CN106679471B - 一种压电驱动的自吸液换热器传热系统及其传热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电驱动的自吸液换热器传热系统及其传热方法。该传热系统包括自吸液换热器（1）、交流电源（3）、热源管路（6）、单向阀（7）、冷源管路（13）和散热元件（14）；自吸液换热器（1）包括压电振动隔板（2）、热源换热腔体（8）、强化传热结构（9）、换热隔板（10）和冷源换热腔体（11）。该系统传热方法是压电振动隔板（2）在交流电源（3）的作用下产生周期性振动，改变热源换热腔体（8）和冷源换热腔体（11）的容积，配合单向阀（7）的截止作用，热源管路（6）和冷源管路（13）中工质的定向循环流动和换热。该系统简化传热系统中的液体驱动装置，提高换热效率，满足在空间受限时微小电子元器件的散热要求。

Description

一种压电驱动的自吸液换热器传热系统及其传热方法

技术领域

本发明涉及强化传热领域，尤其涉及一种压电驱动的自吸液换热器传热系统及其传热方法。

背景技术

在传统液体冷却散热系统回路中，换热器不具备液体驱动的作用。热源回路和冷源回路中工质的定向循环流动，主要依靠在管路中串接机械泵来驱动。因为机械泵具有体积较大、工作噪音大等诸多不足，不利于散热系统的微小化，制约了散热系统的集成度。另一方面，随着电子制造技术的微型化、集成化的不断提高，单位容积内发热量急剧增大，以计算机CPU 为例，其运行过程中产生的热流密度已经达到60~100W/cm²，而在半导体激光器中热流密度甚至达到103W/cm² 数量级。且电子器件工作的可靠性对温度十分敏感，器件温度在70~80℃水平上每增加1℃，可靠性就会下降5％，较高的温度水平已日益成为制约电子器件性能的瓶颈。因此散热系统的微小化和高集成度，对电子技术的发展尤为重要，开发集成度高的传热系统和微小化的传热原件具有重要的应用价值。

压电效应是一种电能和机械能相互转换的效应，其原理是，对压电材料施加压力，它便会产生电位差，称之为正压电效应；反之施加电压，则产生机械应力，称为逆压电效应。如果交流电压加在压电陶瓷上时，则会产生周期性机械震动。压电泵是一种利用压电陶瓷的逆压电效应实现流体输送的新型微泵，在微小型流体泵中的应用日趋广泛。在压电陶瓷两端电极加上交流电压，工作时通过压电陶瓷的周期性变形改变泵腔容积，同时结合单向阀的截止性，实现流体的连续定向泵出。由于压电泵在结构上将传统的电机泵的驱动源部分、传动部分及泵体部分三者简化为一个整体，克服了由于传动部件多，而产生的机械能消耗、工作介质的压力损失、部件磨损和疲劳破坏。因此同传统机械泵相比，压电泵具有耗能低、结构简单、易于小型化、重量轻、无电磁干扰、可根据控制器施加的电压或频率控制输出流量等诸多优点。因此，将压电泵的液体驱动原理集成于换热器中，有利于换热系统的小型化，提高集成度，同时压电振动在换热腔体中产生的紊流，能有效提高换热效率。

换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。换热器按传热原理分类有间壁式换热器、蓄热式换热器、流体连接间接式换热器、直接接触式换热器、复式换热器等，本发明属于间壁式换热器的范畴。间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。间壁式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器。间壁式换热器是目前应用最为广泛的换热器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：间壁式换热器传热系统中，由于热源回路和冷源回路中的工质定向循环流动，需要分别串接外置机械泵，而机械泵具有传动部件多、能量损耗大、工作噪音大、体积较大等特点，导致集成度不高、难以小型化；同时，串接外置机械泵实现流体驱动，不利于传热系统提高换热器传热效率。

为解决上述问题，本发明提出一种压电驱动的自吸液换热器传热系统及其传热方法。

一种压电驱动的自吸液换热器传热系统，包括自吸液换热器、交流电源、热源、冷却头、热源管路、单向阀、工质、冷源管路和散热元件；

所述自吸液换热器包括压电振动隔板、热源换热腔体、强化传热结构、换热隔板和冷源换热腔体；所述热源换热腔体和冷源换热腔体由换热隔板和压电振动隔板分隔开，压电振动隔板的边缘区域安装在换热隔板上，换热隔板对压电振动隔板进行支撑固定；所述强化传热结构均匀分布在换热隔板的两面；所述工质填充满热源管路、热源换热腔体、冷源换热腔体和冷源管路；

