CN110557934B - 一种声场强化纳米流体相变传热微通道换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声场强化纳米流体相变传热微通道换热器，包括内设矩形槽的换热器基底、设置在所述换热器基底的矩形槽内的微通道基板、通过若干螺栓密封覆盖在所述换热器基底的矩形槽开口处的盖板，所述换热器基底的两端分别设置有流入和流出纳米流体的进口接头和出口接头，还包括：至少一超声波换能器组件，仰俯角可调地固定设置在所述换热器基底的矩形槽内。本发明实现了超声波强化传热技术在微通道换热器上的应用，使超声波换能器内置于换热器中，可直接作用于换热工质，促进沸腾汽泡的生长与脱离，结合纳米流体强化传热技术，本发明的传热性能比普通微细通道换热器提高20%以上。
Description
技术领域
本发明涉及换热器领域，具体涉及一种可内置超声波换能器的声场强化纳米流体相变传热微通道换热器。
技术背景
随着电子计算机容量和速度的快速发展以及导弹、卫星和军用雷达对高性能模块和高可靠大功率器件的要求，电子器件的热流密度急剧增加。同时，微/纳米技术的高速发展也使得各电子器件的构件尺寸不断减小，这导致其冷却装置也不断向细微化发展，以保障微电子器件正常运行。微尺度器件及其冷却装置的兴起与发展，对在微小空间内强化传热技术提出了更高的需求。
针对高热流密度与微尺度传热问题，科研工作者提出了微通道换热器，该换热器不但具备高效的散热冷却能力，还有结构紧凑、换热比表面积大、在较小的质量流量下保证较大的流速等特点。为了进一步提高微通道散热效率，科研工作者对微通道强化传热技术进行了大量研究，发现了一系列的强化传热技术。其中，超声波强化传热技术与纳米流体强化传热技术均对微尺度传热具有积极影响。但是，目前尚未有同时采用纳米流体与超声场复合强化传热的微通道散热器。因此，有必要提出一种可内置超声波换能器进行声场强化纳米流体相变传热的微通道换热器。
发明内容
针对上述技术问题，本发明旨在提出一种声场强化纳米流体相变传热微通道换热器，可通过超声波强化传热技术与纳米流体强化传热技术对微尺度传热进行复合强化，以实现更高效的传热效果。
本发明通过以下技术方案实现：
一种声场强化纳米流体相变传热微通道换热器，包括内设矩形槽的换热器基底、设置在所述换热器基底的矩形槽内的微通道基板、通过若干螺栓密封覆盖在所述换热器基底的矩形槽开口处的盖板，所述换热器基底的两端分别设置有流入和流出纳米流体的进口接头和出口接头，还包括：至少一超声波换能器组件，仰俯角可调地固定设置在所述换热器基底的矩形槽内。本方案通过超声波强化沸腾传热，提高换热效率，同时，通过调节超声波换能器组件仰俯角还能够扩大本发明适用范围，可根据不同工况调节超声波换能器与换热通道角度，使得作用于换热工质的超声压力幅值最大，从而强化传热效果。
进一步地，所述超声波换能器组件固定设置在所述换热器基底的矩形槽内靠近所述进口接头的一端和/或所述出口接头的一端。本方案的所述超声波换能器组件位于所述换热器基底的矩形槽内靠近所述进口接头的一端和/或所述出口接头的一端，其目的一是将换能器内置于换热工质中，使得超声场可直接作用于换热工质，从而强化传热；二是使得超声波可沿程作用于微通道，扩大超声波作用范围，促使沿程壁面上汽泡脱离和通道中汽泡剧烈运动，从而进一步强化传热效果。
进一步地，所述的超声波换能器组件包括：
超声波换能器安装件，固定设置在所述换热器基底的矩形槽的内壁上；
超声波换能器，固定设置在所述超声波换能器安装件上。
进一步地，所述的超声波换能器安装件包括：
一端面板，与换能器轴线垂直且居中设置有用于安装超声波换能器的圆孔；
两翼面板，对称地设置在所述端面板上且与所述超声波换能器的轴线平行，所述两翼面板上均设置有通过螺钉连接所述换热器基底的矩形槽内壁的通孔。
进一步地，所述两翼面板上分别设置有通过螺钉连接所述换热器基底的矩形槽内壁的圆形孔和弧形长圆孔，所述圆形孔的圆心和所述弧形长圆孔的弧心重合。
