一种去除微通道换热器翅片间液桥的抑霜装置及方法

技术领域

本发明属于微通道换热器技术领域，具体涉及一种去除微通道换热器翅片间液桥的抑霜装置及方法。

背景技术

热交换器是空调系统的重要组成部分。与传统的翅片管换热器相比，微通道换热器具有重量轻、换热效率高、制冷剂充注量少以及结构紧凑等优点，从而引起了人们的广泛关注，并且广泛应用于汽车空调领域。然而，当微通道换热器在结霜和潮湿条件下用作蒸发器时，会遇到一些挑战。首先，当微通道换热器在周期性结霜和除霜条件下运行时，与传统的翅片管换热器相比，其结霜速度更快。研究表明，微通道换热器的结霜时间，比传统翅片管换热器短20％～50％。其次，微通道换热器具有较小的翅片和节距，较多的融霜水在表面张力作用下滞留在翅片间隙，加剧在相邻翅片之间形成液桥，并且滞留的液桥会在下一个结霜周期中结冰并限制自由气流通道，从而降低微通道换热器的热力性能。因此，开发一种有效的抑霜技术，以及改善排水性能，对于保证微通道换热器的高效运行至关重要。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种去除微通道换热器翅片间液桥的抑霜装置及方法，在保障微通道换热器高效稳定工作的基础上，对结霜初期的冷凝液桥以及融霜后的残留液桥进行分区调控，采用定向驱动与雾化去除策略，达到抑霜的目的。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种去除微通道换热器翅片间液桥的抑霜装置，包括：

超声波传振板，若干个超声波传振板均垂直固定在微通道换热器翅片上；

压电陶瓷阵列，由若干个压电陶瓷组成，每个超声波传振板上固定有一组压电陶瓷阵列，压电陶瓷按照设定的顺序和间距布置在超声波传振板上；

超声控制模块，包括与压电陶瓷相连的超声波发生器，通过超声波发生器将市电转换成与压电陶瓷相匹配的高频交流电信号，压电陶瓷再将高频交流电信号转换为高频机械振动，通过超声波传振板将高频机械振动传递至微通道换热器翅片，液桥在微通道换热器翅片的边缘发生雾化，而在微通道换热器翅片内部定向迁移。

作为一种优选的方案，所述压电陶瓷的类型为PZT-4，长度为10mm～40mm，宽度为2mm～20mm，厚度为0.3mm～1.25mm，功率为20W～60W。

作为一种优选的方案，微通道换热器翅片上不同位置的超声作用强度排序为：双边缘>单边缘>无边缘；

双边缘，是指液桥位于翅片垂直边缘相交的直角处，液桥接触线同时与相邻边缘接触；

单边缘，是指液桥位于翅片侧边或上下边缘，液桥接触线仅与一处翅片边缘接触；

无边缘，是指液桥位于翅片内部，液桥接触线不与翅片边缘接触。

作为一种优选的方案，还包括液桥定位模块，所述液桥定位模块通过传感器向微通道换热器翅片之间的空气夹层发出超声波脉冲，若液桥存在，经液桥液面反射后返回传感器接收，测出超声波脉冲从发射到接收所需的时间，根据媒质中的声速，得到从传感器到液面之间的距离，从而确定液桥位置。

作为一种优选的方案，还包括信号反馈模块，信号反馈模块将液桥定位模块采集到的液桥检测值和设定值进行对比，若液桥检测值小于设定值，则表示没有达到除液条件，液桥定位模块继续采集信号；若反馈值达到设定值，信号反馈模块根据液桥分布特征发出相应工作指令至超声控制模块；信号反馈模块结合液桥信息与环境温湿度信息制定超声波工作参数。

作为一种优选的方案，所述微通道换热器翅片被划分为n个区域，每个区域均安装超声波传振板，针对不同区域液桥数量及分布特征的差异，信号反馈模块进行分区调控，即分别根据各个区域的液桥信息制定最佳工作模式，并启动各区域的超声波传振板进行独立工作。

作为一种优选的方案，信号反馈模块进行分区调控过程中，采用超声变频工作模式，超声波传振板在工作频率范围区间进行扫频工作，超声波传振板的工作频率范围为30kHz～40kHz。

