一种电场强化表面锥形孔穴微细通道沸腾传热装置

摘要

本发明公开一种电场强化表面锥形孔穴微细通道沸腾传热装置，盖板盖合设置在基座上；基座内部设置有微细通道板安装位，在基座内且位于微细通道板安装位的两侧均开设有稳流腔；微细通道板设置在微细通道板安装位上，且微细通道板上开设有多个微细通道，且微细通道内下凹开设有表面锥形孔穴；两电极丝固定块分别固定在两稳流腔内；每根电极丝可与正极连接，每根电极丝的两端均分别固定在两电极丝固定块上，且每根电极丝相应设置在一微细通道内。本发明通过在传热装置表面设置表面锥形孔穴，增加换热表面的活化核心数量，加速汽泡生成，同时施加电场影响汽泡脱离，使汽泡剧烈震荡，加快汽泡生长，从而达到强化传热的目的。

说明书

技术领域

本发明属于传热领域，具体涉及一种电场强化表面锥形孔穴锥微细通道沸腾传热装置。

背景技术

随着航空航天、核能、微电子等先进领域工程设备的集成化，单位面积产生的热量越来越高，为确保各集成器件工作状态下的可靠性与安全性，必须及时去除高热量，所以高效率的微尺度传热装置兴起，对微尺度换热技术的研究提出了更多的要求。

通过对微尺度下高热流密度流体的实验和理论研究，研究人员提出了微细通道传热装置，微细通道传热装置不但体积小巧，且其传热效率相比传统传热装置提高2到3个数量级，但随着微电子器件的技术进步，单位面积的发热量迅速攀升，传统的微细通道传热装置显得有些力不从心。为了保证设备的正常运行，实现更高效的能量利用和和管理，对微细通道传热装置进行强化成为近年来研究的重点。目前的研究发现电场强化可以使汽泡脱离直径变小，加快汽泡脱离，当前有使用针状电极达成非均匀电场的方法，如中国实用新型专利“基于针状电极的电场强化制冷剂沸腾传热微通道换热器(CN208296375U)”，采用针状电极的电场布置方式，但这种装置在达成非均匀电场的情况下又需在盖板上大量开孔，造成强腐蚀制冷剂泄露，而且针状电极的布置还会造成电场强化盲区，而且只使用单一强化传热方法，强化效果不明显。针对这种情况，需要提出一种既能防止泄露，又能达到非均匀高压电场还要结合其他传热方式的装置。本发明提出的线状电极强化装置有效减少装置开孔，通过表面加工人工锥形孔穴，一方面打破了规则的矩形微通道形状，使其内部产生非均匀高压电场，另一方面增加了活化核心数量。

发明内容

针对上述技术问题，本发明旨在提出一种电场强化表面锥形孔穴微细通道沸腾传热装置，可以通过合理的结构分布，使电场有源强化传热技术和表面锥形孔穴无源强化技术实现复合强化，以实现更好的强化传热效果。

为了实现本发明目目的，本发明提供的一种电场强化表面锥形孔穴微细通道沸腾传热装置，包括基座、盖板、微细通道板、两电极丝固定块和多根电极丝，

盖板盖合设置在基座上以封闭基座；

基座的两侧分别开设有让工作介质进出的进口和出口，基座内部设置有微细通道板安装位，在基座内且位于微细通道板安装位的两侧均开设有稳流腔；

微细通道板微细通道板可与负极相连并接地，微细通道板设置在微细通道板安装位上，且微细通道板上开设有多个微细通道，微细通道的长度方向与微细通道板的长度方向平行，且微细通道内下凹开设有表面锥形孔穴；

两电极丝固定块分别固定在两稳流腔内；

每根电极丝可与正极连接，每根电极丝的两端均分别固定在两电极丝固定块上，且每根电极丝相应设置在一所述微细通道内。

本方案通过线状电极施加电场强化沸腾传热，通过控制施加的不同电压从而控制不同工况下适合的电场强度；微细通道表面经过激光打孔形成的锥形孔穴，增加通道内有效的活化核心，从而强化传热效果。

