超声波强化螺旋形微槽道除垢换热器的制作方法

本发明涉及一种超声波强化螺旋微槽道除垢换热器，具体涉及一种利用超声波空化机理强化微槽道换热及防垢、除垢的技术。

背景技术：

微电子领域是最早提出微尺度流动和传热问题的工程领域，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大功率器件的要求，一方面器件的特征尺寸愈小愈好，已从微米量级向亚微米发展，另一方面器件的集成度自1959年以来每年以40％～50％高速度递增。随着集成度的提高，元件热流密度的增加速度将更为惊人，由此带来的过高温度会降低芯片的工作稳定性，增加出错率，同时模块内部与其外部环境间所形成的热应力会直接影响到芯片的电性能、工作频率、机械强度及可靠性，因此对微元件的高效散热要求就越来越高。如果微元件散热处理不好，元件温度就会上升，直接影响元件的性能，从而影响微电子器件的整体性能，所以研究微元件高效换热技术已具有非常重要的意义。

目前强化换热设备的传热手段主要有两种：(1)提高换热系数，例如改变换热器表面的性质或者改变表面结构使之传热系数得到提高；(2)减小传热热阻，从而实现强化传热，例如定时清洗热换器的污垢，采用不易结垢的材质制作换热器等，热阻减少，换热效果得到提高。

中国专利《超声波防垢、除垢的强化换热壳管式换热器》(申请号：CN201220480982.5)，公开了一种高效壳管式换热设备 该设备的显著特点为利用超声波的空化机理，清理沉降在换热器中的污垢，减小了传热热阻，提高换热效果；但是该管壳式换热器体积较大，不能应用于微电子散热领域，而且该技术中需要定期排污。

中国专利《微槽道与水冷联合的冷却系统》(申请号： 201420752289.8)， 该冷却系统利用了百微米量级尺寸的微槽道所具有的高强度取热能力，能够将刀片服务器中CPU芯片等微元件所产生的热量高效取出，该方法中微槽道所具有的高强度取热能力能够达到100W/cm ²的量级，远高于目前CPU芯片的发热热流密度，传热效果较好；中国专利(申请号：2015100791197)主要是对针肋的形状做了改变，强化通道内流体的流动。

中国专利《超声波强化微槽道换热器》(申请号：201610162798.9)，该除垢系统包括超声波发生器和超声波换能器，其超声波发生器和超声波换能器通过导线相连，超声波换能器设有多个超声波换能器振子，超声波换能器振子分布固定设置在槽道主体的两侧，在超声波的声场中使得污垢与冷却流体充分混合并随着流体一同流出槽道，不要定期排污。但是，以上关于微槽道的专利前两者在一定程度上通过对常规微通道换热器做了改进来提高传热效果，但流体在微通道中产生的流动阻力较大，仅仅依靠改变针肋的布置和形状还是不能彻底解决的；同时对冷却流体的要求较高，且会产生污垢，增加热阻，恶化传热效果。换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，换热器在化工、石油、动力食品及其它许多工业生产中占有重要地位。后者的除垢系统固定设置，无法实现超声波除垢装置对整个换热器本体的均匀除垢。换热器内管道的结垢问题是热交换领域困扰人们的重大难题，换热器内部管程长时间使用后，在管壁内易发生结垢，管道结垢会减小过流面，严重时还会堵塞管道；此外管道内壁上的结垢还会大大降低换热器的热交换效率。所以为了保证换热器的正常使用要对换热器内部进行定期清理，传统的清理方法主要有机械清洗和化学清洗，这两种方法均需要对换热器进行拆卸，导致换热器无法连续运行，大大影响了换热器的工作效率。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供了一种超声波强化螺旋形微槽道除垢换热器，超声波在液体中传播时，产生的“空化效应”加剧了液体的振荡，强化微槽道内流体的扰动，也减小粘性阻力，进一步强化微槽道的换热； 同时，超声波能量可使被处理液体中产生大量的空穴和气泡，当这些空穴和气泡迅速湮灭时，便在特定范围内形成强大的压力峰，使成垢物质迅速被粉碎成细小的垢粒而悬浮于液体中，并且导致已形成的垢物被破碎和脱落，减小传热热阻，提高微槽道的换热性能；其次，螺旋形冷却水道可大大增加流体与微槽道的换热面积与换热时间，从而增加换热量，取得更好的换热效果；再者，将超声波除垢装置沿着换热器轴向移动，使得超声波在工作时，能够对整个换热器本体进行均匀除垢，尤其是对于一些轴距较大、而换热器本身直径较小的换热器而言，这种超声波除垢装置能够轴向移动的换热器，在除垢和换热性能提高方面，表现尤为优异，大大节约了除垢成本。以上技术能相互促进，可移动的除垢装置使得超声波在液体中造成的扰动更加剧烈，螺旋形冷却水道使得超声波作用于液体的时间更长、传播更加充分与全面，将其结合与单独使用其中一种相比，装置的换热能力有明显的提升。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种超声波强化螺旋形微槽道除垢换热器，包括壳体、超声波除垢装置、设置于壳体内腔的冷却水道、微针肋，冷却水道具有进水口、出水口；其特征在于，沿着壳体内腔的轴向位置，布置螺旋形挡板；所述的螺旋形挡板，相邻的两层螺旋型面之间，沿着螺旋形挡板的轴向，均布有若干微针肋；冷却水道通过螺旋形挡板以及微针肋之间的空间构成；所述的超声除垢装置安装在壳体外壁，并能够沿着壳体的轴向平移。

