多孔表面沸騰換熱強化裝置及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種多孔表面沸騰換熱強化裝置及其制備方法。該多孔表面沸騰換熱強化裝置。該多孔表面沸騰換熱強化裝置包括：換熱強化裝置本體；多條散熱溝槽，位于換熱強化裝置本體的外表面；若干個相互分離的微肋，位于相鄰兩排散熱溝槽之間，由形狀記憶合金材料制備，該些微肋經過訓練，呈現以下兩種狀態(tài)：在預設溫度以下，該些微肋呈傾斜狀態(tài)，覆蓋于散熱溝槽的上部，該散熱溝槽轉換為多孔溝槽；在預設溫度以上，該些微肋呈翹起狀態(tài)，散熱溝槽上部全部或部分打開，該散熱溝槽轉換為敞口溝槽。該多孔表面沸騰換熱強化裝置不但可以提高能源利用效率，還能夠將發(fā)熱器件的溫度控制在較低的溫度，提高設備的穩(wěn)定性和可靠性。
【專利說明】多孔表面沸騰換熱強化裝置及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及制冷、化工、航天等行業(yè)的先進熱管理技術，尤其涉及一種多孔表面沸騰換熱強化裝置及其制備方法。
【背景技術】
[0002]在能量的利用和傳遞過程中，傳熱強化對于提高整個系統的效率、降低設備費用具有至關重要的意義，沸騰換熱作為代表性的高效換熱技術，在制冷、化工、能源動力行業(yè)的換熱器，航空航天及電子設備的冷卻中具有非常廣泛的應用。自20世紀中葉以來，人們研發(fā)了各種強化沸騰傳熱的技術，而多孔表面微細結構被認為是最有效的沸騰換熱強化技術，成為提高換熱設備效率促進工業(yè)企業(yè)節(jié)能減排的關鍵手段之一。
[0003]目前商用化的典型多孔表面強化換熱結構如圖1所示，多孔結構可用多種方法制造，如機加工多孔表面、燒結多孔表面、噴涂多孔表面等等。表面多孔結構可以提供人工汽化核心，并大幅度提高傳熱面積，從而成倍地提高沸騰換熱系數。以圖2A中的Thermoexcel-E多孔表面為例，多孔層形成許多微細通道，通道與外表面通過很多小孔連通，微通道和小孔的尺寸約0.5_左右。當壁面與液體的溫差(也叫過熱度)增加到一定程度后，通道內殘留的汽核首先產生汽泡，汽泡在通道內長大時迅速向充液區(qū)流動并排開液體，形成相互連通的長汽柱，蒸汽和壁面之間形成一層液膜。長大后的汽泡從一些氣孔排出，伴隨汽泡的排出，通道內壓力降低，液體從其它小孔被吸入，以補充蒸發(fā)掉的液膜。由于液膜蒸發(fā)具有高性能的吸熱能力，正常的吸液-蒸發(fā)(suction-evaporation)換熱模式具有比普通表面高出3-10倍的換熱系數。
[0004]但是正常的吸液-蒸發(fā)換熱模式與加熱條件有關，熱流密度較小時處于泛液(flooding)模式，這時，只有少數孤立的汽泡產生，蒸汽壓力不足以排開通道內的液體，大部分通道和氣孔被液體充滿，傳熱能力較弱。而當熱流密度超過一定的范圍時，發(fā)泡點過多，通道內的蒸汽壓力過大，外界液體無法通過不發(fā)泡小孔注入通道，內壁液膜蒸干，這時的傳熱處于蒸干(dryout)模式。蒸干模式的出現對多孔表面的換熱強化效果不利，通常會使換熱器的換熱系數明顯降低，壁面過熱度迅速升高，在航空航天和電子器件的冷卻應用中甚至導致電子器件燒毀。
