外加超声强化复杂微观凹腔阵列微通道沸腾传热实验系统的制作方法

本发明涉及一种微细通道相变传热领域，具体涉及一种外加超声强化复杂微观凹腔阵列微通道沸腾传热实验系统。

技术背景

随着科技的进步，电子部件和设备趋向集成化，传统大通道的传热设备已无法满足电子芯片的传热过程，具有高表面积比和换热效率的微细尺寸通道已成为当今科技研究强化传热重要发展方向。

微型结构换热器不仅具有高效优良的换热性能，而且结构简单、紧凑,为了进一步高效地提高微通道换热器的换热效率，科研工作者们基于工程手段，从槽道表面处理，外加场等方面进行强化传热，对于微细通道相变中强化问题，其理论至今还不能较为准确描述和预测流体在微细通道中相变传热特性，因此需要系统的实验测试和高速可视化来研究纳米流体在微细通道中的相变传热过程及强化传热特性，在此背景下，发明一种外加超声场强化复杂微观凹腔阵列微通道沸腾传热实验系统。此测试系统和方法可以用于测试外加声场作用微细通道中相变演化过程及其强化传热特性。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种外加超声场强化复杂微观凹腔阵列微通道沸腾传热实验系统，能有效观察声场作用下强化复杂润湿表面微通道内的核态沸腾传热特性。

本发明采用如下技术方案实现：

一种外加超声强化复杂微观凹腔阵列微通道沸腾传热实验系统，包括加热装置控制系统、数据采集系统、外加超声场发生装置、注液装置，以及通过管路依次连接形成换热工质循环回路的换热工质循坏控制系统、液体入口温度控制系统、换热试验段，所述的外加超声场发生装置作用于换热试验段，所述数据采集系统用于采集换热试验段温度及气泡视频信息；所述加热装置控制系统用于控制换热试验段温度，所述注液装置用于向换热工质循环回路中注入换热工质；所述的换热试验段由上至下包括依次连接的上盖板、振动板、可视化盖板、微细通道蒸发器、实验段腔体、加热体、隔热体、底座盖板，所述底座盖板上均匀设置有向上穿过隔热体直达加热体内的若干单头加热管，所述加热体和实验段腔体分布有上、下两排均匀间隔的测温孔；所述微细通道蒸发器包括平板状主体，所述主体的上表面沿长度方向平行设置有若干矩形微细通道，单个所述微细通道底表内部排列设置有倒“ω”字型的微观凹腔阵列。

进一步地，所述的外加超声场发生装置包括超声波发生器、若干超声波振子，所述的超声波发生器的额定功率为800-1500w，所述超声波振子频率为20khz-60khz；所述超声波振子通过焊接螺钉及凝固胶水沿长度方向均匀地固定在振动板上且分别与超声波发生器电路连接。

进一步地，所述的微细通道的截面尺寸为1.5mm×1.5mm；所述微观凹腔阵列的间隔距离为0.3mm～0.4mm，单个所述微细通道里面排列4～5行、490～647列微观凹腔。

进一步地，所述微观凹腔的上开口壁与所述微细通道底表面的夹角大于所述微细通道底表面的静态接触角θ；所述微观凹腔的上开口直径0.014mm≦d≦0.67mm；所述微观凹腔的深度为0.4mm～0.6mm。

进一步地，所述的微细通道底表面沿换热工质流动方向设置有亲疏水相间区域。

进一步地，所述的加热装置控制系统包括通过电路依次连接所述的单头加热管的功率显示表、功率调节器、电柜箱，所述的单头加热管为电加热管。

进一步地，所述的换热工质循坏控制系统包括换热工质冷却装置、液体动力驱动装置，所述的液体动力驱动装置包括电路连接的磁力泵和变频器，所述的磁力泵的输出端通过管路及闸阀依次连接过滤器、转子流量计、液体入口温度控制系统，输入端连接储液罐；所述的换热工质冷却装置包括管路连接的冷却水箱和冷却机组，流出换热试验段的换热工质在冷却水箱中进行冷却后流入所述储液罐。

进一步地，所述的数据采集系统包括高速摄像仪、k型热电偶、数据采集仪、工控箱、电脑显示器，所述的k型热电偶设置在所述测温孔内，并通过电路依次连接数据采集仪、工控箱和电脑显示器，所述的高速摄像仪与工控箱电路连接，用于采集换热试验段的气泡视频信息。