进一步地，所述的超声波除垢装置包括超声波发生器以及超声波换能器，超声波发生器的工作功率为0～100W；壳体的外壁沿着轴向布置有滑轨，超声波发生器、超声波换能器分别固定安装在滑块上，且超声波发生器、超声波换能器通过导线电性相连，而滑块则可移动地配合安装在滑轨中，且滑块配装有限位块。

进一步地，流经冷却水道的冷却工质为去离子水或乙醇。

进一步地，所述壳体包括槽道主体和上封盖；槽道主体设为中空结构，上封盖与槽道主体密封连接；冷却水道布置于槽道主体的内腔。

进一步地，所述槽道主体的材料为紫铜。

进一步地，所述的螺旋形挡板相邻两层螺旋型面之间的轴向间距为1～10mm。

进一步地，所述微针肋的形状为圆柱体、长方体或多边体。

进一步地，所述的各微针肋以叉排的方式环形均布在螺旋形挡板上，且微针肋沿圆周排布的间隔角度均为15°。

进一步地，所述冷却水道的横截面为圆形。

进一步地，微针肋的直径设为0.1～1mm。

本发明通过超声波发生器发出高频信号，使超声波换能器产生超声波振动， 对微槽道内的冷却水产生超声波空化效应，使冷却水变为超湍流状态，强化冷却。同时，通过超声波发生器发出的高频信号，使微槽道中的冷却水产生超声波振动，不仅使得微槽道中的水流速度减缓，降低了了水流的粘性系数；而且还可以随时清理掉沉降在微槽道内的污垢，减小传热热阻，提高微槽道的换热性能；其具体优点如下：

(1)本发明通过超声波换能器与超声波发生器可实现加强微槽道换热器中流体的扰动，提高对流换热系数，提高散热效率，本发明的换热性能得到改善；

(2)本发明换热器内的流体在超声波的作用下流速降低，延长了换热时间，加强换热，同时也降低液体的运动粘性系数，在一定程度上降低了液体的流动阻力，从而提高了微槽道换热器的通流能力、增强运行可靠性，延长使用寿命；

(3)本发明中微针肋呈叉排布置，叉排布置的流体扰动效果比顺排布置好，扰动增加，换热效果就会得到提高；

(4)本发明中螺旋形冷却水道可大大增加流体与微槽道的换热面积与换热时间，从而增加换热量，取得更好的换热效果。

(5)本发明中流体冷却工质选用水的标准无需要那么严格，由于超声波的作用，可以减少甚至清楚槽道内污垢的形成，从而减少热阻的生成，增强换热效果；

(6)本发明换热器本体的外壁上设置有超声波除垢系统，能对换热器本体内的冷却水道进行超声波除垢处理，水道内的水垢在超声波的作用下从附着的管壁上脱落，不要定期排污；采用超声波除垢处理后的管壁无损伤，大大延长了设备的使用寿命，且该除垢过程不影响换热器的连续工作；