进一步地，所述工作介质为水、乙醇或制冷剂。优选的，所述传热装置内工作介质为R141b制冷剂。

进一步地，所述电极丝通过电极丝固定块加以固定，每根电极丝从从对应微细通道的几何轴心穿过。几何轴心位置处产生的电场更均匀，对气泡的作用力均衡。

进一步地，所述电极丝固定块，其上表面布有与每个微细通道一一对应的安装孔，配合的不锈钢螺丝，可以将每根电极丝固定于对应通道中心线的位置，且螺丝的预紧力使得电极丝始终处于紧绷状态。

进一步地，所述电极丝固定块分别固定在试验段两端的稳流腔内，电极丝固定块中部设有半径为15mm-20mm的圆形通孔，以减少其对流体阻力的影响，15mm-20mm的尺寸可以确保流稳定流过又足以保证此结构件的稳定。

进一步地，所述单根电极丝长度长于微细通道的长度，为420mm，电极丝直径小于0.2mm，小于通道尺寸的十分之一，电极丝位于通道几何中轴线位置，将电极丝作为正极，微细通道底部作为负极并接地。电极丝直径小于0.2mm，可以防止对工质流动产生干扰。

进一步地，每个微细通道内设置有多个所述表面锥形孔穴，多个所述表面锥形孔穴呈阵列排布。设置的表面锥形孔穴可以增强活化核心，阵列的排布方式使得加工更加方便。

进一步地，所述微细通道板长为220mm，宽为100mm，高为15mm，由11个微细通道构成微细通道群，所述微细通道长为2mm，宽为2mm。通道间隔为2mm。

进一步地，所述微细通道表面均匀分布由激光打孔形成的锥形孔穴，每个横截面上排布有若干个表面锥形孔穴，表面锥形孔穴底部直径为0.3-0.5mm、高为0.5mm，此尺寸的表面锥形孔穴可以很好地满足发泡半径条件，增多微通道的活化核心数量强化沸腾传热。

进一步地，所述盖板上布置有可视化窗口，可视化窗口内通过玻璃密封圈设置有可视化玻璃。

进一步地，微细通道板上设置有用于安装温度传感器的微细通道测温孔，基座相应设置有基座测温孔。

进一步地，所述基座两端分别设置有工作介质进出口，中部设置用于安装所述微细通道板的微细通道板槽，所述的工作介质进出口与微细通道板槽之间设置有稳流腔。

本发明的主要工作原理：工作介质在微细通道中流动时，在高热流密度作用的情况下产生大量气泡，表现为剧烈的流动沸腾现象，流动沸腾过程中，液体相变所需的汽化潜热会带走大量的热量，另外气泡的形成生长、脱离聚合会极大地破坏流体边界温度，强化换热过程，因此微细通道流动沸腾是一种有效的微尺度换热方法。电场对沸腾传热的强化作用主要是由于电场对气泡的影响所造成的，电场作用下，汽泡在介电电泳力的作用下被压迫在加热壁面上，此外在电对流作用下，汽泡会产生剧烈的震荡，导致汽泡底部液膜的蒸发速度加快，使得气泡的生长速度加快。介电电泳力效应和电对流效应的共同作用下，电场作用得以强化沸腾传热效果。通过在受热表面设置能有效发泡的锥形孔穴阵列，增加气泡的生成数量，从而降低沸腾所需要的过热度，提高沸腾传热的效率。

与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：

(1)本发明的微细通道经过表面锥形孔穴处理，将原本的微细通道的规则矩形截面设计成不规则形状，线状电极在该微细通道内可以产生非均匀的高压电场，微细通道内两相段产生汽泡，在电场的作用下，由于介电电泳力作用汽泡被压迫在壁面上，流动中汽泡震荡不断变大，可以强化沸腾传热效果。同时，微细通道表面增加的人工锥形孔穴可以极大的增加产生汽泡的数量，使得汽泡的运动速度大大加快，两种强化传热技术复合，极大的提升了强化传热效果。