[0005]圖2B比較了幾種典型多孔表面的沸騰換熱性能，可以看出，通道與外表面靠小孔或極細縫隙連通的微結構，在小過熱度下具有更好的強化換熱能力，而在大過熱度下強化效果迅速下降。這是因為，內外不暢通的微結構有助于產生和保留汽核，利于汽泡成長，而在大溫差下，由于液體的內外流動阻力大，容易發(fā)生蒸干。反之，以翅片式表面(pin fin)和GEWA-TW為代表的大開口式微結構，在小過熱度下強化效果不明顯，而適應大過熱度的能力卻很強。
[0006]現有的沸騰換熱強化多孔表面主要采用普通金屬材料制造(如銅、鋁)，微細結構的尺寸是按照預先設定的熱負荷、使用環(huán)境等因素進行優(yōu)化設計決定的，一旦設計完成，換熱表面的微結構就是確定的尺寸和形狀。這種多孔表面只在很窄的熱流負荷或溫差范圍內具有較高的強化效果。小熱流負荷下強化效果好的多孔表面在大熱流密度下易于發(fā)生蒸干，導致傳熱效果惡化；大熱流負荷下強化效果較好的多孔表面，在小熱流負荷下不能形成足夠的汽化核心，強化效果較弱?？傊?，現有多孔表面由于結構不可變無法兼顧大熱流和小熱流下的沸騰強化效果，工作范圍窄，影響換熱設備的可靠性和穩(wěn)定性。

【發(fā)明內容】

[0007](一 )要解決的技術問題
[0008]鑒于上述技術問題，本發(fā)明提供了一種采用形狀記憶合金材料的多孔表面沸騰換熱強化裝置及其制備方法，以解決原有多孔表面一旦加工完成，形狀就固定不變，表面微結構不能根據熱流負荷的大小進行調整的技術缺陷。
[0009]( 二 )技術方案
[0010]根據本發(fā)明的一個方面，提供了一種多孔表面沸騰換熱強化裝置。該多孔表面沸騰換熱強化裝置包括:換熱強化裝置本體；多條散熱溝槽，位于換熱強化裝置本體的外表面；若干個相互分離的微肋，位于相鄰兩排散熱溝槽之間，由形狀記憶合金材料制備，該些微肋經過訓練，呈現以下兩種狀態(tài):在預設溫度以下，該些微肋呈傾斜狀態(tài)，覆蓋于散熱溝槽的上部，該散熱溝槽轉換為多孔溝槽；在預設溫度以上，該些微肋呈翹起狀態(tài)，散熱溝槽上部全部或部分打開，該散熱溝槽轉換為敞口溝槽。
[0011]優(yōu)選地，本發(fā)明多孔表面沸騰換熱強化裝置中，相鄰兩排散熱溝槽之間同一排的若干個微肋呈圓弧鋸齒狀，微肋的縱剖面呈“ gamma ”字型或“7”字型。
[0012]優(yōu)選地，本發(fā)明多孔表面沸騰換熱強化裝置中，微肋在傾斜狀態(tài)下，兩排微肋之間的縫隙小于IOym;在翹起狀態(tài)下，兩排微肋之間的縫隙介于相鄰兩排散熱溝槽間距D的50~80%之間。
[0013]優(yōu)選地，本發(fā)明多孔表面沸騰換熱強化裝置中，相鄰兩排散熱溝槽的間距D介于1mm~1.5mm之間；微肋頂端距離溝槽底部的高度H大于D ;微肋的厚度W介于0.25mm~0.5mm之間，圓弧鋸齒半徑Φ 0.25mm~Φ0.5mm。
[0014]優(yōu)選地，本發(fā)明多孔表面沸騰換熱強化裝置中，微肋的縱剖面呈“Y”字型；在預設溫度以下，微型肋處于大角度Y字形狀態(tài)，內外出口較?。辉陬A設溫度以上，微型肋變成小角度Y字形，出口變大。
[0015]優(yōu)選地，本發(fā)明多孔表面沸騰換熱強化裝置中，換熱強化裝置本體與微肋均由形狀記憶合金材料制備。
[0016]優(yōu)選地，本發(fā)明多孔表面沸騰換熱強化裝置中，形狀記憶合金材料為以下材料中的一種:鎳鈦形狀記憶合金、鐵系形狀記憶合金、銅鎳系形狀記憶合金、銅鋁系形狀記憶合金和銅鋅系形狀記憶合金。
[0017]優(yōu)選地，本發(fā)明多孔表面沸騰換熱強化裝置中，換熱強化裝置本體為冷熱流體熱交換管道，其內部供熱流體工質流通，其外部為冷流體工質。
