CN101957152A - 用于无倾角启动运行的新型脉动热管 - Google Patents

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闵旭伟
陈光明
乔晓刚
高赞军
徐英杰
仇宇
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0266—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with separate evaporating and condensing chambers connected by at least one conduit; Loop-type heat pipes; with multiple or common evaporating or condensing chambers

Abstract

本发明公开了一种用于无倾角启动运行的新型脉动热管，它包括：蒸发段、冷凝段、绝热段、工质充注段，其中绝热段又包括一段回复力增强段，回复力增强段是由内表面粗糙度沿程变化的聚苯乙烯管、硅橡胶管、陶瓷管、石墨管或者金属管，其内表面粗糙度的沿程变化使得管子一段呈现亲水性，另一段呈现疏水性，从而增强回复力，使得冷凝段的液态工质顺利回流。本发明通过增加一段回复力增强段，不仅可以解决脉动热管在无倾角和微倾角起振困难的问题，而且使得脉动热管更易实现稳定的单向流动，提高脉动热管在无倾角和微倾角下的当量传热系数。

Description

用于无倾角启动运行的新型脉动热管
技术领域
本发明属于传热元件领域，尤其涉及可以使脉动热管能无倾角和微倾角启动并且形成稳定单向流动的一种用于无倾角启动运行的新型脉动热管。
背景技术
目前我国的能源结构中，还是以化石能源为主，而化石能源是一种不可再生能源。一方面，随着我国的经济持续高速发展，我国的能源缺口越来越大，能源对外依赖度已经大于50％，那么我们就必须大力倡导节约能源；另一方面，人类社会常年使用化石能源会产生大量二氧化碳和二氧化硫等对环境有害的物质，使能源枯竭、全球气候变暖和大气污染加剧等问题变得相当严重。在这样的大背景下，如何提高能源的利用率以及如何节能，引起了全国各行各业的关注。
在科技飞速发展的21世纪，各个领域都出现了大量形式各异的电子产品，人类正处在信息时代。随着组装技术的发展，电子产品的体积越来越小，芯片的性能越来越好，这就使得电子产品所需要的散热密度越来越大。
脉动热管作为一种高效的传热元件，它不仅能为电子产品提供一个良好的温度环境，提高其散热性能，而且相对于传统的风冷、水冷方式，消耗的额外能源更少。
脉动热管内部的流动属于微细通道内的汽液两相流，运行过程中工质在管内脉动流动，管壁温度出现不同程度的脉动。由于脉动热管内部存在很多的热力不平衡性，是一个涉及微细通道内两相流动和传热的复杂机构，其运行特性带有很大的随机性和复杂性。根据国内外学者的已有研究，脉动热管的驱动力是由于蒸发段内气泡破裂或聚合引起的扰动产生的，而表面张力引起的毛细滞后阻力是主要的阻力，驱动液体工质回到蒸发段的回复力主要是由重力提供。在无倾角或微倾角运行的情况下，重力不能提供或者只能提供很小的回复力，这样使得冷凝段的液态工质无法顺利回流到蒸发段，进而导致蒸发段的烧干，使得整个装置不能正常运行。
脉动热管的无倾角和微倾角运行具有重要的意义，比如移动的电子设备(笔记本电脑)、无重力的场合——航空航天领域。特别是航天领域，一方面，航天电子产品所需要的散热密度越来越大，另一方面，航天领域对于散热元件的质量体积都有严格的要求，在无重力的环境下，脉动热管这种高效传热元件就显示出了相当好的应用前景。而要使脉动热管能够顺利应用在航天设备上，一个很关键的问题就在于怎样实现它的无倾角启动运行。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种体积小、重量轻、成本低、加工方便、传热效率高且无倾角能顺利启动及稳定运行的用于无倾角启动运行的新型脉动热管。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于无倾角启动运行的新型脉动热管，它包括：蒸发段、绝热段、冷凝段。其中，所述绝热段包括一段回复力增强段。所述装置蒸发段、绝热段、冷凝段均采用铜管，回复力增强段采用的是内表面粗糙度沿程变化的聚苯乙烯管、硅橡胶管、陶瓷管、石墨管或者金属管。所述回复力增强段两端与蒸发段和冷凝段采用承插或者转换接头方式连接。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1、本发明用于无倾角启动运行的新型脉动热管，能够无倾角启动并稳定运行。现有的脉动热管只能在大倾角下才能稳定启动并运行，微倾角或者无倾角启动时，容易使得蒸发段烧干，进而导致整个装置都不能正常运行。
2、本发明用于无倾角启动运行的新型脉动热管，提高了脉动热管的当量传热系数。由于提供了一个稳定的回复力，增加了系统的不平衡性，使得系统的阻力较小，进而增强了传热。