所述冷却头与热源接触并导热，冷却头的两端通过热源管路分别连通热源换热腔体的进口和出口；所述散热元件的两端通过冷源管路分别连通冷源换热腔体的进口和出口；所述单向阀安装在热源换热腔体和冷源换热腔体的进口和出口，在热源换热腔体的进口安装方向为正向流入，在热源换热腔体的出口安装方向为正向流出，在冷源换热腔体的进口安装方向为正向流入，在冷源换热腔体的出口安装方向为正向流出；

所述压电振动隔板包括弹性密封薄膜、金属薄片和压电陶瓷片；所述压电陶瓷片的两面分别固定有金属薄片，金属薄片的外侧固定有弹性密封薄膜；所述交流电源的正负极通过导线分别与压电陶瓷片两侧的金属薄片连接。

进一步地，所述压电振动隔板的中间区域在接通交流电源后可发生振动，压电振动隔板的中间区域与工质接触。

进一步地，所述压电振动隔板的数量为一个以上，压电振动隔板的数量为两个或两个以上时，均匀并列分布安装在换热隔板上，且各压电振动隔板共用一个交流电源进行连接。

进一步地，所述强化传热结构的结构包括阵列沟槽或阵列立柱。

更进一步地，所述阵列沟槽的截面形状包括三角形、梯形或矩形。

更进一步地，所述阵列立柱截面形状包括圆形、矩形或多边形。

进一步地，所述散热元件为包括翅片或风扇的散热器件。

进一步地，所述工质为导热性能良好的冷却液体，包括甲醇、乙醇、丙酮、制冷剂FC-72、氟利昂或水。

进一步地，所述弹性密封薄膜、金属薄片和压电陶瓷片的形状包括圆形、三角形或矩形。

进一步地，所述金属薄片的面积大于压电陶瓷片的面积，所述弹性密封薄膜的大小和金属薄片的大小一致。

进一步地，所述压电陶瓷片的厚度为0.05-5mm；所述金属薄片的厚度为0.01-1mm；所述弹性密封薄膜的厚度为0.1-2mm。

进一步地，所述弹性密封薄膜的材料为具有弹性形变的材料，包括硅胶或聚二甲基硅氧烷（PDMS）。

一种基于上述任一项所述系统的传热方法，包括如下步骤：

（1）将工质注入并填充满热源管路、热源换热腔体、冷源换热腔体和冷源管路，金属薄片接通交流电源；

（2）压电陶瓷片在交流电压的作用下，带动两侧的金属薄片反复压缩外侧的弹性密封薄膜，使压电振动隔板产生周期性振动，改变热源换热腔体和冷源换热腔体的容积；

（3）工质在压电振动隔板的周期性振动和单向阀的作用下，在热源换热腔体和冷源换热腔体内定向流动，并通过热源管路和冷源管路，形成定向循环流动；热量从热源传递至冷却头，再通过工质在热源管路的定向循环流动传递到自吸液换热器中，经换热隔板发生热交换，传递到冷源管路的工质中，通过工质在冷源管路的定向循环流动，热量传递至散热元件，完成散热。

进一步地，步骤（1）中，所述交流电源的波形为正负极呈周期性变化的波形，包括正弦函数、三角波或矩形波。

进一步地，步骤（1）中，所述交流电源的频率为10-10000Hz，电压为10-300V。

进一步地，步骤（3）中，热源换热腔体中的工质的流动方向与冷源换热腔体中的工质的流动方向相反。

进一步地，步骤（3）中，工质在热源换热腔体和冷源换热腔体的定向流动中，产生有利于换热的局部紊流。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明通过换热器中压电振动隔板的在交流电压的作用下周期性振动，同时改变热源换热腔体和冷源换热腔体的体积，结合进出口的单向阀，实现热源回路和冷源回路中工质液体的定向循环流动，代替热源回路和冷源回路中液体驱动机械泵，减少传热系统的安装空间，提高能源利用率，减小工作噪声，极大提高换热器传热系统的集成度，实现小型化。

