CN100491889C - 热管 - Google Patents

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Abstract

一种热管，包括一密封腔体，其内装设有适量工作液体，该腔体内壁分布有便于工作液体回流的毛细结构，所述毛细结构内表面围成一沿热管长度方向延伸的蒸汽流道，该热管包括一蒸发段、一冷凝段及一位于二者之间的绝热段，该蒸汽流道内壁的毛细结构围设成一端口大一端口小的喷嘴，其中小端口朝向冷凝段。该热管通过在蒸汽流道中设置喷嘴，对蒸汽流产生加速作用，可使蒸汽流更快速传输到冷凝段冷却并释放出热量，加速工作液体在管内的循环以缩小蒸发段至冷凝段的温度差(ΔT)，达到降低热阻及提升热管最大传热量(Qmax)的功效。

Description

热管
【技术领域】
本发明涉及一种传热装置，特别是指一种热管。
【背景技术】
热管具有超静音、高热传导率、重量轻、尺寸小、无可动件、结构简单及多用途等特性而被广泛应用，其基本构造系在密闭管材内壁衬以易吸收作动流体的毛细结构层，而其中央的空间则为空胴状态，并在抽真空的密闭管材内注入相当于毛细结构层孔隙总容积的作动流体。热管依吸收与散出热量的相关位置可分为蒸发段、冷凝段以及其间的绝热段；其操作原理是藉由工作液体之液、汽两相变化的潜热来传递热量：包括在蒸发段藉蒸发潜热自热源带走大量热量，使工作液体蒸发并使蒸汽快速通过管内空间，到达冷凝段冷却凝结成液体且释放出热能，上述工作液体则藉由贴于热管内壁的毛细结构层所提供的毛细力回流至蒸发段，达到持续相变化的热能循环来传输热量。
现有技术中，中国专利申请公开CN1661317A号揭露了一种热管，该热管内蒸汽与工作液体于同一管中以相反方向流动，工作液体通过毛细力的回流受到阻碍，进而使得工作液体提早发生干化导致热管急速升温，限制了该热管的最大传热量(Qmax)；另外，该热管由于过高的长度/内径比，导致蒸汽传输过程中热量的散失，而使部分流过热管中央的蒸汽提前冷凝为液滴而混合于蒸汽流中，从而阻塞或限制蒸汽的传递，如此导致该热管的热阻增加并进一步降低热管的最大传热量；再者，由于现有技术中热管具有均匀的毛细结构层厚度及蒸汽流道管径，以致由蒸发段吸热汽化的蒸汽沿蒸汽流道传输到冷凝段的速度降低，助长热量的散失并导致蒸发段至冷凝段的温度差(ΔT)加大。现有技术中对于提升热管最大传热量(Qmax)的方法是加大整支热管毛细结构层的厚度使其中的含水量增加，但相对地，却也使热管的反应时间变慢及温度差(ΔT)加大；反之，对于缩小温度差(ΔT)的方法是薄化整支热管毛细结构层的厚度使其中的含水量降低，但相对地，却也使热管的最大传热量(Qmax)降低。
【发明内容】
有鉴于此，有必要提供一种能降低热阻及提升热管最大传热量并能缩小冷凝段与蒸发段间温度差的热管。
一种热管，包括一密封腔体，其内装设有适量工作液体，该腔体内壁分布有便于工作液体回流的毛细结构，所述毛细结构内表面围成一沿热管长度方向延伸的蒸汽流道，该热管包括一蒸发段、一冷凝段及一位于二者之间的绝热段，该蒸汽流道内壁的毛细结构围设成一端口大一端口小的喷嘴，其中小端口朝向冷凝段。
该热管通过在蒸汽流道中设置喷嘴，对蒸汽流产生加速作用，可使蒸汽流更快速传输到冷凝段冷却并释放出热量，加速工作液体在管内的循环以缩小蒸发段至冷凝段的温度差(ΔT)，达到降低热阻及提升热管最大传热量(Qmax)的功效。
下面参照附图，结合具体实施例对本发明作进一步的描述。
【附图说明】
图1为本发明热管的实施例一纵向剖面示意图。
图2为本发明热管的实施例二纵向剖面示意图。
图3为本发明热管的实施例三纵向剖面示意图。
【具体实施方式】
图1为本发明实施例一，热管10包括一密封腔体110，该密封腔体110包括一呈空心圆柱状的管壁112和分别位于该管壁两端的一封口114及一底部116。紧贴该管壁112内表面分布有毛细结构130，该毛细结构130可以为烧结粉末式、沟槽式、丝网式、蜂巢式以及上述不同单一型式毛细结构的组合，由毛细结构130内表面围成一中空并沿热管10长度方向延伸的蒸汽流道150，该蒸汽流道150内填充有适量工作液体(图未示)。
该热管10沿其长度方向可分为一蒸发段120、一冷凝段160及一位于蒸发段120和冷凝段160之间的绝热段140，该蒸发段120用以靠近外部热源吸收热量，并且将热量传递给蒸汽流道150内的工作液体使其蒸发，该绝热段140用以在与外界隔热状态下传输蒸汽，该冷凝段160远离外部热源以将蒸汽冷凝成液体，并将热量通过管壁112和底部116传递到密封腔体110外。
