專利名稱：一種套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電控的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，屬于換熱、制冷技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著電子科技的不斷發(fā)展，因電子元件的高頻、高速化以及集成電路的密集化與小型化，導(dǎo)致單位容積電子器件的發(fā)熱功率大幅增加，從而使其冷卻問題變得日趨嚴(yán)峻。脈動熱管具有體積小、當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)大、結(jié)構(gòu)簡單、樣式多樣等優(yōu)點，因而作為一種高效散熱元件被廣泛應(yīng)用于電子元器件冷卻領(lǐng)域。脈動熱管由一個毛細管多次穿過蒸發(fā)端以及冷凝端制成，狀如蛇形。毛細管內(nèi)充有工作流體，形成氣塞以及液塞。工作時，管內(nèi)工作流體在蒸發(fā)端蒸發(fā)，在冷凝端冷凝，這將導(dǎo)致毛細管在冷凝端與加熱端產(chǎn)生壓力差，這一壓力差使得工作流體在脈動熱管內(nèi)快速流動。在此過程中由于工作流體的相變以及強制對流作用使熱量有效地從加熱端傳遞到冷凝端。由于脈動熱管的脈動限制，其啟動困難的問題，以及其在低功率條件下的工作不穩(wěn)定，限制了脈動熱管在低功率輸入狀態(tài)下的應(yīng)用。超聲波是指振動頻率較高的物體在介質(zhì)中所產(chǎn)生的彈性波，其頻率范圍為20kHz 10MHz。將大振幅、低頻率的超聲波能量集中，可以使介質(zhì)產(chǎn)生劇烈振動，強化流體流動和傳熱。并且超聲波可以引起空化效應(yīng)?？栈?yīng)是指存在于液體中的微小泡核在超聲波作用下，經(jīng)歷超聲的稀疏相和壓縮相，體積生長、收縮、再生長、再收縮，多次周期行振蕩，最終高速破裂的動力學(xué)過程。實驗測定，泡核內(nèi)溫度高達5200K，壓力高達5. 05 X IO7Pa,泡核周圍極小的空間范圍內(nèi)(泡核液相層厚度為200 300nm)的溫度也可高達1900K。由于這種局部高溫、高壓條件存在的時間極短(小于IOum)，故溫度變化率可高達109K/S，并伴有強烈的沖擊波和時速高達400km/h的微射流，這就為在一般條件下難以實現(xiàn)或不可能實現(xiàn)的物理化學(xué)反應(yīng)提供了一種極端的條件。空化反應(yīng)主要發(fā)生在20kHz IOOOkHz的中頻范圍內(nèi)。壓電陶瓷是一種具有壓電效應(yīng)的材料，是一種能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，屬于無機非金屬材料。壓電陶瓷是超聲振動的驅(qū)動源，通過外加電場控制，壓電陶瓷可產(chǎn)生不同頻率的振動，從而發(fā)出各種不同頻率的聲音，其中就包括超聲波。使用壓電陶瓷制作成超聲波換能器，可以把高頻電能轉(zhuǎn)化為機械能，超聲波換能器作為能量轉(zhuǎn)換器件，它的功能是將輸入的電功率轉(zhuǎn)換成機械功率(即超聲波)再傳遞出去，而它自身消耗很少的一部分功率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，通過一種技術(shù)手段，使脈動熱管的脈動流動和傳熱性能得到控制和強化，降低脈動熱管的脈動限制，并且解決脈動熱管啟動困難的問題；降低脈動熱管的啟動所需要的輸入功率，提高脈動熱管在低功率條件下工作的穩(wěn)定性，解除脈動熱管在低功率輸入下的應(yīng)用限制。此外，控制并強化脈動熱管在正常工作時的傳熱性能。為解決上述問題，本發(fā)明提出以下技術(shù)方案一種套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，包括充有工質(zhì)的脈動熱管，該脈動熱管自下而上依次分為蒸發(fā)區(qū)I，絕熱區(qū)II，冷凝區(qū)III。它的特點是在該脈動熱管I上套有電控壓電陶瓷塊3。