进一步地，所述的液体入口温度控制系统包括容纳有换热介质的温控箱、温度控制器、加热棒、温度传感器，所述的加热棒、温度传感器伸入温控箱内且分别与温度控制器电路连接。

进一步地，连接于所述换热工质循坏控制系统、液体入口温度控制系统、换热试验段之间的管路上串接有若干视镜、手阀和压力表，所述换热试验段的出口管路上旁接有针阀。

相比现有技术，本发明所提供的外加超声强化复杂微观凹腔阵列微通道沸腾传热实验系统可以用于测试外加声场作用微细通道中相变演化过程及其强化传热特性，可操作性强、测试精度高、可广泛用于微细通道相变传热性能测试。

附图说明

图1为本发明实施例的试验系统整体结构示意图。

图2是本发明实施例的换热试验段和外加超声场发生装置连接示意图。

图3本发明实施例的换热实验段爆炸示意图。

图4为本发明实施例的微细通道蒸发器主视示意图。

图5为本发明实施例的微细通道蒸发器左视示意图。

图6为本发明实施例的微细通道蒸发器的微观凹腔放大示意图。

图7为本发明实施例的微细通道蒸发器数学传热测试模型示意图。

图中：1.磁力泵；2.变频器；3.过滤器；4-1～4-6.视镜；5-1～5-12.手阀；6.转子流量计；7.加热棒；8.温度传感器；9.温度控制器；10.单头电热管(6个)；11.功率显示表；12.功率调节器；13.电柜箱；14.换热试验段；14-1-上盖板；14-2-振动板；14-3-可视化盖板；14-4-微细通道蒸发器；14-5-实验段腔体；14-6-加热体；14-7-第一隔热体；14-8-第二隔热体；14-9-底座盖板；15.k型热电偶；16.agilent-34970a数据采集仪(34901a采集模块)；17.工控箱；18.电脑显示器；19.超声波振子；20.超声波发生器；21.高速摄像仪；22.针阀；23-1～23-3.压力表；24.注液装置；25.冷却水箱；26.冷却机组；27.储液罐。

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，一种外加超声强化复杂微观凹腔阵列微通道沸腾传热实验系统，包括加热装置控制系统、数据采集系统、外加超声场发生装置、注液装置24，以及通过管路依次连接形成换热工质循环回路的换热工质循坏控制系统、液体入口温度控制系统、换热试验段14，所述的外加超声场发生装置作用于换热试验段14，所述数据采集系统用于采集换热试验段温度及气泡视频信息；所述加热装置控制系统用于控制换热试验段14温度，所述注液装置24用于向换热工质循环回路中注入换热工质；所述的换热试验段(14)由上至下包括依次连接的上盖板14-1、振动板14-2、可视化盖板14-3、微细通道蒸发器14-4、实验段腔体14-5、加热体14-6、隔热体、底座盖板14-9，所述底座盖板14-9上均匀设置有向上穿过隔热体直达加热体14-6内的六个单头加热管10，所述加热体14-6和实验段腔体14-5分布有上、下两排均匀间隔的测温孔，两排测温孔的间隔距离为20mm，直径为φ2mm测温孔，左右相邻测温孔的间隔距离为30mm；所述隔热体包括上下叠加设置的第一隔热体14-7、第二隔热体14-8；所述微细通道蒸发器14-4包括平板状主体，所述主体的上表面沿长度方向平行设置有若干矩形微细通道，单个所述微细通道底表内部排列设置有倒“ω”字型的微观凹腔阵列。

如图2所示，所述的外加超声场发生装置包括超声波发生器20、若干超声波振子19，所述的超声波发生器20的额定功率为1000w，所述超声波振子2频率为20khz-60khz；所述超声波振子19通过焊接在振动板14-2上的螺钉及凝固胶水沿长度方向均匀地固定在振动板14-2上且分别与超声波发生器20电路连接。

所述的加热装置控制系统包括通过电路依次连接所述的单头加热管10的功率显示表11、功率调节器12、电柜箱13，所述的单头加热管10为电加热管。

所述的换热工质循坏控制系统包括换热工质冷却装置、液体动力驱动装置，所述的液体动力驱动装置包括电路连接的磁力泵1和变频器2，所述的磁力泵1的输出端通过管路及闸阀依次连接过滤器3、转子流量计6、液体入口温度控制系统，输入端连接储液罐27；所述的换热工质冷却装置包括管路连接的冷却水箱25和冷却机组26，流出换热试验段的换热工质在冷却水箱25中进行冷却后流入所述储液罐27。