[0018]優(yōu)選地，本發(fā)明多孔表面沸騰換熱強化裝置中，換熱強化裝置本體為板狀基體；該板狀基體的上表面作為其外表面加工有散熱溝槽和微肋，其下表面與發(fā)熱器件貼合。
[0019]根據本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種制備多孔表面沸騰換熱強化裝置的方法，該方法包括:步驟A，在形狀記憶合金材料的換熱強化裝置本體外表面通過切削加工，刻出散熱溝槽；步驟B，在換熱強化裝置本體表面通過切削加工，在與散熱溝槽正交的方向切出第二類溝槽，該第二類溝槽的深度小于散熱溝槽的深度，從而在換熱強化裝置本體表面布滿鋸齒狀微肋；步驟C，對鋸齒狀微肋進行滾軋訓練，使其在預設溫度以下時，處于傾斜狀態(tài)，覆蓋于散熱溝槽的上部，該散熱溝槽轉換為多孔溝槽；在預設溫度以上時，微肋呈翅起狀態(tài)，散熱溝槽上部全部或部分打開，該散熱溝槽轉換為敞口溝槽。
[0020](三)有益效果
[0021]本發(fā)明多孔表面沸騰換熱強化裝置采用形狀記憶合金材料代替目前普遍使用的銅或鋁等材料，在形狀記憶合金材料的表面加工毫米量級的多孔結構，底層的微細通道經由微縫隙或微孔與外表面聯通，經過對形狀記憶合金的訓練，使內外連通通道部分能夠在某一溫度下發(fā)生形變。這種根據熱流密度和溫度進行形狀調整的多孔表面微細結構更利于工質的取熱，提高了多孔表面的沸騰換熱能力，減小傳熱的過熱度，不但可以提高能源利用效率，還能夠將發(fā)熱器件的溫度控制在較低的溫度，提高設備的穩(wěn)定性和可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為現有技術多孔表面強化換熱結構的示意圖；
[0023]圖2A為現有技術Thernoexcel-E多孔表面在不同沸騰換熱模式下散熱的示意圖；
[0024]圖2B為現有技術典型多孔表面沸騰換熱性能的曲線圖；
[0025]圖3為根據本發(fā)明實施例多孔表面沸騰換熱強化裝置的結構示意圖；
[0026]圖4A和圖 4B為圖3所示多孔表面沸騰換熱強化裝置中微肋處于傾斜狀態(tài)和翹起狀態(tài)的示意圖；
[0027]圖5A和圖5B為根據本發(fā)明另一實施例多孔表面沸騰換熱強化裝置中微肋處于傾斜狀態(tài)和翅起狀態(tài)的不意圖；
[0028]圖6為制備圖3所示多孔表面沸騰換熱強化裝置的流程圖。
[0029]【主要元件】
[0030]100-換熱強化裝置本體 101-散熱溝槽
[0031]102-多孔溝槽；103-微肋；
[0032]104-淺溝槽；200-冷流體工質；
[0033]300-氣泡；400-熱流體工質。
【具體實施方式】
[0034]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示范，但應了解，參數無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0035]本發(fā)明將采用形狀記憶合金材料加工形狀可變的多孔表面，使微結構可以隨著加熱條件的變化而自適應調節(jié)，在熱流負荷較小時(IO4~105W/m2)的情況下，內外流動通道較窄小，有利于微通道內部形成穩(wěn)定的汽核，從而在3~5°C的較低過熱度下促進汽泡產生和微液膜蒸發(fā)，提高換熱系數。而當熱流負荷很大時(IO5~106W/m2)，微結構的變形使通道變大變寬，改善了微通道內外的汽液流動和交換，從而避免沸騰換熱性能的惡化，防止發(fā)生大的溫度波動和設備過熱燒壞。
