本實用新型涉及一種超聲波強化螺旋微槽道除垢換熱器，具體涉及一種利用超聲波空化機理強化微槽道換熱及防垢、除垢的技術(shù)。

背景技術(shù)：

微電子領(lǐng)域是最早提出微尺度流動和傳熱問題的工程領(lǐng)域，隨著電子計算機容量和速度的快速發(fā)展以及導彈、衛(wèi)星和軍用雷達對高性能模塊和大功率器件的要求，一方面器件的特征尺寸愈小愈好，已從微米量級向亞微米發(fā)展，另一方面器件的集成度自1959年以來每年以40％～50％高速度遞增。隨著集成度的提高，元件熱流密度的增加速度將更為驚人，由此帶來的過高溫度會降低芯片的工作穩(wěn)定性，增加出錯率，同時模塊內(nèi)部與其外部環(huán)境間所形成的熱應力會直接影響到芯片的電性能、工作頻率、機械強度及可靠性，因此對微元件的高效散熱要求就越來越高。如果微元件散熱處理不好，元件溫度就會上升，直接影響元件的性能，從而影響微電子器件的整體性能，所以研究微元件高效換熱技術(shù)已具有非常重要的意義。

目前強化換熱設(shè)備的傳熱手段主要有兩種：(1)提高換熱系數(shù)，例如改變換熱器表面的性質(zhì)或者改變表面結(jié)構(gòu)使之傳熱系數(shù)得到提高；(2)減小傳熱熱阻，從而實現(xiàn)強化傳熱，例如定時清洗熱換器的污垢，采用不易結(jié)垢的材質(zhì)制作換熱器等，熱阻減少，換熱效果得到提高。

中國專利《超聲波防垢、除垢的強化換熱殼管式換熱器》(申請?zhí)枺篊N201220480982.5)，公開了一種高效殼管式換熱設(shè)備 該設(shè)備的顯著特點為利用超聲波的空化機理，清理沉降在換熱器中的污垢，減小了傳熱熱阻，提高換熱效果；但是該管殼式換熱器體積較大，不能應用于微電子散熱領(lǐng)域，而且該技術(shù)中需要定期排污。

中國專利《微槽道與水冷聯(lián)合的冷卻系統(tǒng)》(申請?zhí)枺?201420752289.8)， 該冷卻系統(tǒng)利用了百微米量級尺寸的微槽道所具有的高強度取熱能力，能夠?qū)⒌镀?wù)器中CPU芯片等微元件所產(chǎn)生的熱量高效取出，該方法中微槽道所具有的高強度取熱能力能夠達到100W/cm ²的量級，遠高于目前CPU芯片的發(fā)熱熱流密度，傳熱效果較好；中國專利(申請?zhí)枺?015100791197)主要是對針肋的形狀做了改變，強化通道內(nèi)流體的流動。

