本發(fā)明涉及微通道換熱器應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種非浸潤多相流的微通道換熱器系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著微電子機(jī)械和納米器件在電子生物等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，高集成度微電子器件及超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)和熱控制成為技術(shù)發(fā)展和突破的關(guān)鍵問題。微通道換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、比表面積大、換熱效率高等應(yīng)用特點(diǎn)，在上述芯片以及常規(guī)空調(diào)、制冷等行業(yè)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

在微尺度條件下，流體基本處于層流流動(dòng)，流體徑向混合僅依賴分子擴(kuò)散，對于液相流體，這種分子擴(kuò)散異常緩慢。為了增強(qiáng)微通道內(nèi)徑向交混，對單相對流傳熱主要通過對流體進(jìn)行擾動(dòng)，破壞內(nèi)部流體邊界層的方式進(jìn)行，如CN203349670采用蛇形通道的被動(dòng)式破壞方式，CN104154798采用連續(xù)的環(huán)形微通道利用離心力強(qiáng)化換熱。另外一種方式則是在通道內(nèi)同時(shí)輸入兩種或多種非浸潤的氣體或液體，形成多相流動(dòng)。由于特征尺寸的降低，多相間的界面力相對于重力占有主導(dǎo)地位，因此，多相流能在微通道形成穩(wěn)定的流動(dòng)形態(tài)，這些流動(dòng)形態(tài)主要包括：泡狀流、彈狀流、環(huán)狀流等，其中又以彈狀流為最主要的流動(dòng)形態(tài)，能夠在較廣的多相流流速范圍能形成；這種流動(dòng)形態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，軸向混合顯著，氣泡(液滴)內(nèi)部能形成循環(huán)流動(dòng)，顯著的增強(qiáng)了傳質(zhì)傳熱效率，是微通道內(nèi)多相流的主要流形態(tài)。研究表明，微通道中多相流體間的傳質(zhì)傳熱作用可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。

目前微通道內(nèi)彈狀非浸潤多相流一般都是開放式設(shè)計(jì)，即多相流體從一端流入，另一端流出。在微反應(yīng)器或微換熱器中，微通道進(jìn)出口分別設(shè)計(jì)有分流管和集流管，用于多相流體的混合和收集，管道內(nèi)流體采用進(jìn)出口壓差驅(qū)動(dòng)，這種設(shè)計(jì)方式導(dǎo)致多相流體流過微通道后難以進(jìn)行分離和回收，壓力驅(qū)動(dòng)的方式也限制了其使用區(qū)域，整體換熱系統(tǒng)比較復(fù)雜，限制了其應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種微通道換熱器系統(tǒng)，以達(dá)到使其能夠有效利用微通道內(nèi)多相流強(qiáng)化換熱機(jī)理，又能使得多相流在微通道內(nèi)能循環(huán)流動(dòng)，無需多相分離，并避免壓力驅(qū)動(dòng)所需的復(fù)雜系統(tǒng)和接口的目的。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種微通道換熱器系統(tǒng)，包括封閉式的流動(dòng)通道，設(shè)置在冷源和熱源之間用于傳熱，所述流動(dòng)通道內(nèi)設(shè)置有兩相或多相流體，所述多相流體之間非浸潤，所述多相流體中至少有一種為磁流體；所述流動(dòng)通道的外沿程設(shè)置有磁體，通過所述磁力驅(qū)動(dòng)磁流體，帶動(dòng)所述流動(dòng)通道內(nèi)多相流體循環(huán)流動(dòng)。

進(jìn)一步地，所述流動(dòng)通道橫截面特征尺寸為毫米或微米級(jí)，其橫截面的形狀包括圓形、橢圓形、方形或多邊形。由于流動(dòng)通道特征尺寸較小，單位體積多相流體受到的相間界面力顯著的大于受到的重力，因此該系統(tǒng)不受布置方向的影響。

進(jìn)一步地，所述多相流體的流動(dòng)形態(tài)為泡狀流或彈狀流。多相流體可以是濕潤型，也可以是燒干型。

進(jìn)一步地，所述多相流體為氣體、液體或液態(tài)金屬。

進(jìn)一步地，所述多相流體中的一相或多相直接與流動(dòng)通道內(nèi)壁相接觸。

進(jìn)一步地，多相流體包括有分散相或連續(xù)相，所述磁流體可根據(jù)需要設(shè)定為分散相或連續(xù)相，使其更加適用于該系統(tǒng)。

進(jìn)一步地，所述磁體為一個(gè)或多個(gè)永磁體。

進(jìn)一步地，所述磁體為一個(gè)或多個(gè)電磁體，并配有控制電路。

進(jìn)一步地，所述磁體的磁場與流動(dòng)通道的夾角范圍為0-180^o。

本系統(tǒng)可利用磁流體在外磁場下由溫度差導(dǎo)致的熱磁效應(yīng)為驅(qū)動(dòng)力，在這種情況下系統(tǒng)無需外部動(dòng)力輸入，亦無動(dòng)力部件，且驅(qū)動(dòng)力大小與冷熱源溫差成正比，能夠形成一個(gè)“正反饋”，即冷熱源溫差越大、通道內(nèi)磁流體驅(qū)動(dòng)力越大、通道內(nèi)流動(dòng)速度越快、換熱越快。