该蒸汽流道150沿热管10长度方向可分为直管道152、喷嘴154、扩散管道156、直管道158四部分。该直管道152位于蒸发段120一端，其周围毛细结构130厚度均匀。在蒸发段120与绝热段140的边界处，毛细结构130厚度沿蒸发段120到绝热段140方向逐渐增加，蒸汽流道150截面逐渐变窄，其周围毛细结构130内表界面形成一张角形状的喷嘴154。从该喷嘴154末端向冷凝段160继续延伸，毛细结构130厚度逐渐减小使得蒸汽流道150内形成逐渐扩张的扩散管道156，在接近绝热段140与冷凝段160边界处，毛细结构130厚度保持均匀以形成一继续向冷凝段160延伸的直管道158。其中，喷嘴154、扩散管道156及直管道158构成了一蒸汽喷流管道155。另外，该喷嘴154也可设置于绝热段140。
该热管10的工作原理是，当蒸发段120将吸收外部热源的热量传给密封腔体110内的工作液体使其蒸发，当蒸汽到达喷嘴154处时，该喷嘴154为一渐缩管，根据流体连续性原理，即同一流管中任一横截面处的截面面积和该处流体流速的乘积为一恒量，以及流体连续性流动方程Q＝S×V(其中，Q代表单位时间内流过流管某一截面的流体体积；S代表流管的截面面积；V代表流体在该截面处的流速)可知，流管的截面面积大处流速小，截面面积小处流速大。因此，蒸汽在喷嘴154直径较小处的速度加大，并逐渐加速向冷凝段160方向流动，同时，由于在朝冷凝段160的扩散管道156逐渐增加亦有利于降低蒸汽回流到冷凝段160的流阻，因此通过该蒸汽喷流管道155的加速及稳流作用，可使蒸汽更快速传输到冷凝段160冷却并释放出热量，且防止蒸汽传输过程中因热量的散失而提早发生冷凝现象所造成对传输中的蒸汽流阻加大的负面效应，该蒸汽喷流管道155可在其外形接近流线时达到99％以上的高效率泄流系数(discharge coefficient)，因此具有低流阻、无需外加动力即可产生稳定的加速扩散喷流特征。另外，当工作液体在冷凝段160冷却成液体后，其将在毛细结构130毛细力作用下朝蒸发段120方向回流，由于绝热段140的毛细结构层厚度逐渐增加，冷凝液体回流到蒸发段120的流阻逐渐减小，有利于工作液体迅速回流到蒸发段120。因此，该热管10可有效降低热阻并能有效提升热管10的最大传热量(Qmax)。
图2为本发明实施例二的一热管20，其与实施例一的热管10所不同的是，蒸汽喷流管道255取代了实施例一中的蒸汽喷流管道155，该蒸汽喷流管道255中喷嘴254、扩散管道256及部分直管道258的毛细结构内壁上密贴设置了一蒸汽喷流管257，该蒸汽喷流管257由成形金属箔片或成形薄管制成，其设置于蒸汽喷流管道255的内壁上以形成一汽液隔离层，可有效降低蒸汽流与毛细结构230界面回流液体的相互干扰。与热管10相比较，该热管20由于增加了蒸汽喷流管257可进一步降低热阻，提高蒸汽流和回流液体在管中运动的速度，缩小蒸发段220至冷凝段260间的温度差(ΔT)。
对于热管20，通过调整该喷嘴254的张角和直管道252长度，可以控制蒸发段220毛细结构230的厚度；同样地，通过调整该扩散管道256的张角和直管道258的长度，可以控制冷凝段260毛细结构230的厚度。本实施例中的热管20可在蒸汽喷流管道255的前后搭配具有各种不同厚度毛细结构230的蒸发段220及冷凝段260，或是在蒸发段220及冷凝段260中采用不同形式的毛细结构形式，例如烧结粉末式、沟槽式、丝网式、蜂巢式或者上述形式毛细结构的组合等。
图3为本发明实施例三的一热管30。其与实施例二热管20的区别在于，本实施例通过改变热管30的蒸发段320及冷凝段360毛细结构330厚度的方式以取代实施例二中蒸发段220及冷凝段260具有相同的毛细结构层厚度，其中，蒸发段320的毛细结构330较冷凝段360的毛细结构330薄，而蒸发段320对应的蒸汽流道350较冷凝段360的蒸汽流道350宽。
可以理解地，所述热管蒸发段的毛细结构亦可较冷凝段的毛细结构厚，而蒸发段对应的蒸汽流道较冷凝段的蒸汽流道窄。
本发明实施例热管10、20、30、40通过在毛细结构130、230、330、430内壁上设置蒸汽喷流管道155、255、355、455，可降低蒸汽流动时与毛细结构界面回流液体的交互干扰，加速工作液体在管内的循环以缩小蒸发段至冷凝段的温度差(ΔT)；而且，通过单独控制蒸发段及冷凝段毛细结构层厚度可以分别满足蒸发段及冷凝段在不同应用场合下的热传输机制。从以上所述内容中不难看出，只要保证喷嘴小端口朝向冷凝段，该喷嘴也可设置于蒸发段或者冷凝段，同样可以达到加速蒸汽在蒸汽流道中流动的目的。
综上所述，本发明的热管可有效降低热阻及提升热管最大传热量并能缩小冷凝段与蒸发段间温度差。