[0036]在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種多孔表面沸騰換熱強化裝置。圖3為根據本發(fā)明實施例多孔表面沸騰換熱強化裝置的結構示意圖。請參照圖3，本實施例多孔表面沸騰換熱強化裝置包括:換熱強化裝置本體100 ;多條散熱溝槽101，位于換熱強化裝置本體100的外表面；若干個相互分離的微肋103，位于相鄰兩排散熱溝槽之間，至少該若干個微肋由形狀記憶合金材料經過訓練制備:在預設溫度以下，該微肋呈傾斜狀態(tài)，覆蓋于散熱溝槽的上部，該散熱溝槽轉換為多孔溝槽102，如圖4A所示；在預設溫度以上，該微肋呈翅起狀態(tài)，散熱溝槽上部全部或部分打開，該散熱溝槽轉換為敞口溝槽，如圖4B所示。
[0037]以下對本實施例多孔表面沸騰換熱強化裝置的各個組成部分進行詳細說明。[0038]請參照圖3，本實施例中，換熱強化裝置本體100為圓管狀的冷熱流體熱交換管道，其內部供熱流體工質400流通，其外部為冷流體工質200，但本發(fā)明并不以圓管狀冷熱流體熱交換管道為限。熱流體管道的橫截面也可是長方形、梯形等形狀。
[0039]此外，該換熱強化裝置本體還可以為板狀基體，該板狀基體的上表面加工上述的散熱溝槽和微肋，該板狀基體的下表面作為傳熱表面，通過導熱硅脂粘結、或焊接的方式直接與發(fā)熱器件結合，形成各種CPU等大功率電子器件的熱沉式傳熱裝置。
[0040]冷流體工質200的主要作用是通過工質的沸騰和液膜蒸發(fā)等作用吸收高溫流體工質400或發(fā)熱器件熱量，達到散熱效果，根據此要求，冷流體工質一般選用具有較高汽化潛熱、對環(huán)境無污染、成本較低的物質，如水、乙醇或氟利昂等。
[0041]熱流體工質400的主要作用是攜帶熱源的熱量，流經多孔表面管內并將熱量傳給多孔表面。它可以是水、氟利昂等液態(tài)或兩相混合工質，也可以是氣體工質。
[0042]本實施例中，整個熱流體管道均由鎳鈦形狀記憶合金制備，但本發(fā)明并不以此為限，其他的形狀記憶合金材料，例如:鐵系形狀記憶合金、銅鎳系形狀記憶合金、銅鋁系形狀記憶合金、銅鋅系形狀記憶合金等等也可以應用到本發(fā)明中。需要說明的是，對于上述形狀記憶合金的每一種，合金中相應組分和含量均為已知的。由于本發(fā)明只是涉及利用形狀記憶合金來加工，而未涉及形狀記憶合金材料的任何改變，此處不再對各種形狀記憶合金材料的成分進行詳細說明(詳細請參考http://baike.baidu.com/1 ink?url=pRw7MEJKRj_qfBYlY7hp_p_RkEV-TVvBTs ku3k7KMC-SVmCPCk_QWU8EvQ_3ElR9)。
[0043]請參照圖4A和圖4B，本實施例中，微肋的縱剖面呈“ r ”字型。相鄰兩排散熱溝槽之間的若干個微肋103呈鋸齒狀。兩排散熱溝槽的間距D(包含微肋的厚度)在Imm~
1.5mm之間。微肋頂端距離溝槽底部的高度H大于D,介于Imm~2mm之間,微肋的厚度W介于0.25mm~0.5mm之間，鋸齒圓弧半徑Φ介于0.25~0.5mm之間。微肋在傾斜狀態(tài)下，兩排微肋之間的縫隙S小于10um。微肋在翹起狀態(tài)下，兩排微肋之間的縫隙S介于間距D的50~80%之間。