中國專利《超聲波強化微槽道換熱器》(申請?zhí)枺?01610162798.9)，該除垢系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器和超聲波換能器，其超聲波發(fā)生器和超聲波換能器通過導線相連，超聲波換能器設(shè)有多個超聲波換能器振子，超聲波換能器振子分布固定設(shè)置在槽道主體的兩側(cè)，在超聲波的聲場中使得污垢與冷卻流體充分混合并隨著流體一同流出槽道，不要定期排污。但是，以上關(guān)于微槽道的專利前兩者在一定程度上通過對常規(guī)微通道換熱器做了改進來提高傳熱效果，但流體在微通道中產(chǎn)生的流動阻力較大，僅僅依靠改變針肋的布置和形狀還是不能徹底解決的；同時對冷卻流體的要求較高，且會產(chǎn)生污垢，增加熱阻，惡化傳熱效果。換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，換熱器在化工、石油、動力食品及其它許多工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。后者的除垢系統(tǒng)固定設(shè)置，無法實現(xiàn)超聲波除垢裝置對整個換熱器本體的均勻除垢。換熱器內(nèi)管道的結(jié)垢問題是熱交換領(lǐng)域困擾人們的重大難題，換熱器內(nèi)部管程長時間使用后，在管壁內(nèi)易發(fā)生結(jié)垢，管道結(jié)垢會減小過流面，嚴重時還會堵塞管道；此外管道內(nèi)壁上的結(jié)垢還會大大降低換熱器的熱交換效率。所以為了保證換熱器的正常使用要對換熱器內(nèi)部進行定期清理，傳統(tǒng)的清理方法主要有機械清洗和化學清洗，這兩種方法均需要對換熱器進行拆卸，導致?lián)Q熱器無法連續(xù)運行，大大影響了換熱器的工作效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點與不足，本實用新型提供了一種超聲波強化螺旋形微槽道除垢換熱器，超聲波在液體中傳播時，產(chǎn)生的“空化效應”加劇了液體的振蕩，強化微槽道內(nèi)流體的擾動，也減小粘性阻力，進一步強化微槽道的換熱； 同時，超聲波能量可使被處理液體中產(chǎn)生大量的空穴和氣泡，當這些空穴和氣泡迅速湮滅時，便在特定范圍內(nèi)形成強大的壓力峰，使成垢物質(zhì)迅速被粉碎成細小的垢粒而懸浮于液體中，并且導致已形成的垢物被破碎和脫落，減小傳熱熱阻，提高微槽道的換熱性能；其次，螺旋形冷卻水道可大大增加流體與微槽道的換熱面積與換熱時間，從而增加換熱量，取得更好的換熱效果；再者，將超聲波除垢裝置沿著換熱器軸向移動，使得超聲波在工作時，能夠?qū)φ麄€換熱器本體進行均勻除垢，尤其是對于一些軸距較大、而換熱器本身直徑較小的換熱器而言，這種超聲波除垢裝置能夠軸向移動的換熱器，在除垢和換熱性能提高方面，表現(xiàn)尤為優(yōu)異，大大節(jié)約了除垢成本。以上技術(shù)能相互促進，可移動的除垢裝置使得超聲波在液體中造成的擾動更加劇烈，螺旋形冷卻水道使得超聲波作用于液體的時間更長、傳播更加充分與全面，將其結(jié)合與單獨使用其中一種相比，裝置的換熱能力有明顯的提升。

本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種超聲波強化螺旋形微槽道除垢換熱器，包括殼體、超聲波除垢裝置、設(shè)置于殼體內(nèi)腔的冷卻水道、微針肋，冷卻水道具有進水口、出水口；其特征在于，沿著殼體內(nèi)腔的軸向位置，布置螺旋形擋板；所述的螺旋形擋板，相鄰的兩層螺旋型面之間，沿著螺旋形擋板的軸向，均布有若干微針肋；冷卻水道通過螺旋形擋板以及微針肋之間的空間構(gòu)成；所述的超聲除垢裝置安裝在殼體外壁，并能夠沿著殼體的軸向平移。

進一步地，所述的超聲波除垢裝置包括超聲波發(fā)生器以及超聲波換能器，超聲波發(fā)生器的工作功率為0～100W；殼體的外壁沿著軸向布置有滑軌，超聲波發(fā)生器、超聲波換能器分別固定安裝在滑塊上，且超聲波發(fā)生器、超聲波換能器通過導線電性相連，而滑塊則可移動地配合安裝在滑軌中，且滑塊配裝有限位塊。

