CN102116588B - 微小通道蒸发导热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微小通道蒸发导热装置，包括蒸发段、冷凝段以及将蒸发段和冷凝段连成导热循环回路的气体连接段和液体连接段，所述的导热循环回路还包括设于蒸发段与气体连接段之间的集气段、设于蒸发段与液体连接段之间的集液段以及设于集气段与集液段之间的回液段；所述的集气段位于蒸发段的上面；所述的集液段位于蒸发段的下面；所述的蒸发段内包括若干并联设置的微小通道管束；所述的导热循环回路内充有循环工质，工质充注量能使循环工质在微小通道内能形成稳定的气泡泵效应。本发明利用了微小通道的高传热效率、特有的气泡泵效应，提高了蒸发段的传热效率，可用于冷却、加热或热回收用领域。

Description

微小通道蒸发导热装置

技术领域

本发明属于热管领域，具体是涉及一种微小通道的蒸发导热装置，可适用于各种场合的冷却、加热或热回收处理。

背景技术

分离式热管是一种蒸发段与冷凝段分离的热传导装置，它主要有热源在下冷源在上的重力型分离式热管、热源在上冷源在下的动力型分离式热管(包括设升液装置的分离式热管、泵驱动水环路分离式热管、泵或风机驱动的动力型分离式热管(俗称：热环))。其中，设升液装置的分离式热管工作原理是通过高温流体加热，使循环工质在升液装置中形成气液混合物，气液混合物再通过蒸发器进一步完全蒸发成蒸汽，这种设升液装置的分离式热管增加了换热设备的复杂性和设备投资，且对于低品位余热的回收利用效果不理想。水环路分离式热管循环工质为水，利用了水的显热传热，其驱动水泵耗功较多。因此发明一种类似分离式热管的流动方向单一且结构简单热传导能力强的类似热管装置成为需要。

微通道换热器具有高效的热传导能力，已有研究结果表明，当流道尺寸小于3mm时，气液两相流动与相变传热的规律将不同于常规大尺寸，通道越小，这种尺寸效应越明显；当管内径小到0.5～1mm时，对流换热系数可增大50％～100％。如果能利用相变工质在微通道中受热蒸发的气泡泵效应，将热量从热源处转移到冷源处，则可以拓展传统热管的应用范围。

发明内容

本发明目的旨在提出一种不同于传统热管、闭式循环振荡热管和分离式热管的微小通道蒸发导热装置，该导热装置结构简单，它利用工质在微小通道内的高效热传导和气泡泵效应，将热量从热端向冷端转移，传热效率高。

一种微小通道蒸发导热装置，包括蒸发段、冷凝段以及将蒸发段和冷凝段连成导热循环回路的气体连接段和液体连接段，所述的导热循环回路还包括设于蒸发段与气体连接段之间的集气段、设于蒸发段与液体连接段之间的集液段以及设于集气段与集液段之间的回液段；所述的集气段位于蒸发段的上面；所述的集液段位于蒸发段的下面，以实现循环工质的单向流动；

所述的蒸发段内包括若干并联设置的微小通道管束，微小通道管束上端的出气口与集气段下部的进气口连通，集气段的出气口通过气体连接段与冷凝段的进气口连通；微小通道管束下端的进液口与集液段上部的出液口连通，集液段下部的进液口通过液体连接段与冷凝段的出液口连通；