[0044]對于圖4A和圖4B所示的微肋，其是由形狀記憶合金經碾壓訓練制備而成的。對形狀記憶合金進行碾壓訓練的方法對本領域技術人員而言是公知的，此處不再贅述。此外，形狀記憶合金的變形溫度可以根據具體的發(fā)熱器件的熱流密度和溫度控制要求進行選擇，可以通過改變形狀合金的材料配比實現，此處也不再詳細說明。
[0045]本實施例中，微肋的縱剖面“ gamma ”字型，但本發(fā)明并不以此為限，微肋的縱剖面還可以為“7”字型或其他形狀。在本發(fā)明的另一個實施例中，微肋的縱剖面呈“Y”字型。在預設溫度以下，即低熱流密度條件下，微型肋處于大角度Y字形狀態(tài)，內外出口較小，如圖5A所示；在預設溫度以上，即熱流密度較高時，微型肋變成小角度Y字形，出口變大，如圖5B所
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[0046]以下介紹利用形狀記憶合金材料制備圖4A和圖4B所示多孔表面沸騰換熱強化裝置的方法。圖6為制備圖3所示多孔表面沸騰換熱強化裝置的流程圖。請參照圖6，該方法包括:
[0047]步驟A，在形狀記憶合金材料的換熱強化裝置本體外表面通過切削加工，在表面刻出較深的溝槽101 ；
[0048]步驟B，在換熱強化裝置本體表面通過切削加工，在溝槽101正交的方向切出較淺的溝槽104，使在換熱強化裝置本體表面布滿鋸齒狀微肋103 ；
[0049]步驟C，對微肋103進行滾軋訓練，使其在80~120°C以下的溫度范圍內處于如圖4A所示的傾斜狀態(tài)，當記憶合金處在120°C以上的溫度時，微肋翹起，處于圖4B所示的形狀。
[0050]以下本實施例多孔表面沸騰換熱強化裝置的工作方法。請參照圖3、圖4A和圖4B，該工作方法包括:
[0051]步驟S101，將具有這種形狀記憶合金多孔微結構的傳熱管浸入冷流體工質200液池內，管內有熱流體工質400流動，熱量由熱流體400通過多孔表面100傳給冷流體工質200，多孔表面在一定的過熱度下進入沸騰換熱狀態(tài)；
[0052]步驟S102，當熱流負荷較小時，表面微結構處于圖4A的狀態(tài)，封閉的微通道101內比較容易形成汽化核心，促進沸騰汽泡300的產生，使多孔表面快速進入正常的傳熱狀態(tài)；
[0053]步驟S103，隨著熱流負荷的增大，壁面溫度升高到120°C以上時，發(fā)生圖4B所示的變形，微肋之間的縫隙變大，以改善微通道和液池之間的汽液流動條件，避免微通道內液膜的蒸干，使多孔表面繼續(xù)保持良好的沸騰換熱性能。
[0054]至此，已經結合附圖對本發(fā)明兩實施例進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員應當對本發(fā)明多孔表面沸騰換熱強化裝置有了清楚的認識。
[0055]此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術 人員可對其進行簡單地更改或替換。
[0056]綜上所述，本發(fā)明根據形狀記憶合金加熱到一定的溫度時，可以改變形狀，當溫度下降時，又恢復原有形狀的記憶效應，提供了一種多孔表面沸騰換熱強化裝置，實現微細結構的形狀或尺寸能夠在不同的熱流密度條件下發(fā)生形變，從而更好地適應高換熱系數的要求，由此提高沸騰換熱傳熱器件的效率、可靠性和穩(wěn)定性，在制冷、化工、能源動力行業(yè)的換熱器，航空航天及大功率電子設備的冷卻技術中具有廣闊的應用前景。