进一步地，所述弧形长圆孔的圆心角使得所述超声波换能器轴线与所述盖板所在平面的夹角调整范围为0°~45°，角度的可调范围取决于微通道换热器结构，本发明中的角度调节范围可在现有工况下使超声场以最大超声用力幅值作用于换热工质，从而强化传热。
进一步地，所述两翼面板上均设置有通过螺栓连接所述端面板的长槽。
进一步地，所述微通道基板上平行设置有与流体流动方向一致的若干微细通道，所述微细通道截面呈矩形，宽为0.5mm~3mm，高为0.5mm~3mm，长为10mm~300mm。
进一步地，所述超声波换能器的功率调节范围为0~50W，频率调节范围为20kHz~40kHz。
进一步地，所述的盖板上设置有透明性视窗结构，所述换热器基底和微通道基板两侧分别设有温度传感器安装孔和压力传感器安装孔。
本发明的主要工作原理：
纳米流体在微通道上进行流动相变传热过程中，一方面纳米颗粒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加强，强化了纳米流体内部的能量传递过程。加入超声场后，超声波在换热工质传播过程中会使得液体分子产生振动，同时，汽泡在超声作用下破裂会产生微射流，使得工质流动过程中产生剧烈扰动，破坏传热边界层，从而强化传热；而在沸腾传热阶段，这种正负压交替所产生的声流效应可促进汽泡的生长和脱离，从而强化沸腾传热。
相比现有技术，本发明主要优点包括：
本发明的声场强化纳米流体相变传热微通道换热器可实现超声场强化传热技术在微通道换热器领域的应用；同时，相比现有技术，本发明可使超声场直接作用于换热工质，工质流动过程中，促进气泡数增加，使得气泡运动速度增加，并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，同时，由于所述超声波换能器轴线与所述盖板所在平面的夹角可调，使得超声波可充分作用于换热工质，促使沿程壁面汽泡脱离和通道中汽泡剧烈运动，从而进一步强化传热效果。
附图说明
图1为本发明实施例的可内置超声波换能器的声场强化纳米流体相变传热微通道换热器的爆炸结构示意图。
图2为本发明实施例的可内置超声波换能器的声场强化纳米流体相变传热微通道换热器的装配立体示意图。
图3为本发明实施例的可内置超声波换能器的声场强化纳米流体相变传热微通道换热器另一视角的装配立体示意图。
图4为本发明实施例的超声波换能器安装件组件的装配示意图。
图5为本发明实施例的超声波换能器安装件组件安装至换热器基底后的装配示意图。
图6为本发明实施例的微通道立体示意图。
图7为本发明实施例的微通道侧视图。
图8为本发明实施例的微通道另一视角的立体示意图。
图中：1-螺栓；2-盖板；21-盖板固定螺栓孔；3-视窗密封圈；4-视窗玻璃；5进口超声波换能器组件；51-进口超声波换能器固定螺栓；52-进口超声波换能器；53-进口超声波换能器电源线接触点；54-第一长圆孔；55-第一圆孔；56-第二圆孔；57-进口超声波换能器安装件固定螺栓；58-进口超声波换能器安装件；6-换热器基底密封圈；7-换热器基底；71-第一螺纹孔；72-第二螺纹孔；73-盖板固定螺纹孔；74-换能器接线孔；75-温度传感器安装孔；76-压力传感器安装孔；77-第三螺纹孔；78-第四螺纹孔；79-第五螺纹孔；8-进口接头；81-出口接头；9-出口超声波换能器组件；91-出口超声波换能器固定螺栓；92-出口超声波换能器；93-出口超声波换能器电源线接触点；94-第二长圆孔；95-第三圆孔；96-第四圆孔；97-出口超声波换能器安装件固定螺栓；98-出口超声波换能器安装件；10-微通道基板；11-微通道；12-微通道上温度传感器安装孔；13-微通道上压力传感器安装孔。
