一种超声场强化复杂微观凹腔阵列微通道沸腾传热装置的制作方法

本发明涉及一种微细通道相变强化传热领域，具体涉及一种超声场强化复杂微观凹腔阵列微通道沸腾传热装置。

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，虽然目前大多传热方式能基本满足当前散热要求，在一些高科技产品如航天火箭推进器散热、核反应堆等散热问题，散热要求远远还不能满足，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方法，用于微细通道换热器相变传热，从而增加散热量，此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，可操作性强，强化传热效率高。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供了一种外加超声场强化复杂微观凹腔阵列微通道沸腾传热装置。

本发明通过如下技术方案实现：

一种超声场强化复杂微观凹腔阵列微通道沸腾传热装置，包括超声波发生器、换热试验段、若干超声波振子，所述的换热试验段由上至下依次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，所述超声波振子沿长度方向均匀固定在所述振动板上且分别与超声波发生器电路连接，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，所述的微细通道的截面尺寸为1.5mm×1.5mm。

进一步地，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。

进一步地，所述微观凹腔的上开口直径0.014mm≦d≦0.67mm。

进一步地，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。

进一步地，所述的振动板上竖直焊接有若干螺钉，所述超声波振子2通过所述螺钉及凝固胶水固定在振动板上，振动时超声波振子将超声波输送至微细通道蒸发器内部。

进一步地，所述的单头加热管为电加热管。

相比现有技术，本发明基于超声振动和活化核心起沸原理，在微细通道底表内部加入倒“ω”字型微观凹腔阵列及在换热工质流经表面设置亲疏水相间的区域，有效促进核态沸腾传热，而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；同时，通过施加外加超声波作用影响汽泡脱离，直接增加脱离频率，从而达到强化。

附图说明

图1是本发明实施例的外加超声场强化复杂微观凹腔阵列微通道沸腾传热装置整体结构示意图。

图2本发明实施例的换热实验段爆炸示意图。

图3为本发明实施例的具复杂微观凹腔阵列的微细通道蒸发器主视示意图。

图4为本发明实施例的具复杂微观凹腔阵列的微细通道蒸发器左视示意图。

图5为本发明实施例的具复杂微观凹腔阵列的微细通道蒸发器的微观凹腔放大示意图。

图6为本发明实施例的数学传热测试模型示意图。

图中：1-超声波发生器；2-超声波振子；3-换热试验段；31-上盖板；32-振动板；33-可视化盖板；34-微细通道蒸发器；35-实验段腔体；36-加热体；37-第一隔热体；38-第二隔热体；39-单头加热管；310-底座盖板。

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5所示，一种超声场强化复杂微观凹腔阵列微通道沸腾传热装置，包括超声波发生器1、换热试验段3、若干超声波振子2，所述的换热试验段3由上至下依次包括依次连接的上盖板31、振动板32、可视化盖板33、微细通道蒸发器34、实验段腔体35、加热体36、隔热体、底座盖板310，所述底座盖板310上均匀设置有向上穿过隔热体直达加热体36内的若干单头加热管39，所述的单头加热管39为电加热管且功率可调；所述超声波振子2沿长度方向均匀固定在所述振动板32上且分别与超声波发生器1电路连接，所述微细通道蒸发器34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。所述隔热体包括相互叠加的第一隔热体37、第二隔热体38。

如图3至图4本实施例中，所述的微细通道的截面尺寸为1.5mm×1.5mm，通道长为196mm。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。

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5所示)。

所述的超声波发生器1的额定功率为1000w，所述超声波振子2频率为20khz-60khz。所述的振动板32上竖直焊接有若干螺钉，所述超声波振子2通过所述螺钉及凝固胶水固定在振动板32上，振动时超声波振子2将超声波输送至微细通道蒸发器34内部。

所述微细通道蒸发器34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3内的微细通道蒸发器34的单个通道截面图如图6所示，基于换热在微细通道蒸发器34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。