（2）本发明自吸液换热器中压电振动隔板在交流电压的作用下周期性振动，可在换热腔体中形成局部紊流，大大提高换热腔体中换热隔板的换热效率，在小型化的同时实现高效率的换热，提高换热器换热性能。

附图说明

图1为本发明一种压电驱动的自吸液换热器传热系统的示意图；

图2为本发明传热系统中压电振动隔板的结构及安装示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明的具体实施方法作进一步的说明，但本发明的实施方法不限于此。

图1所示，为本发明一种压电驱动的自吸液换热器传热系统，包括自吸液换热器1、交流电源3、热源4、冷却头5、热源管路6、单向阀7、工质12、冷源管路13和散热元件14；图中，箭头代表工质12的运动方向；工质12为导热性能良好的冷却液体，包括甲醇、乙醇、丙酮、制冷剂FC-72、氟利昂或水；

自吸液换热器1包括压电振动隔板2、热源换热腔体8、强化传热结构9、换热隔板10和冷源换热腔体11；热源换热腔体8和冷源换热腔体11由换热隔板10和压电振动隔板2分隔开，压电振动隔板2的边缘区域安装在换热隔板10上，换热隔板10对压电振动隔板2进行支撑固定；压电振动隔板2的数量为一个以上，压电振动隔板2的数量为两个或两个以上时，均匀并列分布安装在换热隔板上，且各压电振动隔板共用一个交流电源进行连接；强化传热结构9均匀分布在换热隔板10的两面；工质12填充满热源管路6、热源换热腔体8、冷源换热腔体11和冷源管路13；强化传热结构9的结构包括阵列沟槽或阵列立柱；阵列沟槽的截面形状包括三角形、梯形或矩形；阵列立柱截面形状包括圆形、矩形或多边形；散热元件14为包括翅片或风扇的散热器件；

冷却头5与热源4接触并导热，冷却头5的两端通过热源管路6分别连通热源换热腔体8的进口和出口；散热元件14的两端通过冷源管路13分别连通冷源换热腔体11的进口和出口；单向阀7安装在热源换热腔体8和冷源换热腔体11的进口和出口，在热源换热腔体8的进口安装方向为正向流入，在热源换热腔体8的出口安装方向为正向流出，在冷源换热腔体11的进口安装方向为正向流入，在冷源换热腔体11的出口安装方向为正向流出；

如图2所示，为本发明传热系统中压电振动隔板2的结构及安装示意图，压电振动隔板2包括弹性密封薄膜15、金属薄片16和压电陶瓷片17；压电陶瓷片17的两面分别固定有金属薄片16，金属薄片16的外侧固定有弹性密封薄膜15；交流电源3的正负极通过导线分别与压电陶瓷片17两侧的金属薄片16连接；

弹性密封薄膜15、金属薄片16和压电陶瓷片17的形状包括圆形、三角形或矩形；金属薄片16的面积大于压电陶瓷片17的面积，弹性密封薄膜15的大小和金属薄片16的大小一致；压电陶瓷片17的厚度为0.05-5mm；金属薄片16的厚度为0.01-1mm；弹性密封薄膜15的厚度为0.1-2mm；弹性密封薄膜15的材料为具有弹性形变的材料，包括硅胶或聚二甲基硅氧烷；

压电振动隔板2的中间区域在接通交流电源3后可发生振动，压电振动隔板2的中间区域与工质12接触；图中，箭头代表工质12的运动方向。

实施例1

采用的传热系统中，压电陶瓷片的厚度为0.05mm；金属薄片的厚度为0.1mm；弹性密封薄膜的材料为硅胶，厚度为0.5mm；强化传热结构为阵列沟槽，沟槽截面为三角形，截面尺寸为0.2mm，槽深为0.2mm；散热元件为翅片和风扇的组合；采用上述一种压电驱动的自吸液换热器传热系统进行传热方法。

（1）将工质12注入并充满自吸液换热器1、热源管路6、冷源管路13，所述工质为制冷剂FC-72；

（2）将自吸液换热器1中的压电陶瓷片17接上交流电源3，交流电源3的波形为正弦函数，交流电源3的频率为1000 Hz，交流电,3的电压为220V；

（3）压电陶瓷片17在交流电源3的作用下，带动两面的金属薄片16反复压缩两面的弹性密封薄膜15，压电振动隔板2产生周期性振动，压电振动隔板2的周期性振动改变热源换热腔体8和冷源换热腔体11的容积；

