一種壓電驅動的自吸液換熱器傳熱系統及其傳熱方法與流程
2023-05-15 07:44:11 4
本發明涉及強化傳熱領域，尤其涉及一種壓電驅動的自吸液換熱器傳熱系統及其傳熱方法。
背景技術：
在傳統液體冷卻散熱系統迴路中，換熱器不具備液體驅動的作用。熱源迴路和冷源迴路中工質的定向循環流動，主要依靠在管路中串接機械泵來驅動。因為機械泵具有體積較大、工作噪音大等諸多不足，不利於散熱系統的微小化，制約了散熱系統的集成度。另一方面，隨著電子製造技術的微型化、集成化的不斷提高，單位容積內發熱量急劇增大，以計算機CPU 為例，其運行過程中產生的熱流密度已經達到60~100W/cm2，而在半導體雷射器中熱流密度甚至達到103W/cm2 數量級。且電子器件工作的可靠性對溫度十分敏感，器件溫度在70~80℃水平上每增加1℃，可靠性就會下降5％，較高的溫度水平已日益成為制約電子器件性能的瓶頸。因此散熱系統的微小化和高集成度，對電子技術的發展尤為重要，開發集成度高的傳熱系統和微小化的傳熱原件具有重要的應用價值。
壓電效應是一種電能和機械能相互轉換的效應，其原理是，對壓電材料施加壓力，它便會產生電位差，稱之為正壓電效應；反之施加電壓，則產生機械應力，稱為逆壓電效應。如果交流電壓加在壓電陶瓷上時，則會產生周期性機械震動。壓電泵是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應實現流體輸送的新型微泵，在微小型流體泵中的應用日趨廣泛。在壓電陶瓷兩端電極加上交流電壓，工作時通過壓電陶瓷的周期性變形改變泵腔容積，同時結合單向閥的截止性，實現流體的連續定向泵出。由於壓電泵在結構上將傳統的電機泵的驅動源部分、傳動部分及泵體部分三者簡化為一個整體，克服了由於傳動部件多，而產生的機械能消耗、工作介質的壓力損失、部件磨損和疲勞破壞。因此同傳統機械泵相比，壓電泵具有耗能低、結構簡單、易於小型化、重量輕、無電磁幹擾、可根據控制器施加的電壓或頻率控制輸出流量等諸多優點。因此，將壓電泵的液體驅動原理集成於換熱器中，有利於換熱系統的小型化，提高集成度，同時壓電振動在換熱腔體中產生的紊流，能有效提高換熱效率。
換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實現物料之間熱量傳遞的節能設備，是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到流程規定的指標，以滿足工藝條件的需要，同時也是提高能源利用率的主要設備之一。換熱器按傳熱原理分類有間壁式換熱器、蓄熱式換熱器、流體連接間接式換熱器、直接接觸式換熱器、複式換熱器等，本發明屬於間壁式換熱器的範疇。間壁式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間裡流動，通過壁面的導熱和流體在壁表面對流，兩種流體之間進行換熱。間壁式換熱器有管殼式、套管式和其他型式的換熱器。間壁式換熱器是目前應用最為廣泛的換熱器。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是：間壁式換熱器傳熱系統中，由於熱源迴路和冷源迴路中的工質定向循環流動，需要分別串接外置機械泵，而機械泵具有傳動部件多、能量損耗大、工作噪音大、體積較大等特點，導致集成度不高、難以小型化；同時，串接外置機械泵實現流體驅動，不利於傳熱系統提高換熱器傳熱效率。
為解決上述問題，本發明提出一種壓電驅動的自吸液換熱器傳熱系統及其傳熱方法。