本系統(tǒng)也可使用流動(dòng)通道外沿程設(shè)置的一個(gè)或多個(gè)電磁體，電磁體線圈與控制電路連接，通過分析確定通道內(nèi)磁流體的位置，并接通相應(yīng)位置的電磁線圈產(chǎn)生磁力吸引磁流體，由此驅(qū)動(dòng)多相流在流動(dòng)通道內(nèi)的流動(dòng)。

本系統(tǒng)能夠充分利用微通道內(nèi)多相流流動(dòng)對管道內(nèi)流體的徑向擾動(dòng)，通過改變磁體的設(shè)置，可以被動(dòng)或主動(dòng)的驅(qū)動(dòng)多相流的循環(huán)流動(dòng)，有效的提高傳熱效率，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。

附圖說明

圖1為微通道換熱器系統(tǒng)示意圖；

圖2(a)為本實(shí)施例的微通道內(nèi)泡狀流示意圖；

圖2(b)為本實(shí)施例的微通道內(nèi)彈狀流示意圖；

圖3(a)為本實(shí)施例的微通道內(nèi)濕潤型流體強(qiáng)化換熱原理圖；

圖3(b)為本實(shí)施例的微通道內(nèi)燒干型流體強(qiáng)化換熱原理圖；

圖4為本實(shí)施例的磁場熱磁效應(yīng)驅(qū)動(dòng)原理圖；

圖5為本實(shí)施例的電磁體驅(qū)動(dòng)原理圖。

其中：

1-流動(dòng)通道；2-分散流體；3-連續(xù)流體；4-熱源；5-冷源；6-永磁體；7-電磁體；8-磁流體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。

參見附圖1，本實(shí)施例的一種微通道換熱器系統(tǒng)，包括封閉式的流動(dòng)通道1，流動(dòng)通道1設(shè)置在冷源5和熱源4之間用于傳熱，流動(dòng)通道1可以采用銅管、鋁管、石英管等，還可采用在硅基上刻蝕而形成；流動(dòng)通道1內(nèi)封閉有兩相流體或多相流體，多相流體之間非浸潤，其根據(jù)實(shí)際需要可以為氣體、液體或液態(tài)金屬；非浸潤的多相流體的流動(dòng)形態(tài)為泡狀流或彈狀流。多相流體中僅有一相與流動(dòng)通道1的內(nèi)壁面直接接觸時(shí)，直接接觸的流體形成連續(xù)相3，非直接接觸的流體形成分散相2，分散相2被連續(xù)相3隔開，形成相互間隔的氣泡或液柱,分散相2與內(nèi)壁面之間有一層連續(xù)相3的液膜，這種情況稱之為“濕潤型Wetting”。多相流體也可以是多相均與流動(dòng)通道1的內(nèi)壁面直接接觸，這種情況稱之為“燒干型Dryout”，此時(shí)，相與相之間都隔開，系統(tǒng)僅存在分散相2,沒有連續(xù)相3。多相流體中至少有一種為磁流體，磁流體可以為分散相2，也可以是連續(xù)相3。

流動(dòng)通道1外設(shè)置有用作驅(qū)動(dòng)源的永磁體6，永磁體6用于為流動(dòng)通道1內(nèi)的磁流體提供穩(wěn)定的磁場。永磁體6的磁場強(qiáng)度、在流動(dòng)通道1的軸向位置，以及永磁體6的外磁場與流動(dòng)通道1間的夾角等設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)根據(jù)冷熱源4/5溫差以及流動(dòng)通道1的實(shí)際布置需要進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)溫度場和磁場的協(xié)同，以便提供更優(yōu)的驅(qū)動(dòng)力方案。