（4）工质12在压电振动隔板2的周期性振动和单向阀7的作用下，在热源换热腔体8和冷源换热腔体11中定向流动，工质12在热源管路6和冷源管路13中定向循环流动，热源换热腔体8中工质的流动方向与冷源换热腔体11中工质的流动方向相反；

（5）同时，压电振动隔板2的周期性振动使得工质12在热源换热腔体8和冷源换热腔体11中产生有利于换热的局部紊流，提高换热效率；

（6）热量从热源4通过工质12在热源管路6中传递到自吸液换热器1，热量通过自吸液换热器1的换热隔板10传递到冷源管路13中的工质，热量再从冷源管路13中的工质传递到散热元件14，完成换热。

本实施例在热源大热流密度下，实现热源热量稳定的传送到散热器件上；由于压电振动隔板的振动，在腔体种造成扰流，该传热系统的传热效率大大高于同流量下其他流量泵驱动换热器。

实施例2

采用的传热系统中，压电陶瓷片的厚度为1mm；金属薄片的厚度为0.5mm；弹性密封薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS），厚度为2 mm；强化传热结构为阵列立柱，立柱截面为圆形，直径为0.5mm，高度为2mm；散热元件为翅片和风扇的组合；采用上述一种压电驱动的自吸液换热器传热系统进行传热方法，

（1）将工质12注入并充满自吸液换热器1、热源管路6、冷源管路13，所述工质为乙醇；

（2）将自吸液换热器1中的压电陶瓷片17接上交流电源3，交流电源3的波形为矩形波，交流电源3的频率为500 Hz，交流电,3的电压为300V；

（3）压电陶瓷片17在交流电源3的作用下，带动两面的金属薄片16反复压缩两面的弹性密封薄膜15，压电振动隔板2产生周期性振动，压电振动隔板2的周期性振动改变热源换热腔体8和冷源换热腔体11的容积；

（4）工质12在压电振动隔板2的周期性振动和单向阀7的作用下在热源换热腔体8和冷源换热腔体11中定向流动，工质12在热源管路6和冷源管路13中定向循环流动，热源换热腔体8中工质的流动方向与冷源换热腔体11中工质的流动方向相反；

（5）同时，压电振动隔板2的周期性振动使得工质12在热源换热腔体8和冷源换热腔体11中产生有利于换热的局部紊流，提高换热效率；

（6）热量从热源4通过工质12在热源管路6中传递到自吸液换热器1，热量通过自吸液换热器1的换热隔板10传递到冷源管路13中的工质，热量再从冷源管路13中的工质传递到散热元件14，完成换热。

本实施例在热源大热流密度下，实现热源热量稳定的传送到散热器件上；由于压电振动隔板的振动，在腔体种造成扰流，该传热系统的传热效率大大高于同流量下其他流量泵驱动换热器。

如上所述便可较好的实现本发明。

Claims (10)

1.一种压电驱动的自吸液换热器传热系统，其特征在于，包括自吸液换热器（1）、交流电源（3）、热源（4）、冷却头（5）、热源管路（6）、单向阀（7）、工质（12）、冷源管路（13）和散热元件（14）；

所述自吸液换热器（1）包括压电振动隔板（2）、热源换热腔体（8）、强化传热结构（9）、换热隔板（10）和冷源换热腔体（11）；所述热源换热腔体（8）和冷源换热腔体（11）由换热隔板（10）和压电振动隔板（2）分隔开，压电振动隔板（2）的边缘区域安装在换热隔板（10）上，换热隔板（10）对压电振动隔板（2）进行支撑固定；所述强化传热结构（9）均匀分布在换热隔板（10）的两面；所述工质（12）填充满热源管路（6）、热源换热腔体（8）、冷源换热腔体（11）和冷源管路（13）；

所述冷却头（5）与热源（4）接触并导热，冷却头（5）的两端通过热源管路（6）分别连通热源换热腔体（8）的进口和出口；所述散热元件（14）的两端通过冷源管路（13）分别连通冷源换热腔体（11）的进口和出口；所述单向阀（7）安装在热源换热腔体（8）和冷源换热腔体（11）的进口和出口，在热源换热腔体（8）的进口安装方向为正向流入，在热源换热腔体（8）的出口安装方向为正向流出，在冷源换热腔体（11）的进口安装方向为正向流入，在冷源换热腔体（11）的出口安装方向为正向流出；