進一步地，流經(jīng)冷卻水道的冷卻工質(zhì)為去離子水或乙醇。

進一步地，所述殼體包括槽道主體和上封蓋；槽道主體設(shè)為中空結(jié)構(gòu)，上封蓋與槽道主體密封連接；冷卻水道布置于槽道主體的內(nèi)腔。

進一步地，所述槽道主體的材料為紫銅。

進一步地，所述的螺旋形擋板相鄰兩層螺旋型面之間的軸向間距為1～10mm。

進一步地，所述微針肋的形狀為圓柱體或長方體。

進一步地，所述的各微針肋以叉排的方式環(huán)形均布在螺旋形擋板上，且微針肋沿圓周排布的間隔角度均為15°。

進一步地，所述冷卻水道的橫截面為圓形。

進一步地，微針肋的直徑設(shè)為0.1～1mm。

本實用新型通過超聲波發(fā)生器發(fā)出高頻信號，使超聲波換能器產(chǎn)生超聲波振動， 對微槽道內(nèi)的冷卻水產(chǎn)生超聲波空化效應，使冷卻水變?yōu)槌牧鳡顟B(tài)，強化冷卻。同時，通過超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻信號，使微槽道中的冷卻水產(chǎn)生超聲波振動，不僅使得微槽道中的水流速度減緩，降低了了水流的粘性系數(shù)；而且還可以隨時清理掉沉降在微槽道內(nèi)的污垢，減小傳熱熱阻，提高微槽道的換熱性能；其具體優(yōu)點如下：

(1)本實用新型通過超聲波換能器與超聲波發(fā)生器可實現(xiàn)加強微槽道換熱器中流體的擾動，提高對流換熱系數(shù)，提高散熱效率，本實用新型的換熱性能得到改善；

(2)本實用新型換熱器內(nèi)的流體在超聲波的作用下流速降低，延長了換熱時間，加強換熱，同時也降低液體的運動粘性系數(shù)，在一定程度上降低了液體的流動阻力，從而提高了微槽道換熱器的通流能力、增強運行可靠性，延長使用壽命；

(3)本實用新型中微針肋呈叉排布置，叉排布置的流體擾動效果比順排布置好，擾動增加，換熱效果就會得到提高；

(4)本實用新型中螺旋形冷卻水道可大大增加流體與微槽道的換熱面積與換熱時間，從而增加換熱量，取得更好的換熱效果。

(5)本實用新型中流體冷卻工質(zhì)選用水的標準無需要那么嚴格，由于超聲波的作用，可以減少甚至清楚槽道內(nèi)污垢的形成，從而減少熱阻的生成，增強換熱效果；

(6)本實用新型換熱器本體的外壁上設(shè)置有超聲波除垢系統(tǒng)，能對換熱器本體內(nèi)的冷卻水道進行超聲波除垢處理，水道內(nèi)的水垢在超聲波的作用下從附著的管壁上脫落，不要定期排污；采用超聲波除垢處理后的管壁無損傷，大大延長了設(shè)備的使用壽命，且該除垢過程不影響換熱器的連續(xù)工作；

(7)本實用新型中超聲波除垢系統(tǒng)能沿滑道在換熱器本體外壁上滑行，實現(xiàn)超聲波除垢系統(tǒng)可以全面的清洗該微槽道換熱器，對整個換熱器本體的均勻除垢，大大節(jié)約了除垢成本；

(8)本實用新型的超聲波微槽道換熱器的散熱率與微針肋的形狀、大小、高度、數(shù)量以及超聲波功率的大小有著很大的關(guān)系；同時，超聲波的功率不是越大越好，在100W以內(nèi)效果較好；

(9)相比于管殼式換熱器，本實用新型的槽道換熱器體積較小，能應用于微電子散熱領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本實用新型一種超聲波強化螺旋微槽道除垢換熱器的正視圖；

圖2是圖1的半剖圖；

圖3是圖1的左視圖；

其中，1-殼體；2-滑軌；3-滑塊；4-超聲波發(fā)生器；5-超聲波換能器；6-支腿；7-入水口；8-出水口；9-冷卻水道；10-微針肋；11-擋板。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

如圖1所示，本實施例的超聲波強化螺旋微槽道除垢換熱器包括殼體、水冷系統(tǒng)、槽道、微針肋、除垢系統(tǒng)。

其中，水冷系統(tǒng)包括冷卻水道9、入水口7和出水口8，冷卻水道9設(shè)置在散熱殼體的內(nèi)部，冷卻水道9的橫截面為圓形（具體見圖3），入水口7和出水口8分別設(shè)置在散熱殼體上，入水口7和出水口8分別與冷卻水道9相連通組成水冷系統(tǒng)；冷卻工質(zhì)可為去離子水水或乙醇，可減少槽道內(nèi)污垢的生成。