電控壓電陶瓷塊3可以套在所述的蒸發(fā)區(qū)I，也可以套在絕熱區(qū)II或者冷凝區(qū)III。在蒸發(fā)區(qū)I、絕熱區(qū)II、冷凝區(qū)III中套裝的數(shù)量可以根據(jù)需要組合。電控壓電陶瓷塊3上施加的電壓大小可調(diào)?？烧{(diào)電壓范圍為5伏 1000伏。電控壓電陶瓷塊3上施加的電壓頻率可調(diào)。施加的電壓頻率范圍為50Hz 2MHz。施加的電壓頻率最佳范圍為IkHz IOOOkHz。采用了以上技術(shù)方案的套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，與傳統(tǒng)脈動熱管傳熱裝置相比，具有如下優(yōu)點通過控制加載在壓電陶瓷上的電壓的大小和頻率，使壓電陶瓷產(chǎn)生的超聲波的頻率和強度得到控制，從而使脈動熱管的啟動和正常工作時的傳熱性能得到控制。此外，由于壓電陶瓷產(chǎn)生的超聲波和脈動熱管聯(lián)合使用，可以降低脈動熱管的啟動功率，解除脈動熱管在低功率條件下的應(yīng)用限制。采用空化原理還可以降低脈動熱管的傳熱熱阻，強化脈動熱管在正常工作時的傳熱性能。所選用的各種材料普通常見，造價低廉。制作方便，使用簡單。


圖I為本發(fā)明一種套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。從圖I中可以看出，本發(fā)明與普通脈動熱管傳熱裝置一樣設(shè)有脈動熱管1，蒸發(fā)區(qū)I，絕熱區(qū)II，冷凝區(qū)III ;內(nèi)部工質(zhì)2。本發(fā)明與一般常見的脈動熱管不一樣之處在于在蒸發(fā)區(qū)I，絕熱區(qū)II，冷凝區(qū)III處套有電控壓電陶瓷塊3。電控壓電陶瓷塊3也可以在所述的蒸發(fā)區(qū)(I)、絕熱區(qū)(II)、冷凝區(qū)(III)中都有安裝。在各區(qū)域中安裝的數(shù)量可以根據(jù)需要組合。使用電控壓電陶瓷塊3產(chǎn)生超聲波，并將此超聲波引入到脈動熱管I傳熱裝置中，利用超聲波的空化效應(yīng)強化脈動熱管的性能。其特點是通過外加電場控制加載在壓電陶瓷上的電信號的電壓大小和頻率，該電壓的范圍為5V 1000V，該頻率的范圍為50Hz 2MHz，能夠控制壓電陶瓷產(chǎn)生不同強度、不同頻率的超聲波，并利用此超聲波的空化效應(yīng)，控制并強化脈動熱管內(nèi)部工質(zhì)2流動和傳熱性能，以及利用超聲波控制脈動熱管I的啟動及正常工作的傳熱性能。當(dāng)施加的電壓頻率為IkHz IOOOkHz時，所產(chǎn)生的超聲波對脈動熱管脈動流動和傳熱的控制和強化作用最為顯著。脈動熱管I的材質(zhì)可采用銅、鋁、碳鋼、不銹鋼、合金鋼以及其他金屬，也可以采用陶瓷，玻璃或者塑料等非金屬材料。脈動熱管I的形狀可為閉環(huán)管式脈動熱管，開環(huán)管式脈動熱管等。脈動熱管I的通道彎數(shù)可以根據(jù)實際需要確定，可以為單管或多管。脈動熱管I的橫截面可以是標(biāo)準(zhǔn)圓形，也可以是橢圓形，以及正方形、矩形、扁平形、波紋形等。脈動熱管I內(nèi)部充灌工質(zhì)2可為水，也可為酒精，丙酮，甲醇，氟代烴等化合物以及各種納米流體，微米流體等。壓電陶瓷塊3的材料可以是鈣鈦礦型壓電陶瓷材料，如鈦酸鉛(PbTi03)，也可以是二元系PbZr03-PbTi03壓電陶瓷(簡稱PZT)和三元系鈣鈦礦型壓電陶瓷等。對于管式脈動熱管，壓電陶瓷塊3的形狀滿足其內(nèi)環(huán)尺寸可環(huán)套于與之匹配的脈動熱管外壁即可。壓電陶瓷塊3外周邊形狀不限，圓形、方形均可，而厚薄可根據(jù)需要決定。
權(quán)利要求
1.一種套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，包括充有工質(zhì)(2)的脈動熱管(1)，該脈動熱管(I)自下而上依次分為蒸發(fā)區(qū)(I)，絕熱區(qū)(II)，冷凝區(qū)(III)，其特征在于在該脈動熱管(I)上套有電控壓電陶瓷塊(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，其特征在于電控壓電陶瓷塊(3)套在所述的蒸發(fā)區(qū)(I)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，其特征在于電控壓電陶瓷塊(3)套在所述的絕熱區(qū)(II)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，其特征在于電控壓電陶瓷塊(3)套在所述的冷凝區(qū)(III)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，其特征在于電控壓電陶瓷塊(3)在所述的蒸發(fā)區(qū)(I)、絕熱區(qū)(II)、冷凝區(qū)(III)中都套有。