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3所示，一种声场强化纳米流体相变传热微通道换热器，包括内设矩形槽的换热器基底7、设置在所述换热器基底7的矩形槽内的微通道基板10、设置有盖板固定螺栓孔21的盖板2，所述换热器基底7的顶面设置有若干盖板固定螺纹孔73，所述盖板2通过若干螺栓1密封覆盖在所述换热器基底7的矩形槽开口处，所述换热器基底7的两端通过第五螺纹孔79分别设置有流入和流出纳米流体的进口接头8和出口接头81，顶面则设置有若干盖板固定螺纹孔73，还包括：进口超声波换能器组件5和出口超声波换能器组件9，仰俯角可调地固定设置在所述换热器基底7的矩形槽内，所述进口超声波换能器组件5和出口超声波换能器组件9分别固定设置在所述换热器基底7的矩形槽内靠近所述进口接头8的一端和所述出口接头81的一端。如图5所示，本实施例的两个所述超声波换能器组件对称地位于所述换热器基底7的矩形槽内靠近所述进口接头8的一端和所述出口接头81的一端，通过超声波强化沸腾传热，提高换热效率，同时，通过调节超声波换能器组件仰俯角还能够根据不同工况调节超声波换能器与换热通道角度，使得作用于换热工质的超声压力幅值最大，从而进一步强化传热效果。
如图1和图4所示，所述的进口超声波换能器组件5包括：
进口超声波换能器安装件58，固定设置在所述换热器基底7的矩形槽的内壁上；
进口超声波换能器52，通过进口超声波换能器固定螺栓51固定设置在所述进口超声波换能器安装件58上。
其中，所述的进口超声波换能器安装件58包括：
一端面板，与进口超声波换能器52轴线垂直且居中设置有用于安装所述进口超声波换能器52的第一圆孔55；
两翼面板，对称地设置在所述端面板上且与所述进口超声波换能器52的轴线平行，所述两翼面板上均设置有通过进口超声波换能器安装件固定螺栓57连接所述换热器基底7的矩形槽内壁的通孔，包括有第二圆孔56和弧形的第一长圆孔54，所述第二圆孔56的圆心和所述第一长圆孔54的弧心重合。所述换热器基底7的矩形槽内壁则对应的设置有与所述进口超声波换能器安装件固定螺栓57相配合的第一螺纹孔71和第二螺纹孔72。
具体地，所述第一长圆孔54的圆心角使得所述进口超声波换能器52轴线与所述盖板所在平面的夹角调整为45°，使得入口处换能器作用于换热工质的超声压力幅值最大，强化传热效果。
另外，所述两翼面板上均设置有通过螺栓连接所述端面板的长槽，从而使所述进口超声波换能器安装件58能够安装在不同槽宽的换热器基底7的矩形槽的内壁上。
类似地，如图1和图4所示，所述的出口超声波换能器组件9包括：
出口超声波换能器安装件98，固定设置在所述换热器基底7的矩形槽的内壁上；
出口超声波换能器92，通过出口超声波换能器固定螺栓91固定设置在所述出口超声波换能器安装件98上。
其中，所述的出口超声波换能器安装件98包括：
一端面板，与出口超声波换能器92轴线垂直且居中设置有用于安装所述出口超声波换能器92的第三圆孔95；
两翼面板，对称地设置在所述端面板上且与所述出口超声波换能器92的轴线平行，所述两翼面板上均设置有通过出口超声波换能器安装件固定螺栓97连接所述换热器基底7的矩形槽内壁的通孔，具体包括有第四圆孔96和弧形的第二长圆孔94，所述第四圆孔96的圆心和所述第二长圆孔94的弧心重合。所述换热器基底7的矩形槽内壁则对应的设置有与所述出口超声波换能器安装件固定螺栓97相配合的第三螺纹孔77和第四螺纹孔78。
具体地，所述第二长圆孔94的圆心角使得所述出口超声波换能器92轴线与所述盖板2所在平面的夹角调整范围为45°，使得出口处换能器作用于换热工质的超声压力幅值最大，强化传热效果。
另外，所述两翼面板上均设置有通过螺栓连接所述端面板的长槽，从而使所述出口超声波换能器安装件98能够安装在不同槽宽的换热器基底7的矩形槽的内壁上。
所述换热器基底7的两端分别设置有换能器接线孔74，连接接超声波发生器的导线分别穿过所述换热器基底7的两端的换能器接线孔74与所述进口超声波换能器电源线接触点53和出口超声波换能器电源线接触点93电路连接。所述超声波换能器的功率调节范围为0~50W，频率调节范围为20kHz~40kHz。
如图6-8所示，所述微通道基板10上平行设置有与流体流动方向一致的14条微细通道11，所述微细通道(11)截面呈方形，所述微通道基板10的总长度为220mm，总宽度为160mm，每条微细通道11的尺寸为2mm×2mm。