散熱殼體密封性良好，確保冷卻水道9中的流體不會從縫隙中溢出。殼體1的材料為紫銅；殼體1設(shè)為中空結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)的中空部位設(shè)有螺旋形冷卻水道擋板11，微針肋10均勻分布于擋板11上，擋板11之間以及微針肋10之間的空間形成螺旋形冷卻水道9，冷卻水道9的數(shù)目為一個或者多個，冷卻水道9的數(shù)目在于殼體1中間設(shè)置的微針肋10的數(shù)目。

除垢系統(tǒng)包括滑軌2、滑塊3、超聲波發(fā)生器4和超聲波換能器5，所述滑軌2固定在換熱器本體軸線方向上，所述滑塊3滑動設(shè)置在滑軌2中，所述超聲波發(fā)生器4和超聲波換能器5固定在滑塊上，兩者通過導線相連，所述滑塊3兩端分別設(shè)置有限位塊。

微針肋10沿殼體1的軸線方向分布；微針肋10的形狀為圓柱體、長方體、多邊體等；微針肋10的高度等于兩層冷卻水道擋板11的軸向距離，為1～10mm；微針肋沿圓周排布的間隔角度均為15°(如圖3所示)；微針肋5沿流道方向呈叉排布置，冷卻工質(zhì)在該通道內(nèi)流動，叉排更能增加流體的擾動，利于傳熱。

超聲波發(fā)生器4用來發(fā)出高頻信號，工作匹配功率范圍0～100W，超聲波發(fā)生器4與超聲波換能器5通過導線相連接，超聲波換能器5用來接收高頻信號并產(chǎn)生超聲波振動，超聲波除垢系統(tǒng)能沿滑道在換熱器本體外壁上滑行，超聲波除垢系統(tǒng)可以全面地清洗該微槽道換熱器，對整個換熱器本體的均勻除垢實現(xiàn)強化換熱。

本實施例的超聲波強化螺旋微槽道除垢換熱器的換熱過程如下：通過超聲波發(fā)生器4發(fā)出高頻信號，通過超聲波換能器5使超聲波換能器產(chǎn)生超聲波振動，通過滑塊3的移動，對殼體1內(nèi)的冷卻水產(chǎn)生均勻的超聲波空化效應，使冷卻水變?yōu)槌牧鳡顟B(tài)，強化冷卻。其次，螺旋形冷卻水道可大大增加流體與微槽道的換熱面積與換熱時間，從而增加換熱量，取得更好的換熱效果。同時，高頻信號使殼體1中的冷卻水產(chǎn)生超聲波振動，不僅使得殼體1中的水流速度減緩，降低了了水流的粘性系數(shù)，而且還可以隨時清理掉沉降在殼體1內(nèi)的污垢，減小傳熱熱阻，提高殼體1的換熱性能。由此可見，該本實施例的超聲波強化微槽道換熱器可以大大提高換熱效果。

使用本實施例的超聲波強化微槽道換熱器的注意事項是：

(1)超聲波發(fā)生器4應按在通風陰涼處，超聲波發(fā)生器4與超聲波換能器5應避免淋水或撞擊，保證其正常運行；

(2)在該超聲波強化微槽道換熱器運行前，要先將冷卻水道9內(nèi)充滿冷卻流體，避免共振和超聲波換能器7產(chǎn)生的熱效應使殼體1和微針肋10脫落；

在超聲波強化微槽道換熱器停用前，首先停運超聲波發(fā)生器4；

在超聲波強化微槽道換熱器運行期間，不得隨意停運任何設(shè)備。

以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選例實施方式，并不構(gòu)成對本實用新型保護范圍的限定。任何在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。