(2)电极丝完全布置在装置内部，与外部只靠一个导出孔实现，减低泄露的可能性。

(3)整个传热装置的构件全部由聚四氟乙烯、铝、不锈钢等加工而成，螺栓为标准件，为整个装置的批量化生产奠定了基础。

附图说明

图1为本发明实施例的电场强化表面锥形孔穴微细通道沸腾传热装置爆炸示意图。

图2为发明实施例的开有电极丝导出孔和可视化窗口的聚四氟乙烯盖板立体结构示意图。

图3为发明实施例的线状电极安装固定示意图。

图4为不锈钢电极丝固定块立体结构示意图

图5为发明实施例的微细通道板立体结构示意图。

图6为发明实施例的微细通道板局部剖视图。

图7为发明实施例的装配立体图。

图8为发明实施例的基座立体图。

图中：1-盖板安装螺栓；2-盖板；3-电极丝导出孔；4-盖板安装孔；5-盖板密封圈；6-玻璃视窗密封圈；7-可视化玻璃；8-微细通道板；9-微细通道；10-微细通道板测温孔；11-电极丝；12-电极丝固定块；13-电极丝固定螺丝；14-电极丝安装孔；15-电极丝固定块安装孔；16-通孔；17-基座密封槽；18-进口；19-第一基座安装孔；20-固定块固定螺栓；21-第二基座安装孔；22-测温测压孔；23-基座测温孔；24-基座底部测温孔；25-盖板密封槽；26-表面锥形孔穴；27-稳流腔；28-出口；29-基座；30-微细通道板安装位。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对微细通道沸腾传热装置的发明目的作进一步地描述，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所示，本发明提供的一种电场强化表面锥形孔穴微细通道沸腾传热装置，包括基座29、盖板2、微细通道板8、两电极丝固定块12和多根电极丝11。

盖板2盖合设置在基座29上以封闭基座29。在本发明其中一个实施例中，请参阅图1和图7，在基座29顶部的四周边缘开设有第二基座安装孔21，盖板2上与每个第二基座安装孔21相应的位置上也开设有盖板安装孔4，安装时，将盖板2上的盖板安装孔4和基座29上的第二基座安装孔21一一对应后，采用盖板安装螺栓1拧紧以将盖板2固定在基座29上。

在本发明其中一个实施例中，盖板2中间设置有可视化窗口，窗口边缘处向内凹陷，凹陷部位设置有呈半圆形的盖板密封槽25，安装时先在盖板密封槽25中安装玻璃视窗密封圈6，然后再安装可视化玻璃7，通过螺栓连接固定后即可在保证密封的情况下实现可视化效果，使得运行过程中，可以通过观察微通道9内气泡的生成情况监测装置的传热效果。同时盖板2上加工有电极丝导出孔3，多根所述电极丝11拧紧后从电极丝导出孔3穿出并作密封处理，以实现密封效果。

在本发明其中一个实施例中，不锈钢的电极丝11的直径小于0.2mm，以防止对工质流动产生干扰。

在本发明其中一个实施例中，基座29上开设有基座密封槽17，基座密封槽17内设置有盖板密封圈5。盖板2和基座29之间通过设置盖板密封圈5以增强密封效果。

在本发明其中一个实施例中，盖板2和盖板密封圈5均采用不导电的材料制成，如可采用聚四氟乙烯材料制成，电极丝11采用不锈钢材料制成，基座29采用铝制材料制成。可以理解的是，在其他的实施例中可以采用其他材料。

请参阅图7、图8，基座29的两侧分别开设有让工作介质进出的进口18和出口28，基座29内部的中间位置设置有微细通道板安装位30，在基座29内且位于微细通道板安装位30的两侧均开设有稳流腔27，微细通道板8可与负极相连并接地，微细通道板8固定设置在微细通道板安装位30上，且微细通道板8上开设有多个微细通道9，微细通道9的长度方向与微细通道板8的长度方向平行，且微细通道9内下凹开设有表面锥形孔穴26；两电极丝固定块12分别固定在两稳流腔27内；每根电极丝11可与正极连接，每根电极丝11的两端均分别固定在两电极丝固定块12上，且每根电极丝11相应设置在一所述微细通道9内。

如图3和图4所示，在本发明其中一个实施例中，两电极丝固定块12上均开设有与电极丝11数量相等的电极丝安装孔14，所述电极丝11的两端分别通过多个电极丝固定螺丝13拧紧在两电极丝固定块12上的电极丝安装孔14上，并位于在各相应设置的微细通道9内。两个电极丝固定块12上均开设有电极丝固定块安装孔15，基座29上相应开设有与电极丝固定块安装孔15相配合的第一基座安装孔19，两个电极丝固定块12分别用四个固定块固定螺栓20通过电极丝固定块安装孔15和第一基座安装孔19固定在试验段两端的稳流腔27内，电极丝固定块12中部设有半径为15mm的圆形通孔16，以减少其对流体阻力的影响。电极丝固定块12尺寸长为100mm，宽为65.2mm，厚度为18mm，其上表面布有与每个微细通道相对应的电极丝固定块安装孔15，配合的不锈钢制成的电极丝固定螺丝13，可以将每根电极丝11固定于对应微细通道9内，并在使用中始终处于紧绷状态。