所述的回液段上端的进液口与集气段的下部出液口连通，回液段下端的出液口与集液段上部的进液口连通；

所述的导热循环回路内充有易发生气液相变的循环工质，循环工质的充注量为导热循环回路内的不完全充满，即循环工质的充注量小于导热循环回路内总容积。

气体连接段和液体连接段的设置，可以根据实际需要灵活调整蒸发段和冷凝段的安装位置，实现蒸发段和冷凝段的分离设置，可以满足多种场合的使用要求。冷凝段内冷凝的循环工质液体流入到蒸发段微小通道管束内的主要驱动力是微小通道管束内具有的毛细作用力。所以本发明的导热装置即可用于冷凝段在上蒸发段在下的场合也可用于冷凝段在下蒸发段在上的场合。当用于冷凝段在上的场合时，液体从冷凝段回流至微小通道管束内的动力为微小通道管束内的毛细作用力和冷凝段与微小通道管束之间的液位差作用力的总和。当用于冷凝段在下的场合时，液体从冷凝段回流至微小通道管束内的动力为微小通道管束内的毛细作用力，当此毛细作用力提供的驱动力不足时，优选的技术方案中，可选择在所述的液体连接管上设置液体泵或其他液体工质驱动装置，以加强总的驱动力。当冷凝段内的液位低于微小通道管束的液位时，微小通道管束内的毛细作用力和液体泵共同提供循环工质回流驱动力，以实现循环工质的循环流动。

所述的微小通道管束可平行设置，也可交叉设置，需要根据实际需要确定；所述的微小通道管束一般是指当量直径在5mm以下的微小通道管，实际使用时，一般需要根据实际使用的循环工质的不同确定其实际当量直径大小，以微小通道管能使循环工质在蒸发段内形成稳定的气泡泵为依据；在循环工质确定后，在静止绝热状态，优选的微小通道管束的最大当量直径不超过

式中：σ为该循环工质的表面张力；ρ_liq为该液态循环工质的密度，ρ_vap为该气态循环工质的密度，g为重力常数。在家用及其他中小型建筑中使用时，常用的微小通道管的当量直径为200μm～5mm。用于电子冷却领域，微小通道管的当量直径为3μm～200μm。较小的当量直径，有利于进一步增加传热或导热效率。

循环工质的充注量的确定以微小通道管能使循环工质在蒸发段内形成稳定的气泡泵为依据；优选的技术方案中，所述的循环工质的充注量为导热循环回路内容积的10％～90％；所述的循环工质的热物性需要满足(dP/dT)_sat值要高、动力黏度要低、在平板集热器的集热温度范围(如≤100℃)内容易汽化和冷凝的条件，且凝固点大于-40℃，常用的循环工质包括四氟乙烷、甲醇、乙醇、25％的乙二醇溶液、一氟三氯甲烷或丙酮等。

为降低热量损失，所述的集气段和气体连接段均与外界绝热，可采用在集气段外套设绝缘材料或者直接选用由绝缘材料制成的集气段或气体连接段。为便于装配及适用于不同场合的需要，所述的微小通道管束的管断面形状为矩形、圆形、三角形或椭圆形以及其他不规侧形状。微小通道管束可平行设置，也可交叉设置；微小通道管束可单层设置于蒸发段内，也可多层设置于蒸发段内；另外，设置的微小通道管束当量直径可以相等也可以不等。

回液段一般可选用大通径管，以保证集气段内形成的液体顺利回流至集液段内；常用的回液段的当量直径为5mm～100mm。所述的集气段的下部出液口位于集气段底平面的最低位置处，以便于在集气段冷凝的液体及时回流至集液段内。

在满足实际需要的前提下，为安装方便可选择将所述的气体连接段和集气段为一体设置，将所述的液体连接段和集液段为一体设置。或者根据实际需要，可将所述的集气段分别与多个支路连接，以满足不用形式的加热或制冷需要。

为防止集气段内的液体回流至微小通道管束内，优选的技术方案中，所述的微小通道管束的上端端部插入集气段内腔且其出气口端面高于集气段内腔底面；为便于集液段内的液态循环工质快速的进入到微小通道管束内，所述的微小通道管束下端端部插入集液段内腔且其进液口端面靠近集液段内腔底面。

本发明与现有技术相比具有的有益效果为：

(1)与传统分离式热管相比，本发明中蒸发段内采用微小通道管束，提高了蒸发段的传热效率，有利于导热装置充分利用蒸发段相变工质所携带的热量。

(2)与传统热管相比，本发明中蒸发段不需要吸液芯，避免了传统热管管芯带来的加工及维护问题；气体流道与液体流道分离，避免了传统热管的携带极限问题

(3)与传统热管、热虹吸管、分离式热管相比，其液体回流驱动力可以利用冷凝段与蒸发段的液位差和蒸发段的毛细吸力，也可以是外在的动力装置(如液体泵)，避免了传统热管的毛细极限问题，拓宽了热管的应用范围。