为了能够方便观察所述换热器基底7内的换热情况，所述的盖板2上设置有透明性视窗结构，所述的透明性视窗结构包括视窗密封圈3、视窗玻璃4，依次叠加的密封设置在所述的盖板2上开设的观察孔处。
为了检测换热过程中所述换热器基底7内换热工质的温度和压力，所述换热器基底7的两侧分别设置有温度传感器安装孔75和压力传感器安装孔76，所述微通道基板10两侧对应地设置有微通道上温度传感器安装孔12；微通道上压力传感器安装孔13，可放地安装压力传感器和温度传感器，实时监测所述换热器基底7的矩形槽内、以及所述微通道基板10的微通道内的压力和温度。
上述实施例中，所述盖板2、微通道基板10、换热器基底7均采用铝金属材料，所述视窗玻璃4为高硼硅材料，纳米流体采用的是TiO2纳米流体作为换热工质。
本发明可内置超声波换能器的声场强化纳米流体相变传热微通道换热器的传热性能比普通微细通道换热器提高20%以上。
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所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种声场强化纳米流体相变传热微通道换热器，包括内设矩形槽的换热器基底(7)、设置在所述换热器基底(7)矩形槽内的微通道基板(10)、通过若干螺栓(1)密封覆盖在所述换热器基底(7)矩形槽开口处的盖板(2)，所述换热器基底(7)的两端分别设置有流入和流出纳米流体的进口接头(8)和出口接头(81)，其特征在于，还包括：
至少一超声波换能器组件，仰俯角可调地固定设置在所述换热器基底(7)的矩形槽内；所述超声波换能器组件固定设置在所述换热器基底(7)的矩形槽内靠近所述进口接头(8)的一端和/或所述出口接头(81)的一端；所述的超声波换能器组件包括：
超声波换能器安装件，固定设置在所述换热器基底(7)的矩形槽的内壁上；
超声波换能器，固定设置在所述超声波换能器安装件上。
2.根据权利要求1所述的声场强化纳米流体相变传热微通道换热器，其特征在于，所述的超声波换能器安装件包括：
一端面板，与换能器轴线垂直且居中设置有用于安装超声波换能器的圆孔；
两翼面板，对称地设置在所述端面板上且与所述超声波换能器的轴线平行，所述两翼面板上均设置有通过螺钉连接所述换热器基底(7)的矩形槽内壁的通孔。
3.根据权利要求2所述的声场强化纳米流体相变传热微通道换热器，其特征在于，所述两翼面板上分别设置有通过螺钉连接所述换热器基底(7)的矩形槽内壁的圆形孔和弧形长圆孔，所述圆形孔的圆心和所述弧形长圆孔的弧心重合。
4.根据权利要求3所述的声场强化纳米流体相变传热微通道换热器，其特征在于，所述弧形长圆孔的圆心角使得所述超声波换能器轴线与所述盖板所在平面的夹角调整范围为0°~45°。
5.根据权利要求2所述的声场强化纳米流体相变传热微通道换热器，其特征在于，所述两翼面板上均设置有通过螺栓连接所述端面板的长槽。
6.根据权利要求1所述的声场强化纳米流体相变传热微通道换热器，其特征在于，所述微通道基板(10)上平行设置有与流体流动方向一致的若干微细通道(11)，所述微细通道(11)截面呈矩形，每条微细通道的宽为0.5mm~3mm，高为0.5mm~3mm，长为10mm~300mm。
7.根据权利要求1所述的声场强化纳米流体相变传热微通道换热器，其特征在于，所述超声波换能器的功率调节范围为0~50W，频率调节范围为20kHz~40kHz。
8.根据权利要求1所述的声场强化纳米流体相变传热微通道换热器，其特征在于，所述的盖板(2)上设置有透明性视窗结构，所述换热器基底(7)和微通道基板(10)两侧分别设有温度传感器安装孔和压力传感器安装孔。
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2019
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|---|
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