一种去除微通道换热器翅片间液桥的抑霜方法，包括：

给微通道换热器翅片施加超声波，超声波在液桥内部产生声流力以及声辐射力，且超声波对液桥的定向驱动作用取决于微通道换热器翅片上的振动特性，超声波在微通道换热器翅片上的传播以及反射波的叠加，在微通道换热器翅片上形成波腹和波节，液桥在超声波作用下进行面向波腹的定向迁移，从而定向驱动微通道换热器翅片内部的液桥迁移至微通道换热器翅片边缘进行雾化，使雾化液滴排入空气中蒸发。

作为一种优选的方案，在超声波作用时，液桥上产生雾化液滴，雾化液滴颗粒是由主液滴的表面分解产生的；

超声波激发的雾化液滴的尺寸按下式进行计算：

式中，d为雾化液滴平均直径，σ为液体表面张力，ρ为液体密度，f为激励频率。

作为一种优选的方案，如果微通道换热器翅片受到超声波激励，液体表面平衡的力包括：

静水压力：

P

毛细管力：

P

声辐射压力：

式中，A和B项是非线性效应常数，u(x)是声位移，ρ是液体密度，σ是液体表面张力，c是液体中的声速，R

声流压力：

其中，z

声辐射压力和声流压力产生的力使液滴移动，通过改变波腹位置来移动液滴。

相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：

一方面利用超声波的机械振动在液桥中产生声辐射力，通过施加相对较小的能量将工作设备表面产生的液桥定向驱离；另一方面是利用超声雾化效应使液桥雾化成小颗粒液滴排入空气中蒸发，最终形成“少液”甚至“无液”工作表面，从根本上达到抑霜的目的。本发明采取“内部驱动+边缘雾化”的策略，能够实现对微通道换热器翅片间所有液桥进行完全去除，达到干燥无液状态。本发明可以利用变频/变压/变阵列的方式实现液桥/液滴高效去除的全自动化控制，能够有效去除微通道换热器翅片间冷凝形成的液桥以及融霜后残留的液体，在保证系统高效工作的基础上节省能耗，具有除液效率高、抑霜效果好等优点。

进一步的，本发明采用基于超声测位技术的液桥定位模块能够快速采集液桥信息，利用超声波的声流效应及雾化效应对液桥/液滴进行有效去除，通过液桥定位模块、信号反馈模块、超声波控制模块的协同作用，根据当前微通道换热器翅片间液桥信息与环境温湿度信息制定合理的超声波工作参数，在节省能耗的同时，自动化、高效地完成抑霜，在保障微通道换热器进行高效稳定工作的基础上，不会对换热器部件造成损害。

进一步的，本发明将微通道换热器翅片划分为n个区域，每个区域均安装超声波传振板，针对不同区域液桥数量及分布特征的差异，信号反馈模块进行“分区调控”，即分别根据各个区域的液桥信息制定最佳工作模式，并启动各区域的超声波传振板进行独立工作，这样在节省能耗的同时，避免其他区域超声波作用对目标区域振动特性产生干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明申请中的技术方案，下面将对申请描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例去除微通道换热器翅片间液桥的抑霜装置整体结构示意图；

图2为本发明实施例去除微通道换热器翅片间液桥的抑霜方法流程图；

图3为本发明实施例抑霜装置的液滴运动示意图；

图4为本发明实施例抑霜装置中翅片边缘与翅片中心的振动位移对比结果图；

附图中：1-制冷剂出口；2-制冷剂入口；3-微通道换热器翅片；4-压电陶瓷阵列；5-超声波传振板；6-液桥定位模块；7-信号反馈模块；8-超声控制模块；9-线缆；10-液滴初始位置；11-超声波腹位置。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

近年来，利用外加物理场(如电场、磁场、声场等)进行主动抑霜的方法备受关注，该类方法不仅能抑制凝结核生长，还可以在冷凝和冻结过程对液桥/液滴进行消除。尤其是超声波抑霜技术，由于超声波的波长短、频率高以及能量高度集中等优点，受到学者们的特别关注。超声波抑霜技术的核心思想是，一方面利用超声波的机械振动在液桥中产生声辐射力，通过施加相对较小的能量将工作设备表面产生的液桥定向驱离；另一方面是利用超声雾化效应让液桥雾化成小颗粒液滴排入空气中蒸发，最终形成“少液”甚至“无液”工作表面，从根本上达到抑霜的目的。基于此，本发明提出一种去除微通道换热器翅片间液桥的抑霜装置。