所述压电振动隔板（2）包括弹性密封薄膜（15）、金属薄片（16）和压电陶瓷片（17）；所述压电陶瓷片（17）的两面分别固定有金属薄片（16），金属薄片（16）的外侧固定有弹性密封薄膜（15）；所述交流电源（3）的正负极通过导线分别与压电陶瓷片（17）两侧的金属薄片（16）连接。

2.根据权利要求1所述的一种压电驱动的自吸液换热器传热系统，其特征在于，所述压电振动隔板（2）的中间区域在接通交流电源（3）后可发生振动，压电振动隔板（2）的中间区域与工质（12）接触。

3.根据权利要求1所述的一种压电驱动的自吸液换热器传热系统，其特征在于，所述压电振动隔板（2）的数量为一个以上，压电振动隔板（2）的数量为两个或两个以上时，均匀并列分布安装在换热隔板（10）上，且各压电振动隔板共用一个交流电源进行连接。

4.根据权利要求1所述的一种压电驱动的自吸液换热器传热系统，其特征在于，所述强化传热结构（9）的结构包括阵列沟槽或阵列立柱；所述阵列沟槽的截面形状包括三角形、梯形或矩形；所述阵列立柱截面形状包括圆形、矩形或多边形。

5.根据权利要求1所述的一种压电驱动的自吸液换热器传热系统，其特征在于，所述工质（12）为导热性能良好的冷却液体，包括甲醇、乙醇、丙酮、制冷剂FC-72、氟利昂或水；所述散热元件（14）为包括翅片或风扇的散热器件。

6.根据权利要求1所述的一种压电驱动的自吸液换热器传热系统，其特征在于，所述弹性密封薄膜（15）、金属薄片（16）和压电陶瓷片（17）的形状包括圆形、三角形或矩形；所述金属薄片（16）的面积大于压电陶瓷片（17）的面积，所述弹性密封薄膜（15）的大小和金属薄片（16）的大小一致。

7.根据权利要求1所述的一种压电驱动的自吸液换热器传热系统，其特征在于，所述压电陶瓷片（17）的厚度为0.05-5mm；所述金属薄片（16）的厚度为0.01-1mm；所述弹性密封薄膜（15）的厚度为0.1-2mm；所述弹性密封薄膜（15）的材料为具有弹性形变的材料，包括硅胶或聚二甲基硅氧烷。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述系统的传热方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将工质（12）注入并填充满热源管路（6）、热源换热腔体（8）、冷源换热腔体（11）和冷源管路（13），金属薄片（16）接通交流电源（3）；

（2）压电陶瓷片（17）在交流电压的作用下，带动两侧的金属薄片（16）反复压缩外侧的弹性密封薄膜（15），使压电振动隔板（2）产生周期性振动，改变热源换热腔体（8）和冷源换热腔体（11）的容积；

（3）工质（12）在压电振动隔板（2）的周期性振动和单向阀（7）的作用下，在热源换热腔体（8）和冷源换热腔体（11）内定向流动，并通过热源管路（6）和冷源管路（13），形成定向循环流动；热量从热源（4）传递至冷却头（5），再通过工质（12）在热源管路（6）的定向循环流动传递到自吸液换热器（1）中，经换热隔板（10）发生热交换，传递到冷源管路（13）的工质（12）中，通过工质（12）在冷源管路（13）的定向循环流动，热量传递至散热元件（14），完成散热。

9.根据权利要求8所述的一种压电驱动的自吸液换热器传热系统的传热方法，其特征在于，步骤（1）中，所述交流电源（3）的波形为正负极呈周期性变化的波形，包括正弦函数、三角波或矩形波；所述交流电源（13）的频率为10-10000Hz，电压为10-300V。

10.根据权利要求8所述的一种压电驱动的自吸液换热器传热系统的传热方法，其特征在于，步骤（3）中，热源换热腔体（8）中的工质的流动方向与冷源换热腔体中的工质的流动方向相反；工质（12）在热源换热腔体（8）和冷源换热腔体（11）的定向流动中，产生有利于换热的局部紊流。