(4)与闭式环路型振荡热管相比，只要充液量合适，蒸发段就不会出现干烧，且循环工质流动方向单一，导热效果稳定。

(5)微通道管束蒸发段不是依靠增加材料消耗量而是结合微小通道的尺寸效应来提高换热效率，因此，作为蒸发段的材料耗量少重量轻，可以减少循环工质的充注量，具有一定的成本优势。

附图说明

图1为本发明的微小通道蒸发导热装置的第一种实施方式的结构示意图。

图2为本发明的微小通道蒸发导热装置的第二种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，一种微小通道蒸发导热装置，包括蒸发段1、集气段2、气体连接段3、冷凝段4、液体连接段5以及回液段7；蒸发段1、集气段2、气体连接段3、冷凝段4、液体连接段5以及回液段7相互连通形成封闭的导热循环回路；其中，集气段2位于蒸发段1的上面，集液段6位于蒸发段1的下面，以实现循环工质的单向流动；

其中，蒸发段1内包括若干平行并联设置的微小通道管束，微小通道管束上端的出气口与集气段2下部的进气口连通，且其出气口端面高于集气段内腔底面，集气段2的出气口与气体连接段3的进气口连通，气体连接段3的出气口与冷凝段4上部的进气口连通；微小通道管束下端的进液口与集液段6上部的出液口连通且其进液口端面靠近集液段6内腔底面，集液段6的进液口通过液体连接段5与冷凝段下部的出液口连通；

回液段7上端的进液口与集气段2下部的出液口连通，回液段7下端的出液口与集液段6的上部进液口连通，集气段2下部的出液口位于集气段2底面的最低位置处，用于将集气段2形成的液体及时回流到集液段6内。

导热循环回路内充有循环工质，循环工质的充注量为导热循环回路内总容积的10％～90％；循环工质一般选用低沸点的有机溶剂，常用的循环工质包括四氟乙烷、甲醇、乙醇、25％的乙二醇溶液、一氟三氯甲烷或丙酮等。

微小通道管的内径大小需要根据实际使用的循环工质的性质确定，以微小通道管能使循环工质在蒸发段内形成稳定的气泡泵为依据，在静止绝热状态，微小通道管的最大当量直径不超过

式中：σ为循环工质的表面张力；ρ_liq为液态循环工质的密度，ρ_vap为气态循环工质的密度，g为重力常数。在常规换热器的加热或冷却使用时，常用的微小通道管的当量直径为200μm～5mm。用于微电子冷却领域，微小通道管的当量直径为3μm～200μm。较小的当量直径，有利于进一步增加传热或导热效率。为便于装配及适用于不同场合的需要，微小通道管的管断面形状为矩形、圆形、三角形或椭圆形以及其他不规侧形状。微小通道可单层或多层设置于蒸发段1内，以满足不同场合的需要。

气体连接段3和液体连接段5的设置，可以实现蒸发段1和冷凝段4的分离设置，可以满足多种场合的使用要求。冷凝段4的高度高于蒸发段1的高度，液位差的存在促使液体从冷凝段4回流至微小通道管束内。