请参阅图1，本发明实施例去除微通道换热器翅片间液桥的抑霜装置整体结构包括液桥定位模块6、信号反馈模块7、超声控制模块8、压电陶瓷阵列4、超声波传振板5等。

超声控制模块8的主要部件为超声波发生器，压电陶瓷阵列4由若干个压电陶瓷组成，通过超声波发生器将市电转换成与压电陶瓷相匹配的高频交流电信号，压电陶瓷将高频电流转换为高频机械振动，再通过超声波传振板5将高频机械振动传至微通道换热器翅片3。

超声波传振板5设置了若干个，均垂直固定于微通道换热器翅片3上，压电陶瓷按照一定的顺序和间距粘贴在超声波传振板5上，超声振动在翅片上进行有效传播并且使更多地超声能量传递到翅片上。位于翅片间的液桥在超声波作用下产生严重的变形、迁移以及雾化。

在一种可能的实施方式中，压电陶瓷的类型为PZT-4，长度为10mm～40mm，宽度为2mm～20mm，厚度为0.3mm～1.25mm，功率为20W～60W。超声波振幅极小，不会对换热器部件造成损害。

由于端反射效应，翅片边缘超声作用强度远远大于翅片内部，如图4所示。液桥易在翅片边缘发生雾化，而在翅片内部产生定向迁移。翅片上不同位置的超声作用强度排序为：双边缘>单边缘>无边缘。

双边缘，是指液桥位于翅片垂直边缘相交的直角处，液桥接触线同时与相邻边缘接触。

单边缘，是指液桥位于翅片侧边或上下边缘，液桥接触线仅与一处翅片边缘接触。

无边缘，是指液桥位于翅片内部，液桥接触线不与翅片边缘接触。

本发明实施例去除微通道换热器翅片间液桥的抑霜方法流程如图2所示：基于能耗、翅片振动响应差异以及液桥无残留去除的考虑，翅片内部的液桥采用“内部驱动+边缘雾化”策略，超声波在液桥内部产生声流力以及声辐射力，从而定向驱动翅片内部的液桥迁移至翅片边缘进行雾化，使雾化液滴排入空气中蒸发，从而达到完全去除液桥的目的。

进一步地，超声波作用时，液桥上产生由表面不稳定性产生的毛细波，并且在液桥周围观察到小液滴颗粒，这些小液滴颗粒是由主液滴的表面分解产生的。从表面喷射出的小液滴颗粒的尺寸与最不稳定的毛细管波长有关。超声波激发的雾化液滴的尺寸根据下式进行计算：

其中，d为雾化液滴平均直径，σ为液体表面张力，ρ为液体密度，f为激励频率。

超声波对液桥的定向驱动作用取决于翅片上的振动特性，超声波在翅片上的传播以及反射波的叠加，会在金属翅片上形成波腹和波节。液桥在超声波作用下由初始位置9进行面向波腹位置10的定向迁移，如图3所示。如果金属翅片受到超声波激励，可以观察到液体表面的永久变形。液体表面平衡所考虑的力包括：

静水压力：

P

毛细管力：

P

声辐射压力：

声辐射压力表达式给出的声辐射压表达式是声压表达式中与时间无关的二阶项。A和B项是非线性效应常数，u(x)是声位移，ρ是液体密度，σ是液体表面张力，c是液体中的声速，R

声流压力可以近似写为：

其中，z

声辐射压力和声流压力产生的力会使液滴移动。如果超声波振动幅度足够高，沉积在基板上的液滴会向最近的超声波波腹移动，即辐射压力最大值，如图2所示。因此，可以通过改变波腹位置来移动液滴。由于翅片的边界条件决定了每个弯曲模态的波腹位置，因此必须连续激发多个模态才能进行位移。

本发明实施例的抑霜装置通过液桥定位模块6、信号反馈模块7、超声控制模块8的协同工作对液桥进行精准定位去除，具体工作步骤为：

步骤1：液桥定位模块6主要应用超声测位技术，由发射传感器向微通道换热器翅片之间的空气夹层发出超声波脉冲，若液桥存在，传到液桥液面经反射后返回接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接收到所需的时间，根据媒质中的声速，得到从传感器到液面之间的距离，从而确定液桥位置。

