱形管道，所述内管道为截头四棱锥形管道。

8.根据权利要求2所述基于振荡诱发的双向流换热器，其特征在于：所述振荡发生器为微泵、沸腾器、冷凝器或压电陶瓷隔膜。

9.根据权利要求7所述基于振荡诱发的双向流换热器，其特征在于：所述主管道的高度H小于20mm。

10.根据权利要求7所述基于振荡诱发的双向流换热器，其特征在于：主管道和内管道之间的尺寸关系公式(1)：

0＜L＜0.1d²·f·A/v (1)

其中，L为所述相邻两个内管道的间距，d为内管道的管径宽度，ν为传热介质的粘度、f为传热介质的振动频率,A为传热介质的振动幅度。

11.根据权利要求1所述基于振荡诱发的双向流换热器，其特征在于：所述传热介质为液体流体或气液混合的两相流体。

12.根据权利要求11所述基于振荡诱发的双向流换热器，其特征在于：所述传热介质中悬浮有微胶囊，所述微胶囊中填充有相变材料，该相变材料的相变温度为0～60℃。

13.根据权利要求12所述基于振荡诱发的双向流换热器，其特征在于：所述微胶囊的直径小于2mm。

14.根据权利要求12所述基于振荡诱发的双向流换热器，其特征在于：所述微胶囊的体积之和占流动通道总体积的比例小于40％。

15.根据权利要求7所述基于振荡诱发的双向流换热器，其特征在于：所述主管道为并排布置且内管道朝向一致形成换热板，所述换热板一端设置传热介质存储器并被所有主管道共用，所述换热板的另一端设置共用的振荡发生器。

16.根据权利要求7所述基于振荡诱发的双向流换热器，其特征在于：所述主管道有多个并通过并联形成换热板，所述换热板的两端分别设置传热介质存储器并被所有主管道共用，所述换热板的中段位置设有共用的振荡发生器。

17.根据权利要求12所述基于振荡诱发的双向流换热器，其特征在于：所述传热介质为气液两相混合的流体。