一種壓電驅動的自吸液換熱器傳熱系統，包括自吸液換熱器、交流電源、熱源、冷卻頭、熱源管路、單向閥、工質、冷源管路和散熱元件；
所述自吸液換熱器包括壓電振動隔板、熱源換熱腔體、強化傳熱結構、換熱隔板和冷源換熱腔體；所述熱源換熱腔體和冷源換熱腔體由換熱隔板和壓電振動隔板分隔開，壓電振動隔板的邊緣區域安裝在換熱隔板上，換熱隔板對壓電振動隔板進行支撐固定；所述強化傳熱結構均勻分布在換熱隔板的兩面；所述工質填充滿熱源管路、熱源換熱腔體、冷源換熱腔體和冷源管路；
所述冷卻頭與熱源接觸並導熱，冷卻頭的兩端通過熱源管路分別連通熱源換熱腔體的進口和出口；所述散熱元件的兩端通過冷源管路分別連通冷源換熱腔體的進口和出口；所述單向閥安裝在熱源換熱腔體和冷源換熱腔體的進口和出口，在熱源換熱腔體的進口安裝方向為正向流入，在熱源換熱腔體的出口安裝方向為正向流出，在冷源換熱腔體的進口安裝方向為正向流入，在冷源換熱腔體的出口安裝方向為正向流出；
所述壓電振動隔板包括彈性密封薄膜、金屬薄片和壓電陶瓷片；所述壓電陶瓷片的兩面分別固定有金屬薄片，金屬薄片的外側固定有彈性密封薄膜；所述交流電源的正負極通過導線分別與壓電陶瓷片兩側的金屬薄片連接。
進一步地，所述壓電振動隔板的中間區域在接通交流電源後可發生振動，壓電振動隔板的中間區域與工質接觸。
進一步地，所述壓電振動隔板的數量為一個以上，壓電振動隔板的數量為兩個或兩個以上時，均勻並列分布安裝在換熱隔板上，且各壓電振動隔板共用一個交流電源進行連接。
進一步地，所述強化傳熱結構的結構包括陣列溝槽或陣列立柱。
更進一步地，所述陣列溝槽的截面形狀包括三角形、梯形或矩形。
更進一步地，所述陣列立柱截面形狀包括圓形、矩形或多邊形。
進一步地，所述散熱元件為包括翅片或風扇的散熱器件。
進一步地，所述工質為導熱性能良好的冷卻液體，包括甲醇、乙醇、丙酮、製冷劑FC-72、氟利昂或水。
進一步地，所述彈性密封薄膜、金屬薄片和壓電陶瓷片的形狀包括圓形、三角形或矩形。
進一步地，所述金屬薄片的面積大於壓電陶瓷片的面積，所述彈性密封薄膜的大小和金屬薄片的大小一致。
進一步地，所述壓電陶瓷片的厚度為0.05-5mm；所述金屬薄片的厚度為0.01-1mm；所述彈性密封薄膜的厚度為0.1-2mm。
進一步地，所述彈性密封薄膜的材料為具有彈性形變的材料，包括矽膠或聚二甲基矽氧烷（PDMS）。
一種基於上述任一項所述系統的傳熱方法，包括如下步驟：
（1）將工質注入並填充滿熱源管路、熱源換熱腔體、冷源換熱腔體和冷源管路，金屬薄片接通交流電源；
（2）壓電陶瓷片在交流電壓的作用下，帶動兩側的金屬薄片反覆壓縮外側的彈性密封薄膜，使壓電振動隔板產生周期性振動，改變熱源換熱腔體和冷源換熱腔體的容積；
（3）工質在壓電振動隔板的周期性振動和單向閥的作用下，在熱源換熱腔體和冷源換熱腔體內定向流動，並通過熱源管路和冷源管路，形成定向循環流動；熱量從熱源傳遞至冷卻頭，再通過工質在熱源管路的定向循環流動傳遞到自吸液換熱器中，經換熱隔板發生熱交換，傳遞到冷源管路的工質中，通過工質在冷源管路的定向循環流動，熱量傳遞至散熱元件，完成散熱。
進一步地，步驟（1）中，所述交流電源的波形為正負極呈周期性變化的波形，包括正弦函數、三角波或矩形波。
進一步地，步驟（1）中，所述交流電源的頻率為10-10000Hz，電壓為10-300V。
進一步地，步驟（3）中，熱源換熱腔體中的工質的流動方向與冷源換熱腔體中的工質的流動方向相反。