在本发明其中一个实施例中，电极丝固定块12由聚四氟乙烯加工而成，每根电极丝11直径0.2mm，长度为420mm。当然，在其他实施例中，可以采用其他的材料和数值。

在本发明其中一个实施例中，每根电极丝11相应设置的微细通道9中心处，中心位置产生的电场更均匀，对气泡的作用力均衡。

传热装置工作时，所述电极丝11与高压静电发生器正极连接，微细通道板8底部与基座29接触，均为金属且与负极连接并接地。二者之间产生的高压电场，使汽泡在电对流效应与介电电泳力的作用下剧烈震动加快生长，从而达到强化传热效果。另外为了监测内部温度变化，微细通道板8一侧设置了4个用于安装温度传感器的微细通道板测温孔10。

在本发明其中一个实施例中，如图5所示，高压静电发生器为直流高压静电发生器，设定输出电压为0V-800V，通过电极丝导出孔3与电极丝11连接。

在本发明其中一个实施例中，如图5所示，所述微细通道板8高15mm，宽100mm，长220mm，由11个截面尺寸为2mm×2mm，长度为220mm的微细通道9组成微细通道群，各个微细通道9之间间隔距离为4mm。整个微细通道板8是由金属切割工艺加工而成。可以理解的是，本实施例的数值只是具体的举例，在其他实施例中，可以根据需要设置成其他数值。

在本发明其中一个实施例中，如图6所示，所述微细通道9底部通过激光打孔工艺进行表面处理，在微细通道表面下凹加工出锥形孔穴26，垂直于轴向的截面上排布若干个人工表面锥形孔穴26，沿轴向方向截面排布若干个表面锥形孔穴26，每个表面锥形孔穴26底面直径为0.3-0.5mm，高为0.5mm。通过设置表面锥形孔穴26可以形成有效的活化核心。

在本发明其中一个实施例中，表面锥形孔穴26呈阵列排布，如可设置2-3列、1606行表面锥形孔穴26。阵列排布可以以方便加工。

在本发明其中一个实施例中，请参阅图1，所述基座29上设置有与微细通道板8上的微细通道板测温孔10对应的基座测温孔23，可在测温孔内安装温度传感器如热电偶来实现对传热装置微细通道内部温度的监控。

需散热设备设置在微细通道板8的下方。在本发明其中一个实施例中，基座29底部且位于微细通道板8的下方设置有凹槽，在实验阶段，可将加热板视为需散热设备，将加热板设置在位于基座29底部的凹槽内，模拟实际工作状态下的放热。

在本发明其中一个实施例中，在基座29上且位于基座测温孔23底部设置有与基座测温孔23一一对应的基座底部测温孔24，基座底部测温孔24是传热装置与需散热设备接触侧的测温孔，用来安装温度传感器来监测需散热设备与本发明提供的传热装置接触面的温度变化；基座两端的稳流腔一侧设置有测温测压孔22，用来安装温度传感器或压力传感器，通过监测这个压力可以监测本发明提供的传热装置内部的流动阻力，监测得到的温度结合微细通道板测温孔10和基座测温孔23得到的温度可以监测装置内的能量传递情况。

本发明提供的沸腾传热装置在使用时，将需散热设备放置在本传热装置中位于基座29底部的凹槽内，工作介质如制冷剂经传热装置的入口进入传热装置内部，首先流入稳流腔，经电极丝固定块上的通孔16流过稳流腔，进入微细通道9，制冷剂不断吸收热量，温度逐渐升高，当温度达到一定条件后制冷剂沸腾，微细通道内开始出现汽泡，表面锥形孔穴的存在明显增多微细通道的活化核心数量，加快汽泡的生成。同时生成的汽泡在线状电极产生的电场作用下，汽泡在介电电泳力的作用下被压迫在加热壁面上，在电对流的作用下，汽泡会产生剧烈的振荡，导致汽泡底部液膜的蒸发速度加快，使得气泡的生长速度加快。在介电电泳力效应和电对流效应的共同作用下，沸腾传热效果得到了明显提升。

本发明的上述实施例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。