流動(dòng)通道1橫截面特征尺寸根據(jù)多相流流體類型及其界面力大小設(shè)置為毫米或微米級(jí)，此時(shí)多相流系統(tǒng)界面力較重力更為重要，流動(dòng)形態(tài)穩(wěn)定且基本與重力方向無關(guān)。流動(dòng)通道1根據(jù)換熱效率和實(shí)際需要，可以采用不同的截面形狀，包括但不限于圓形、橢圓形、方形、梯形、多邊形等；流動(dòng)通道1的整體形狀可以根據(jù)冷熱源位置和實(shí)際需要，綜合考慮流動(dòng)阻力和換熱效率，靈活設(shè)計(jì)成任意形狀。

本發(fā)明的換熱器主要的應(yīng)用是用于微型換熱器的換熱單元，也可應(yīng)用于化工行業(yè)、微型智能分析儀μ-TAS、Lab-on-Chip等微型反應(yīng)器中。為了評(píng)估界面力影響的尺度與流動(dòng)通道特征尺寸大小對應(yīng)關(guān)系，一般根據(jù)兩者的比值N_conf進(jìn)行確定，以微通道內(nèi)氣液兩相流為例：

$N_{conf}=\frac{\sqrt{\frac{\mathrm{\σ}}{g({\mathrm{\ρ}}_L-{\mathrm{\ρ}}_G)}}}{D}$

式中σ為相界面力，ρ_G和ρ_L分別為氣液相的密度，D為當(dāng)量特征尺寸，g為重力加速度。分析表明當(dāng)N_conf≥3.3時(shí)，流動(dòng)通道可視為微通道。隨著通道特征尺寸的降低，微通道內(nèi)粘性力、慣性力、體積力(重力)、表面力的相對比值發(fā)生了變化，由此使得微通道內(nèi)流體具有與常規(guī)通道內(nèi)流體完全不同的特性，其中微通道內(nèi)多相流最重要的表征參數(shù)是厄特沃什數(shù)(Eo)數(shù)，其定義為：

$Eo=\frac{{\mathrm{\Δ\ρgD}}^2}{\mathrm{\σ}}$

Eo數(shù)表征了重力與表面張力的比值。在微通道下，Eo＜＜1，即表面張力遠(yuǎn)大于重力影響，因此在微通道內(nèi)多相流流動(dòng)形態(tài)與重力方向基本無關(guān)。通過控制多相流入口處混合形式和多相流各相的流速，可以在微通道內(nèi)形成不同的流動(dòng)形態(tài)，而且流動(dòng)形態(tài)穩(wěn)定。

圖2(a)和圖2(b)是兩種典型的微通道內(nèi)兩相流流動(dòng)形態(tài)，根據(jù)分散相2相對體積的大小，分別為泡狀流和彈狀流。在這兩種流動(dòng)形態(tài)下，分散相2被相界面包圍在連續(xù)相3內(nèi)，相互隔開且間隔均勻。圖示中氣體為分散相2、液體為連續(xù)相3。分散相2氣泡與管道壁面之間存在一層液膜；分散相2的氣泡彼此隔離，連續(xù)相3通過所述液膜彼此連通。由于液膜靠近壁面，液膜內(nèi)導(dǎo)熱主要依靠導(dǎo)熱傳熱，是多相流非浸潤流動(dòng)傳熱的組要熱阻。管道特征尺寸越小，界面力越強(qiáng)，所述液膜越薄，強(qiáng)化傳熱效果越好。

圖3(a)和圖3(b)所示為典型的微通道內(nèi)彈狀流流線圖，圖中流速為以相界面為參考基準(zhǔn)的相對速度，其中圖3(a)為分散相不直接與壁面接觸，壁面與分散相之間存在著一層連續(xù)相的液膜，即所述濕潤型Wetting流型；圖3(b)中兩相均直接與壁面接觸，即燒干型Dryout流型。根據(jù)雷諾數(shù)Re定義：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρ}UD}{\mathrm{\μ}}$

式中μ為流體粘性系數(shù)，U為通道內(nèi)特征流速。對于微通道內(nèi)單相流體，由于特征尺寸較小，Re＜＜2300，因此流動(dòng)都是層流，流體徑向間僅僅通過分子擴(kuò)散交混，熱量從壁面通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞到管道中間。如圖3(a)-(b)所示，對于非浸潤多相流，由于存在相界面，相界面移動(dòng)速度一定，導(dǎo)致管道中心流動(dòng)速度大于相界面移動(dòng)速度，管道壁面附近流動(dòng)速度低于相界面。在分散相2氣泡或液柱的頭部，管道中心流體遇到相界面后改變流動(dòng)方向，向徑向流動(dòng)，即流向壁面；在分散相2氣泡或液柱的尾部，流體由于相界面作用，相對應(yīng)的流體從壁面附近流向管道中心。通過這樣的方式，管道內(nèi)流體不斷的在壁面和中心之間往返流動(dòng)，將熱量從壁面?zhèn)鬟f到中心，極大的強(qiáng)化了換熱。對于連續(xù)相，位于兩個(gè)分散相2之間的流體也以同樣的方式流動(dòng)。因此整個(gè)流動(dòng)通道內(nèi)的管道中心和壁面之間流體交混得到了很大的促進(jìn)，換熱效率均得到了很大提高。研究表明，與常規(guī)微通道內(nèi)單相流動(dòng)相比，非浸潤兩相流換熱能提高3-10倍；即使考慮壓降限制，在相同壓降下，非浸潤兩相流換熱是單相流換熱能力的1.5-2倍，強(qiáng)化換熱效果非常明顯。