進一步地，步驟（3）中，工質在熱源換熱腔體和冷源換熱腔體的定向流動中，產生有利於換熱的局部紊流。
與現有技術相比，本發明具有如下優點和有益效果：
（1）本發明通過換熱器中壓電振動隔板的在交流電壓的作用下周期性振動，同時改變熱源換熱腔體和冷源換熱腔體的體積，結合進出口的單向閥，實現熱源迴路和冷源迴路中工質液體的定向循環流動，代替熱源迴路和冷源迴路中液體驅動機械泵，減少傳熱系統的安裝空間，提高能源利用率，減小工作噪聲，極大提高換熱器傳熱系統的集成度，實現小型化。
（2）本發明自吸液換熱器中壓電振動隔板在交流電壓的作用下周期性振動，可在換熱腔體中形成局部紊流，大大提高換熱腔體中換熱隔板的換熱效率，在小型化的同時實現高效率的換熱，提高換熱器換熱性能。
附圖說明
圖1為本發明一種壓電驅動的自吸液換熱器傳熱系統的示意圖；
圖2為本發明傳熱系統中壓電振動隔板的結構及安裝示意圖。
具體實施方式
為了更好地理解本發明，下面結合附圖對本發明的具體實施方法作進一步的說明，但本發明的實施方法不限於此。
圖1所示，為本發明一種壓電驅動的自吸液換熱器傳熱系統，包括自吸液換熱器1、交流電源3、熱源4、冷卻頭5、熱源管路6、單向閥7、工質12、冷源管路13和散熱元件14；圖中，箭頭代表工質12的運動方向；工質12為導熱性能良好的冷卻液體，包括甲醇、乙醇、丙酮、製冷劑FC-72、氟利昂或水；
自吸液換熱器1包括壓電振動隔板2、熱源換熱腔體8、強化傳熱結構9、換熱隔板10和冷源換熱腔體11；熱源換熱腔體8和冷源換熱腔體11由換熱隔板10和壓電振動隔板2分隔開，壓電振動隔板2的邊緣區域安裝在換熱隔板10上，換熱隔板10對壓電振動隔板2進行支撐固定；壓電振動隔板2的數量為一個以上，壓電振動隔板2的數量為兩個或兩個以上時，均勻並列分布安裝在換熱隔板上，且各壓電振動隔板共用一個交流電源進行連接；強化傳熱結構9均勻分布在換熱隔板10的兩面；工質12填充滿熱源管路6、熱源換熱腔體8、冷源換熱腔體11和冷源管路13；強化傳熱結構9的結構包括陣列溝槽或陣列立柱；陣列溝槽的截面形狀包括三角形、梯形或矩形；陣列立柱截面形狀包括圓形、矩形或多邊形；散熱元件14為包括翅片或風扇的散熱器件；
冷卻頭5與熱源4接觸並導熱，冷卻頭5的兩端通過熱源管路6分別連通熱源換熱腔體8的進口和出口；散熱元件14的兩端通過冷源管路13分別連通冷源換熱腔體11的進口和出口；單向閥7安裝在熱源換熱腔體8和冷源換熱腔體11的進口和出口，在熱源換熱腔體8的進口安裝方向為正向流入，在熱源換熱腔體8的出口安裝方向為正向流出，在冷源換熱腔體11的進口安裝方向為正向流入，在冷源換熱腔體11的出口安裝方向為正向流出；
如圖2所示，為本發明傳熱系統中壓電振動隔板2的結構及安裝示意圖，壓電振動隔板2包括彈性密封薄膜15、金屬薄片16和壓電陶瓷片17；壓電陶瓷片17的兩面分別固定有金屬薄片16，金屬薄片16的外側固定有彈性密封薄膜15；交流電源3的正負極通過導線分別與壓電陶瓷片17兩側的金屬薄片16連接；
彈性密封薄膜15、金屬薄片16和壓電陶瓷片17的形狀包括圓形、三角形或矩形；金屬薄片16的面積大於壓電陶瓷片17的面積，彈性密封薄膜15的大小和金屬薄片16的大小一致；壓電陶瓷片17的厚度為0.05-5mm；金屬薄片16的厚度為0.01-1mm；彈性密封薄膜15的厚度為0.1-2mm；彈性密封薄膜15的材料為具有彈性形變的材料，包括矽膠或聚二甲基矽氧烷；
壓電振動隔板2的中間區域在接通交流電源3後可發生振動，壓電振動隔板2的中間區域與工質12接觸；圖中，箭頭代表工質12的運動方向。