所述的数据采集系统包括高速摄像仪21、k型热电偶15、数据采集仪16、工控箱17、电脑显示器18，所述的k型热电偶15设置在所述测温孔内，并通过电路依次连接agilent-34970a数据采集仪16、工控箱17和电脑显示器18，所述的高速摄像仪21与工控箱17电路连接，用于采集换热试验段的气泡视频信息。

所述的液体入口温度控制系统包括容纳有换热介质的温控箱、温度控制器9、加热棒7、温度传感器8，所述的加热棒7、温度传感器8伸入温控箱内且分别与温度控制器9电路连接。

连接于所述换热工质循坏控制系统、液体入口温度控制系统、换热试验段14之间的管路上串接有若干视镜4-1～4-6、手阀5-1～5-12和压力表23-1～23-3，所述换热试验段14的出口管路上旁接有针阀22。

如图4和图5所示，所述的微细通道的截面尺寸为1.5mm×1.5mm；所述微观凹腔阵列的间隔距离为0.3mm，单个所述微细通道里面排列4～5行、490～647列微观凹腔。

如图6所示，所述微观凹腔的上开口壁与所述微细通道底表面的夹角大于所述微细通道底表面的静态接触角θ；本实施例中，微细通道底表面的静态接触角θ＝60°。所述的微细通道底表面沿换热工质流动方向设置有亲疏水相间区域，亲水性表面易于汽泡脱离后液体的补充，疏水表面可加大汽泡脱离频率，同时亲疏水相间条纹易于自清洁。所述微观凹腔的上开口直径d＝0.2mm,所述微观凹腔的深度为0.6mm,以上凹腔尺寸特征可使凹腔活化，凹腔低部设有容易集气的球形“凹腔嘴”，直径为0.4mm，此种凹腔形状便于集气，容易汽泡成核(如图6所示)。

所述微细通道蒸发器14-4的制造方法，包括步骤：

1)采用金属3d打印方式中的直接金属激光烧结(dmls)微细通道蒸发器；

2)在微细通道蒸发器表面的换热工质流动方向不同干度区域通过化学沉积法设置亲疏水相间区域。

进一步地，所述在微细通道蒸发器表面的换热工质流动方向不同干度区域通过化学沉积设置亲疏水相间区域的步骤具体包括：

在换热工质流动方向不同干度区域通过化学沉积法设置间距为10mm且不同宽度的亲水区域，在干度小于0.1的区域设置宽度为2mm的疏水区，在干度为0.1～0.2的区域设置宽度为1mm的疏水区，在干度大于0.3的区域无疏水条纹，从而形成亲疏水相间的具复杂微观凹腔阵列的微细通道蒸发器。本实施例中，因为亲水性表面易于汽泡脱离后液体的补充，疏水表面可加大汽泡脱离频率，同时亲疏水相间条纹易于自清洁，因此能够有效提高蒸发器的换热效果和耐用性，减少维护成本。

位于换热试验段14内的微细通道蒸发器14-4的单个通道截面图如图7所示，基于换热在微细通道蒸发器14-4中能量平衡原理，建立微细通道中强化传热数学模型，传热系数h为强化传热具体测试数学模型为：

qe(wch+2ww)＝h(tw-tsat)(wch+2ηhch)(1)

式中tsat为制冷剂饱和温度(单位：℃)；η为微细通道之间的肋片传热效率，qe为热流密度(单位：kw/m²)，tw为通道壁面温度(单位：℃)，ww为单个通道的间隔距离，wch为单个通道的宽度，hch为单个通道的深度。

式中tj，ti表示上下测量壁面点的温度，h2表示上测温点到通道壁面距离(单位：℃)，h1为下测温点到上测温点的距离(单位：℃)。

本实施例提供个实验系统在运行前先通过注液装置24注入指定体积的换热介质，启动磁力泵1后，换热介质依次通过过滤器3、转子流量计6、液体入口温度控制系统加热、换热试验段14、冷却水箱25降温后经过储液罐27在流入磁力泵1，形成换热介质循环回路。实验过程中，功率调节器12用于调节单头电热管10的发热功率；agilent-34970a数据采集仪将采集的换热试验段14的温度传输至工控箱17，并由电脑显示器18予以显示；所述的高速摄像仪21用于拍摄流经实验段腔体14-5内微细通道蒸发器4-4的换热介质的气泡形成过程传输至工控箱17，并由电脑显示器18予以显示。

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。