Claims (11)

1.一种热管，包括一密封腔体，其内装设有适量工作液体，该腔体内壁分布有便于工作液体回流的毛细结构，所述毛细结构内表面围成一沿热管长度方向延伸的蒸汽流道，该热管包括一蒸发段、一冷凝段及一位于二者之间的绝热段，其特征在于：该蒸汽流道内壁的毛细结构围设成一端口大一端口小的喷嘴，其中小端口朝向冷凝段。
2.如权利要求1所述的热管，其特征在于：所述喷嘴设置于蒸汽流道中蒸发段与绝热段的交界处。
3.如权利要求2所述的热管，其特征在于：所述喷嘴末端朝向冷凝段延伸一扩散管道，该扩散管道的蒸汽流道宽度在朝向冷凝段方向上逐渐增大，与扩散管道对应的毛细结构厚度在朝向冷凝段方向上逐渐减小。
4.如权利要求3所述的热管，其特征在于：所述蒸发段和喷嘴交界处，喷嘴末端向蒸发段延伸一直管道，与直管道对应的毛细结构厚度均匀；所述冷凝段和扩散管道交界处，扩散管道末端沿冷凝段延伸一直管道，与直管道对应的毛细结构厚度均匀。
5.如权利要求4所述的热管，其特征在于：一蒸汽喷流管密贴设置于所述喷嘴、扩散管道及与扩散管道相邻的直管道内壁上，形成一汽液隔离层。
6.如权利要求5所述的热管，其特征在于：该蒸汽喷流管由金属箔片制成。
7.如权利要求5所述的热管，其特征在于：该蒸汽喷流管由成形薄管制成。
8.如权利要求1或5所述的热管，其特征在于：所述热管蒸发段较冷凝段的毛细结构薄，而热管蒸发段对应的蒸汽流道较冷凝段的蒸汽流道宽。
9.如权利要求1或5所述的热管，其特征在于：所述热管蒸发段较冷凝段的毛细结构厚，而热管蒸发段对应的蒸汽流道较冷凝段的蒸汽流道窄。
10.如权利要求1至7中任一项所述的热管，其特征在于：所述毛细结构为烧结粉末、沟槽式、丝网式、蜂巢式或上述不同单一型式毛细结构的组合。
11.如权利要求1至7中任一项所述的热管，其特征在于：所述密封腔体包括一呈空心圆柱状的管壁和分别位于该管壁两端的一封口及一底部。
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