3、本发明用于无倾角启动运行的新型脉动热管，能够形成稳定的单向流动。由于增加了一段回复力增强管，使得冷凝段的液态工质能够稳定的回流，并且打破了传统脉动热管的对称性结构，有利于形成稳定的单向脉动流。
4、本发明用于无倾角启动运行的新型脉动热管，特别适用于被冷却器件处于无重力、运动等特殊环境下的散热。
附图说明
图1是本发明用于无倾角启动运行的新型脉动热管的结构简图；
图2是回复力增强段内工质流动简图；
图中：蒸发段1、绝热段2、冷凝段3、回复力增强段4、工质充注段5、气泡6、液柱7、前进接触角8、后退接触角9。
具体实施方式
本发明的用于无倾角启动运行的新型脉动热管与目前传统闭式脉动热管最大的不同在于：用于无倾角启动的新型脉动热管的绝热段中包含一段回复力增强段。回复力增强段采用内表面粗糙度沿程变化的聚苯乙烯管、硅橡胶管、陶瓷管、石墨管或者金属管，由于表面粗糙度的沿程从小到大的变化，使得回复力增强段一端呈现亲水性，一端呈现疏水性。这样在冷凝段和蒸发段之间形成一种微泵效应，把冷凝段的液态工质泵送到蒸发段，形成一种稳定的单循环。而传统的闭式脉动热管由于冷凝段液态工质回流到蒸发段存在毛细滞后阻力，并且没有足够的回复力，使得工质不能顺利回流。
本发明主要从分析力的角度来考虑降低其热阻，提高脉动热管运行稳定性。本发明通过分析脉动热管的运行驱动力和阻力，得出影响脉动热管运行的主要力为毛细力、蒸发段内部不平衡扰动产生的驱动力和重力，而且此三种力在数量级上是相当的。当脉动热管无倾角运行时，由于缺乏重力的作用，冷凝段的液态工质无法顺利回流，本发明通过在绝热段增加一段回复力增强段，可以提供液态工质回流的回复力，让液态工质顺利回流，并且同时也打破了传统脉动热管的对称性结构，也有利于脉动热管的单向稳定循环。
所述的回复力增强段内液柱前段的前进接触角8与后退接触角9之差相当于一个微泵，能够把液态工质泵送到蒸发段，使得蒸发段不至于烧干。
本发明适用于无倾角启动运行的新型脉动热管包括：蒸发段1、绝热段2、冷凝段3、工质充注段5其中绝热段又包括一段回复力增强段4；蒸发段1、绝热段2、冷凝段3依次串联，绝热段2的边缘一段被回复力增强段取代。所述回复力增强段4两端分别与蒸发段1和冷凝段3通过承插或者转换接头方式连接。所述回复力增强段4采用的是内表面粗糙度沿程变化的聚苯乙烯管、硅橡胶管、陶瓷管、石墨管或者金属管。所述的充注工质段用于充注工质和抽真空。所述的回复力增强段两端与蒸发段和冷凝段采用承插或者转换接头方式连接。
本发明的工作过程如下：
本发明适用于无倾角启动运行的新型脉动热管，在使用的时候，用导热胶或者硅脂将蒸发段与被冷却器件(笔记本电脑CPU)连接，被冷却器件的耗散热通过铜管壁传给蒸发段1内的工质，蒸发段1左端的工质吸热汽化产生气泡，并且发生气泡的聚合和破裂，气泡的产生长大与聚合破裂导致的扰动推动工质向绝热段2流动，途中伴随着脉动，由于结构的不对称性，工质会优先向没有回复力增强段的绝热段2左端流动，绝热段2左端内工质由于蒸发段1左端内工质的推动向冷凝段3左端流动，工质在冷凝段3内液化放热，在回复力增强段4内回复力的驱动下，冷凝段3右端内工质通过回复力增强段4回流到蒸发段1右端。完成一个循环。
本发明用于无倾角启动运行的新型脉动热管，能够无倾角启动并稳定运行。现有的脉动热管只能在大倾角下才能稳定启动并运行，微倾角或者无倾角启动时，容易使得蒸发段烧干，进而导致整个装置都不能正常运行。
本发明用于无倾角启动运行的新型脉动热管，提高了脉动热管的当量传热系数。由于提供了一个稳定的回复力，增加了系统的不平衡性，使得系统的阻力较小，进而增强了传热。
本发明用于无倾角启动运行的新型脉动热管，能够形成稳定的单向流动。由于增加了一段回复力增强管，使得冷凝段的液态工质能够稳定的回流，并且打破了传统脉动热管的对称性结构，有利于形成稳定的单向脉动流。
本发明用于无倾角启动运行的新型脉动热管，特别适用于被冷却器件处于无重力、运动等特殊环境下的散热。
本发明中所述的增强段可以考虑放在脉动热管中绝热段的任何一位置或在多个位置上同时进行加强。

Claims (4)

1.一种用于无倾角启动运行的新型脉动热管，其特征在于，它包括：蒸发段(1)、绝热段(2)、冷凝段(3)、工质充注段(5)。其中，绝热段包括一段回复力增强段(4)；
2.根据权利要求1所述用于无倾角启动运行的新型脉动热管，其特征在于，绝热段(2)边缘一段被回复力增强段(4)取代；
3.根据权利要求1所述用于无倾角启动运行的新型脉动热管，其特征在于，回复力增强段(4)两端分别与蒸发段(1)和冷凝段(3)通过承插或者转换接头方式连接；
4.根据权利要求1所述用于无倾角启动运行的新型脉动热管，其特征在于，回复力增强段(4)采用的是内表面粗糙度沿程变化的聚苯乙烯管、硅橡胶管、陶瓷管、石墨管或者金属管。
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