實施例1
採用的傳熱系統中，壓電陶瓷片的厚度為0.05mm；金屬薄片的厚度為0.1mm；彈性密封薄膜的材料為矽膠，厚度為0.5mm；強化傳熱結構為陣列溝槽，溝槽截面為三角形，截面尺寸為0.2mm，槽深為0.2mm；散熱元件為翅片和風扇的組合；採用上述一種壓電驅動的自吸液換熱器傳熱系統進行傳熱方法。
（1）將工質12注入並充滿自吸液換熱器1、熱源管路6、冷源管路13，所述工質為製冷劑FC-72；
（2）將自吸液換熱器1中的壓電陶瓷片17接上交流電源3，交流電源3的波形為正弦函數，交流電源3的頻率為1000 Hz，交流電,3的電壓為220V；
（3）壓電陶瓷片17在交流電源3的作用下，帶動兩面的金屬薄片16反覆壓縮兩面的彈性密封薄膜15，壓電振動隔板2產生周期性振動，壓電振動隔板2的周期性振動改變熱源換熱腔體8和冷源換熱腔體11的容積；
（4）工質12在壓電振動隔板2的周期性振動和單向閥7的作用下，在熱源換熱腔體8和冷源換熱腔體11中定向流動，工質12在熱源管路6和冷源管路13中定向循環流動，熱源換熱腔體8中工質的流動方向與冷源換熱腔體11中工質的流動方向相反；
（5）同時，壓電振動隔板2的周期性振動使得工質12在熱源換熱腔體8和冷源換熱腔體11中產生有利於換熱的局部紊流，提高換熱效率；
（6）熱量從熱源4通過工質12在熱源管路6中傳遞到自吸液換熱器1，熱量通過自吸液換熱器1的換熱隔板10傳遞到冷源管路13中的工質，熱量再從冷源管路13中的工質傳遞到散熱元件14，完成換熱。
本實施例在熱源大熱流密度下，實現熱源熱量穩定的傳送到散熱器件上；由於壓電振動隔板的振動，在腔體種造成擾流，該傳熱系統的傳熱效率大大高於同流量下其他流量泵驅動換熱器。
實施例2
採用的傳熱系統中，壓電陶瓷片的厚度為1mm；金屬薄片的厚度為0.5mm；彈性密封薄膜的材料為聚二甲基矽氧烷（PDMS），厚度為2 mm；強化傳熱結構為陣列立柱，立柱截面為圓形，直徑為0.5mm，高度為2mm；散熱元件為翅片和風扇的組合；採用上述一種壓電驅動的自吸液換熱器傳熱系統進行傳熱方法，
（1）將工質12注入並充滿自吸液換熱器1、熱源管路6、冷源管路13，所述工質為乙醇；
（2）將自吸液換熱器1中的壓電陶瓷片17接上交流電源3，交流電源3的波形為矩形波，交流電源3的頻率為500 Hz，交流電,3的電壓為300V；
（3）壓電陶瓷片17在交流電源3的作用下，帶動兩面的金屬薄片16反覆壓縮兩面的彈性密封薄膜15，壓電振動隔板2產生周期性振動，壓電振動隔板2的周期性振動改變熱源換熱腔體8和冷源換熱腔體11的容積；
（4）工質12在壓電振動隔板2的周期性振動和單向閥7的作用下在熱源換熱腔體8和冷源換熱腔體11中定向流動，工質12在熱源管路6和冷源管路13中定向循環流動，熱源換熱腔體8中工質的流動方向與冷源換熱腔體11中工質的流動方向相反；
（5）同時，壓電振動隔板2的周期性振動使得工質12在熱源換熱腔體8和冷源換熱腔體11中產生有利於換熱的局部紊流，提高換熱效率；
（6）熱量從熱源4通過工質12在熱源管路6中傳遞到自吸液換熱器1，熱量通過自吸液換熱器1的換熱隔板10傳遞到冷源管路13中的工質，熱量再從冷源管路13中的工質傳遞到散熱元件14，完成換熱。
本實施例在熱源大熱流密度下，實現熱源熱量穩定的傳送到散熱器件上；由於壓電振動隔板的振動，在腔體種造成擾流，該傳熱系統的傳熱效率大大高於同流量下其他流量泵驅動換熱器。
如上所述便可較好的實現本發明。