步骤2：信号反馈模块7将检测值和设定值进行对比，若反馈值小于设定值，则表示没有达到除液条件，液桥定位模块继续采集信号。若反馈值达到设定值，此时信号反馈模块7根据液桥分布特征发出相应工作指令至超声波控制模块8。此外，信号反馈模块7结合液桥信息与环境温湿度信息制定合理的超声波工作参数。若液桥整体数量较少且环境温度较高，则发出低功率超声波进行作用。若液桥整体数量较多且环境温度较低，液桥容易冻结，则需要快速去除，便发出高功率超声波进行作用。

步骤3：超声波控制模块8接收到信号反馈模块的工作指令后，便启动超声波装置开始除液工作。采用脉冲超声波进行工作，工作1min，间歇1min。超声波控制模块完成设定工作时间后，将超声波控制模块8切换至液桥定位模块6，重复步骤1～步骤3，直至最终检测结果为该区域无液桥存在。

在一种可能的实施方式中，将微通道换热器划分为n个区域，每个区域均安装超声波传振板8，同时压电陶瓷4在传振板上阵列排布。针对不同区域液桥数量及分布特征的差异，信号反馈模块7进行“分区调控”，分别根据各个区域的液桥信息制定最佳工作模式，并启动各区域的超声波部件独立工作。在节省能耗的同时避免了其他区域超声波作用对该区域振动特性产生干扰。

在一种可能的实施方式中，针对各区域存在较多液桥的情况，采用超声变频工作模式，在工作频率区间进行扫频工作，工作频率范围为30～40kHz，变频工作模式能实时切换翅片上的最佳工作点，使超声波能有效传至该区域翅片的所有位置，导致液桥的大规模去除。

本发明实施例中的液桥在超声波作用下经历四个过程：铺展-颈缩-断裂-雾化。超声作用越强，液桥铺展越显著，雾化越剧烈。某一固定频率的超声波作用下，由于振动在翅片间的复杂传播及互相影响，导致同一区域翅片间的振动特性不同，在不同位置的翅片对应的最佳工作频率不同，因此，液桥两侧附着的翅片受到的超声振动存在差异。此外，雾化与颈缩、断裂过程同时进行，以减小液桥质量。液桥形状随着雾化过程的进行而改变，最终导致液桥的最佳雾化频率改变，随着雾化过程的进行，液桥最佳雾化频率在±0.5kHz范围内波动。

进一步地，颈缩-雾化共存阶段时间越长，液桥断裂时的喉部直径越小，大部分液体在振动较强的翅片上雾化去除，液桥附着的振动较弱翅片上的残留液滴尺寸较小，有利于提高液桥的去除效率。因此在实际应用中采用频率和功率的实时调控作用，达到液桥的颈缩-雾化共存阶段时间延长的目的。

进一步地，超声波的雾化作用与超声功率呈正相关，即超声功率越大，液桥雾化越剧烈，耗时越短。液桥雾化存在临界功率，当功率较小时，液桥只经历铺展和定向迁移过程，当超声功率超过临界功率时，液桥便会经历断裂和雾化。因此，可根据功率的调节使液桥处于指定的状态，比如静置、铺展、迁移、颈缩、雾化。

进一步地，在同样的超声振动作用下，液桥体积越小，液桥对超声波响应的时间越短，液桥雾化去除越快。但由于去除时小体积液桥的颈缩-断裂过程完成迅速，因此会在相邻附着翅片上残留较大体积的液滴，该液滴需要利用超声作用进行二次去除。

本发明实施例提出的去除微通道换热器翅片间液桥的抑霜装置，不仅适用于液桥，还适用于翅片间存在的液滴以及其他液体物质，作用液体体积范围为5-30μL。

与现有技术相比，本发明去除微通道换热器翅片间液桥的抑霜装置及方法具有以下优势：

(1)采取“内部驱动+边缘雾化”策略，能够实现对微通道换热器翅片间所有液桥/液滴进行完全去除，达到干燥无液状态。

(2)一方面采用基于超声测位技术的液桥定位模块能快速采集液桥信息，另一方面利用超声波的声流效应及雾化效应对液桥/液滴进行有效去除，该两部分均可集成在超声波装置上，因此该装置具有结构简单、易于操作的优点。

(3)通过液桥定位模块、信号反馈模块、超声波控制模块的协同作用，以及利用变频/变压/变阵列的方式实现液桥/液滴高效去除的全自动化控制。

(4)本发明能有效去除微通道换热器翅片间冷凝形成的液桥以及融霜后残留的液体，在保证系统高效工作的基础上节省能耗，具有除液效率高、抑霜效果好等优点。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。