为降低热量损失，集气段2和气体连接段3均与外界绝热，可采用在集气段2外套设绝缘材料或者直接选用由绝缘材料支撑的集气段2或气体连接段3。

上述微小通道蒸发导热装置的实际运行过程为：首先对导热循环回路抽真空，然后充入部分循环工质，直至集液器6和液体连接管5内全部充满液态循环工质，充注量为导热循环回路内容积的10％～90％。由于微小通道管的毛细吸力，蒸发段1内的微小通道管束将通过下部进液口从集液器6中吸入循环工质，在外部热源的加热下，循环工质受热气化蒸发，产生气泡的泵效应，将循环工质从蒸发段1的下部进液口逐步输送到蒸发段1上部的集气段2中，气化的循环工质在压力推动下沿着气体连接段3进入冷凝段4中，由冷凝段4外部的冷却流体冷却后，再次变成液体工质，由于冷凝段4与微小通道管之间存在液位差，冷凝段4内的循环工质液体会沿着液体连接管5和集液器6重新流回蒸发段1的下部进液口，构成一个循环。集气段2内没有气化完全的工质沿着集气段2的下坡度方向流入回流段7，通过回流段7，循环工质重新回到集液段6，再次进入蒸发段1下部进液口，开始再次蒸发气化循环。

实施例2：

如图2所示，其结构与实施例1所述的微小通道蒸发导热装置结构基本相同，不同之处在于，蒸发段1的高度高于冷凝段4的高度，同时在液体连接管5上设有液体泵8，液体泵8前后可以装阀门，也可以不安装阀门，根据实际需要确定。本实施例的微小通道蒸发导热装置实际运行过程中，液体泵8提供驱动力，驱使冷凝段4形成的液体流入到集液段6进而进入到蒸发段1下端的进液口内进行循环流动。

Claims (6)

1.一种微小通道蒸发导热装置，包括蒸发段(1)、冷凝段(4)以及将蒸发段(1)和冷凝段(4)连成导热循环回路的气体连接段(3)和液体连接段(5)，其特征在于，所述的导热循环回路还包括设于蒸发段(1)与气体连接段(3)之间的集气段(2)、设于蒸发段(1)与液体连接段(5)之间的集液段(6)以及设于集气段(2)与集液段(6)之间的回液段(7)；所述的集气段(2)位于蒸发段(1)的上面；所述的集液段(6)位于蒸发段的下面；

所述的蒸发段(1)内包括若干并联设置的微小通道管束；微小通道管束上端的出气口与集气段(2)下部的进气口连通，集气段(2)的出气口通过气体连接段(3)与冷凝段(4)的进气口连通；微小通道管束下端的进液口与集液段(6)上部的出液口连通，集液段(6)下部的进液口通过液体连接段(5)与冷凝段(4)的出液口连通；

所述的回液段(7)上端的进液口与集气段(2)下部的出液口连通，回液段(7)下端的出液口与集液段(6)上部的进液口连通；所述的集气段(2)的下部出液口位于集气段(2)底面的最低位置处；

所述的导热循环回路内充有循环工质，循环工质的充注量为导热循环回路内容积的10％～90％；

所述的微小通道管束的上端端部插入集气段(2)内腔且其出气口端面高于集气段(2)内腔底面；所述的微小通道管束下端端部插入集液段(6)内腔且其进液口端面靠近集液段(6)内腔底面；

所述的微小通道管束相互平行设置，且微小通道管束的最大当量直径不超过2

式中：σ为循环工质的表面张力；ρ_liq为液态循环工质的密度，ρ_vap为气态循环工质的密度，g为重力常数。

2.根据权利要求1所述的微小通道蒸发导热装置，其特征在于，所述的液体连接段(5)上设有液体泵(8)。

3.根据权利要求1或2所述的微小通道蒸发导热装置，其特征在于，所述的集气段(2)、回液段(7)和气体连接段(3)均与外界绝热。

4.根据权利要求1或2所述的微小通道蒸发导热装置，其特征在于，所述的循环工质包括四氟乙烷、甲醇、乙醇、25％的乙二醇溶液、一氟三氯甲烷或丙酮。

5.根据权利要求1或2所述的微小通道蒸发导热装置，其特征在于，所述的微小通道管束的管断面形状为矩形、圆形、三角形或椭圆形。

6.根据权利要求1或2所述的微小通道蒸发导热装置，其特征在于，所述的回液段(7)为大通径管；所述的气体连接段(3)和集气段(2)为一体设置，所述的液体连接段(5)和集液段(6)为一体设置。

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