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至此5中任一項所述的套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，其特征在于電控壓電陶瓷塊(3)在所述的蒸發(fā)區(qū)(I)，絕熱區(qū)(II)，冷凝區(qū)(III)各區(qū)域中套有的數(shù)量可以根據(jù)需要組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項所述的套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，其特征在于所述的電控壓電陶瓷塊(3)上施加的電壓可調(diào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，其特征在于所述的電控壓電陶瓷塊(3)上施加的電壓范圍為5伏 1000伏。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項所述的套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，其特征在于所述的電控壓電陶瓷塊(3)上施加的電壓頻率可調(diào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，其特征在于所述的電控壓電陶瓷塊⑶上施加的電壓頻率范圍為50Hz 2MHz。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，其特征在于所述的電控壓電陶瓷塊⑶上施加的電壓頻率最佳范圍為IkHz 1000kHz。
12.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項所述的套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，其特征在于電控壓電陶瓷塊(3)的內(nèi)環(huán)與脈動熱管(I)外壁之間為滑動配合間隙。
13.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項所述的套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，其特征在于電控壓電陶瓷塊(3)的材質(zhì)為鈣鈦礦型壓電陶瓷。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，其特征在于電控壓電陶瓷塊(3)的材質(zhì)為鈦酸鉛(PbTi03)。
15.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項所述的套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，其特征在于電控壓電陶瓷塊(3)的材質(zhì)為二元系PbZr03-PbTi03壓電陶瓷(簡稱PZT)。
16.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項所述的套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，其特征在于電控壓電陶瓷塊(3)的材質(zhì)為三元系鈣鈦礦型壓電陶瓷。
全文摘要
一種套有電控壓電陶瓷塊的脈動熱管傳熱系統(tǒng)，包括充有工質(zhì)2的脈動熱管1。該脈動熱管1自下而上依次分為蒸發(fā)區(qū)I，絕熱區(qū)II，冷凝區(qū)III。它的特點是在脈動熱管1上套有電控壓電陶瓷塊3。電控壓電陶瓷塊3上施加的電壓大小可調(diào)，頻率可調(diào)。這種脈動熱管傳熱系統(tǒng)優(yōu)點如下通過控制加載在壓電陶瓷上電壓的大小和頻率，使壓電陶瓷產(chǎn)生不同頻率和強度的超聲波，從而控制脈動熱管的啟動和正常工作時的傳熱性能。降低脈動熱管的啟動功率，解除脈動熱管在低功率條件下的應(yīng)用限制。采用空化原理降低脈動熱管的傳熱熱阻，強化脈動熱管在正常工作時的傳熱性能。所用的材料普通常見，造價低廉。制作方便，使用簡單，具有較強的現(xiàn)實可操作性和應(yīng)用前景。
文檔編號F28D15/04GK102620586SQ20121009700
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者趙楠楠, 趙殿禮, 馬鴻斌 申請人:大連海事大學(xué)