(7)本发明中超声波除垢系统能沿滑道在换热器本体外壁上滑行，实现超声波除垢系统可以全面的清洗该微槽道换热器，对整个换热器本体的均匀除垢，大大节约了除垢成本；

(8)本发明的超声波微槽道换热器的散热率与微针肋的形状、大小、高度、数量以及超声波功率的大小有着很大的关系；同时，超声波的功率不是越大越好，在100W以内效果较好；

(9)相比于管壳式换热器，本发明的槽道换热器体积较小，能应用于微电子散热领域。

附图说明

图1是本发明一种超声波强化螺旋微槽道除垢换热器的正视图；

图2是图1的半剖图；

图3是图1的左视图；

其中，1-壳体；2-滑轨；3-滑块；4-超声波发生器；5-超声波换能器；6-支腿；7-入水口；8-出水口；9-冷却水道；10-微针肋；11-挡板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本实施例的超声波强化螺旋微槽道除垢换热器包括壳体、水冷系统、槽道、微针肋、除垢系统。

其中，水冷系统包括冷却水道9、入水口7和出水口8，冷却水道9设置在散热壳体的内部，冷却水道9的横截面为圆形（具体见图3），入水口7和出水口8分别设置在散热壳体上，入水口7和出水口8分别与冷却水道9相连通组成水冷系统；冷却工质可为去离子水水或乙醇，可减少槽道内污垢的生成。

散热壳体密封性良好，确保冷却水道9中的流体不会从缝隙中溢出。壳体1的材料为紫铜；壳体1设为中空结构，壳体内的中空部位设有螺旋形冷却水道挡板11，微针肋10均匀分布于挡板11上，挡板11之间以及微针肋10之间的空间形成螺旋形冷却水道9，冷却水道9的数目为一个或者多个，冷却水道9的数目在于壳体1中间设置的微针肋10的数目。

除垢系统包括滑轨2、滑块3、超声波发生器4和超声波换能器5，所述滑轨2固定在换热器本体轴线方向上，所述滑块3滑动设置在滑轨2中，所述超声波发生器4和超声波换能器5固定在滑块上，两者通过导线相连，所述滑块3两端分别设置有限位块。

微针肋10沿壳体1的轴线方向分布；微针肋10的形状为圆柱体、长方体、多边体等；微针肋10的高度等于两层冷却水道挡板11的轴向距离，为1～10mm；微针肋沿圆周排布的间隔角度均为15°(如图3所示)；微针肋5沿流道方向呈叉排布置，冷却工质在该通道内流动，叉排更能增加流体的扰动，利于传热。

超声波发生器4用来发出高频信号，工作匹配功率范围0～100W，超声波发生器4与超声波换能器5通过导线相连接，超声波换能器5用来接收高频信号并产生超声波振动，超声波除垢系统能沿滑道在换热器本体外壁上滑行，超声波除垢系统可以全面地清洗该微槽道换热器，对整个换热器本体的均匀除垢实现强化换热。

本实施例的超声波强化螺旋微槽道除垢换热器的换热过程如下：通过超声波发生器4发出高频信号，通过超声波换能器5使超声波换能器产生超声波振动，通过滑块3的移动，对壳体1内的冷却水产生均匀的超声波空化效应，使冷却水变为超湍流状态，强化冷却。其次，螺旋形冷却水道可大大增加流体与微槽道的换热面积与换热时间，从而增加换热量，取得更好的换热效果。同时，高频信号使壳体1中的冷却水产生超声波振动，不仅使得壳体1中的水流速度减缓，降低了了水流的粘性系数，而且还可以随时清理掉沉降在壳体1内的污垢，减小传热热阻，提高壳体1的换热性能。由此可见，该本实施例的超声波强化微槽道换热器可以大大提高换热效果。

使用本实施例的超声波强化微槽道换热器的注意事项是：

(1)超声波发生器4应按在通风阴凉处，超声波发生器4与超声波换能器5应避免淋水或撞击，保证其正常运行；

(2)在该超声波强化微槽道换热器运行前，要先将冷却水道9内充满冷却流体，避免共振和超声波换能器7产生的热效应使壳体1和微针肋10脱落；

在超声波强化微槽道换热器停用前，首先停运超声波发生器4；

在超声波强化微槽道换热器运行期间，不得随意停运任何设备。

以上所述仅为本发明的优选例实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何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，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。