為了對微通道內(nèi)多相流體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)避免常規(guī)尺寸下通常采用的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備如泵帶來的維修與噪音等諸多問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)采用磁流體熱效應(yīng)驅(qū)動(dòng)。

圖4是磁場熱磁驅(qū)動(dòng)原理圖。磁流體是一種特殊的功能流體，不但具有流體的流動(dòng)性，而且還具有磁介質(zhì)的磁特性。敏感型磁流體則是一種特殊的磁流體，其飽和磁化強(qiáng)度隨著溫度的變化而急劇變化。通常磁流體在外加磁場下磁化溫度隨溫度升高而降低，這樣在同一個(gè)外磁場中，溫度高的區(qū)域受到的磁場力就相對較低。如圖4所示，當(dāng)中一條封閉通道中的磁流體在外加磁場下，一端加熱一端受冷，那么在兩端磁流體的磁化強(qiáng)度將不同，故受到的磁場力也將不同。在冷端的磁流體受到的力將比在熱端的磁流體受到的磁場力大，所以引起磁流體在通道內(nèi)從冷端流向熱端的定向流動(dòng)。這種流動(dòng)是系統(tǒng)內(nèi)冷端、熱端溫度差引起的，溫差勢能通過磁流體借助磁場轉(zhuǎn)化成流體的動(dòng)能。而且在一定范圍內(nèi)，溫差大小與通道內(nèi)流體受到的驅(qū)動(dòng)力大小成正比，形成一個(gè)“正反饋”，即溫差越大、驅(qū)動(dòng)力越大、通道內(nèi)流速越快、換熱越強(qiáng)也就越有助于縮小溫差。

下面是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例。

采用石英制封閉的流動(dòng)通道圓形管道，通道特征尺寸直徑D＝500μm，以氮?dú)釴₂為分散相，以磁流體為連續(xù)相，磁流體采用煤油基的溫度敏感型錳鋅鐵磁流體，其飽和磁化強(qiáng)度達(dá)65000/(Am-1)。由于界面力，氣相在液相內(nèi)形成穩(wěn)定的氣泡，選擇氣泡長度為流動(dòng)通道半徑R的4倍、氣泡間封閉的液柱長度為流動(dòng)通道半徑R的7.5倍，流動(dòng)Re數(shù)在100-1000范圍內(nèi)，得到的兩相平均換熱能力是液態(tài)單相層流換熱量的1.5-2.0倍，單純液相內(nèi)換熱能力是液態(tài)單相層流換熱量的3.0-4.0倍，換熱強(qiáng)化能力效果非常顯著；而且系統(tǒng)運(yùn)行無需額外驅(qū)動(dòng)力，沒有動(dòng)力部件，無需設(shè)備定期維修和維護(hù)。

下面是本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)例。

除上述采用熱磁效應(yīng)驅(qū)動(dòng)外，對于通道內(nèi)流速要求較高或需要對通道內(nèi)流體流動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確控制的場合，可以采用外加的電磁力來驅(qū)動(dòng)磁體。如圖5所示，在流動(dòng)通道1的沿程設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)電磁體7，電磁體7與控制電路連接；通道內(nèi)除布置有非浸潤多相流體的分散相2和連續(xù)相3外,專門布置有一個(gè)或多個(gè)磁流體8的液柱或液滴；多相流體與磁流體8之間均相互不浸潤。根據(jù)磁流體8的位置，控制電路接通或斷開相應(yīng)位置的電磁體線圈電源，電磁體7產(chǎn)生的磁力吸引磁流體8，引起磁流體8運(yùn)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)通道內(nèi)多相流體的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。電磁體7可以環(huán)繞在流動(dòng)通道1外，亦可置于流動(dòng)通道1外側(cè)平行或垂直于通道設(shè)置，即電磁體7所產(chǎn)生的磁場與流動(dòng)通道1的夾角應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，夾角范圍為0°-180°。

以上實(shí)施方式只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所做的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。