[0057]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種多孔表面沸騰換熱強化裝置，其特征在于，包括: 換熱強化裝置本體； 多條散熱溝槽，位于所述換熱強化裝置本體的外表面；以及 若干個相互分離的微肋，位于相鄰兩排散熱溝槽之間，由形狀記憶合金材料制備，該些微肋經過訓練，呈現以下兩種狀態(tài): 在預設溫度以下，該些微肋呈傾斜狀態(tài)，覆蓋于所述散熱溝槽的上部，該散熱溝槽轉換為多孔溝槽； 在預設溫度以上，該些微肋呈翹起狀態(tài)，所述散熱溝槽上部全部或部分打開，該散熱溝槽轉換為敞口溝槽。
2.根據權利要求1所述的多孔表面沸騰換熱強化裝置，其特征在于，相鄰兩排散熱溝槽之間同一排的若干個微肋呈圓弧鋸齒狀，所述微肋的縱剖面呈“ ”字型或“7”字型。
3.根據權利要求2所述的多孔表面沸騰換熱強化裝置，其特征在于，所述微肋在傾斜狀態(tài)下，兩排微肋之間的縫隙S小于10 μ m ;在翹起狀態(tài)下，兩排微肋之間的縫隙介于相鄰兩排散熱溝槽間距D的50~80%之間。
4.根據權利要求2所述的多孔表面沸騰換熱強化裝置，其特征在于，相鄰兩排散熱溝槽的間距D介于Imm~1.5mm之間；微肋頂端距離溝槽底部的高度H大于D ;微肋的厚度W介于0.25mm~0.5mm之間，圓弧鋸齒半徑Φ介于0.25mm~0.5mm之間。
5.根據權利要求2所述的多孔表面沸騰換熱強化裝置，其特征在于，所述微肋的縱剖面呈“Y”字型； 在預設溫度以下，微型肋處于大角度Y字形狀態(tài)，內外出口較?。? 在預設溫度以上，微型肋變成小角度Y字形，出口變大。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的多孔表面沸騰換熱強化裝置，其特征在于，所述換熱強化裝置本體與所述微肋均由形狀記憶合金材料制備。
7.根據權利要求1至5中任一項所述的多孔表面沸騰換熱強化裝置，其特征在于，所述形狀記憶合金材料為以下材料中的一種:鎳鈦形狀記憶合金、鐵系形狀記憶合金、銅鎳系形狀記憶合金、銅鋁系形狀記憶合金和銅鋅系形狀記憶合金。
8.根據權利要求1至5中任一項所述的多孔表面沸騰換熱強化裝置，其特征在于，所述換熱強化裝置本體為冷熱流體熱交換管道，其內部供熱流體工質流通，其外部為冷流體工質。
9.根據權利要求1至5中任一項所述的多孔表面沸騰換熱強化裝置，其特征在于，所述換熱強化裝置本體為板狀基體； 該板狀基體的上表面作為其外表面加工有所述散熱溝槽和微肋，其下表面與發(fā)熱器件貼合。
10.一種制備多孔表面沸騰換熱強化裝置的方法，其特征在于，包括: 步驟A，在形狀記憶合金材料的換熱強化裝置本體外表面`通過切削加工，刻出散熱溝槽； 步驟B，在換熱強化裝置本體表面通過切削加工，在與散熱溝槽正交的方向切出第二類溝槽，該第二類溝槽的深度小于散熱溝槽的深度，從而在換熱強化裝置本體表面布滿鋸齒狀微肋；以及步驟C，對鋸齒狀微肋進行滾軋訓練，使其在預設溫度以下時，處于傾斜狀態(tài)，覆蓋于所述散熱溝槽的上部，該散熱溝槽轉換為多孔溝槽；在預設溫度以上時，微肋呈翹起狀態(tài)，所述散熱溝槽上部 全部或部分打開，該散熱溝槽轉換為敞口溝槽。
【文檔編號】F28D21/00GK103822519SQ201410050388
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月13日 優(yōu)先權日:2014年2月13日
【發(fā)明者】姜玉雁, 王濤, 唐大偉 申請人:中國科學院工程熱物理研究所