CN103954155B - 抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置。该抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置包括：取热部件，其内部形成工质容纳腔，其外部形成至少一个与热源贴合的取热面；以及螺旋盘管，设置于取热部件的径向外围，沿其轴向延伸呈螺旋状，其两端分别通过连通管连接至取热部件内部的工质容纳腔，构成工质的密闭循环通路。本发明螺旋盘管式非相变取热装置采用螺旋盘管结构，取热部件设置于螺旋盘状结构的中间，克服了传统热管受重力影响较大的缺点，可以不受重力影响，在任意方位、任意角度的传热效果都突出。

Description

抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置

技术领域

本发明涉及工业余热回收和电子芯片冷却等热交换领域，尤其涉及一种抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置。

背景技术

热交换现象广泛存在于工业和工程领域，并且与人类生产生活息息相关。热交换的基本要求是将热量快速高效地从一个物体转移到另一个物体，例如工厂的余热回收是将烟气或者乏汽的热量转移给工质进行再利用，电子器件的散热是将电子器件产生的热量迅速转移到散热器进而释放到空气中。

在已投运的工业企业耗能装置中，原始设计未被合理利用的显热和潜热称为余热。余热资源普遍存在，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17％～67％，其中可回收利用的部分约为余热总资源的60％，因此余热利用在节约能源中占有重要地位。通过热交换器将余热收集起来是余热再利用的重要环节。

功耗问题已经成为制约电子器件发展的重要因素。例如计算机处理器、大功率LED灯等。随着制造工艺的不断升级，电子器件体积越来越小，单位体积的发热量越来越大，巨大的发热量无法得到有效转移，严重限制了其性能发展。高效散热设备的开发始终是需要持续研究的问题。

提高换热效率对于降低能源消耗和促进工业发展都具有很重要的意义。在常规材料导热性能达到极限时，为达到高效快速换热目的，热管技术在各个领域得到广泛应用。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成，内部被抽成负压状态，充入适当的液体。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)。其工作原理是：当热量自高温热源传入热管时，处于热管加热段内的工质吸热汽化变成蒸汽，蒸汽瞬间流向热管另一端，到达另一端时遇冷放出潜热后凝结成液体，冷凝液体沿吸液芯回流到加热段，循环相变而实现热量传递。在热管导热过程中，工质的循环相变换热是热管高效传热的重要支撑。热管的到导热能力超过任何已知金属的导热能力。将多根热管组合排列在换热器内形成热管换热器，冷热流体均在热管外部横向流过，通过热管轴向传输热量。当加热段在下，冷却段在上，热管呈竖直放置时，工作液体的回流靠重力足可满足，无须毛细结构的吸液芯，这种不具有多孔体管芯的热管被称为热虹吸管。热虹吸管结构简单，工程上广泛应用。针对计算机处理器等体积小发热量大的电子器件，热管一端与之紧密接触，快速将热量传导至另一端，然后通过与之相连接的翅片进行散热。

然而，对于传统的相变取热器而言，传统取热器-管路-散热器系统工作时受重力影响较大，无法实现多角度、多方位启动。常规热管的轴向导热性很强，径向并无太大的改善。受传热机理限制，热管只能实现热量从一端到另一端的传导，无法实现多热源耦合传热，在过载情况下也无法达到平稳换热效果。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置，以克服传统热管受重力影响较大的缺点，提高传热效果。

(二)技术方案

本发明抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置包括：取热部件，其内部形成工质容纳腔，其外部形成至少一个与热源贴合的取热面；以及螺旋盘管，设置于取热部件的径向外围，沿其轴向延伸呈螺旋状，其两端分别通过连通管连接至取热部件内部的工质容纳腔，构成工质的密闭循环通路。

优选地，本发明抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置中，对于螺旋盘管，其最窄处的螺旋直径D满足：D≥2d，其中，d为取热部件在螺旋盘管内径向延伸的长度。

优选地，本发明抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置中，对于螺旋盘管，其为以下形状其中之一：其轴向两端的直径和中间的直径相同；其轴向一端的直径大于另一端的直径；或其轴向两端的直径大于中间的直径。

优选地，本发明抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置中，取热部件位于螺旋盘管轴向的中间位置或者一端。

优选地，本发明抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置中，取热部件位于螺旋盘管(20)轴向的中间位置

优选地，本发明抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置中，螺旋盘管的整段或某一段的外侧面具有散热翅片。

优选地，本发明抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置中，螺旋盘管的材料为以下材料其中的一种或多种组成的合金：不锈钢、金、银、铝、钛、镍和铜。

优选地，本发明抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置中，螺旋盘管的材料为铜或不锈钢。

优选地，本发明抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置中，螺旋盘管和连通管为一整段中空管或焊接在一起的三段中空管。

优选地，本发明抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置中，连通管呈“L”形或直线形。

优选地，本发明抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置中，螺旋盘管和连通管的内径介于1～50毫米之间。

优选地，本发明抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置包括多个取热部件，该多个取热部件通过并联或串联的方式连接至螺旋盘管的两端。

优选地，本发明抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置中，取热部件的取热面为平面或弧形面。

优选地，本发明抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置中，取热部件的取热面为平面，取热部件为长方形、正方形、半球形或半椭球形。

优选地，本发明抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置中，工质为以下一种：蒸馏水、酒精、氟利昂、R113制冷剂、丙酮、氨或液态金属。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置具有以下有益效果：

(1)采用螺旋盘管结构，取热部件设置于螺旋盘状结构的中间，克服了传统热管受重力影响较大的缺点，可以不受重力影响，在任意方位、任意角度的传热效果都突出；

(2)取热部件获取的热量在螺旋盘状结构中传导的过程中，实现了热量的轴向传导，同时盘管的螺旋形状摆脱了传统热管单一形状的束缚，热量在各个方向同时传导，导热效率更高；

(3)取热部件可以根据需要做成各种形状多面受热，多个取热部件相连，实现了多热源耦合传热。

附图说明

图1为根据本发明实施例螺旋盘管式非相变取热装置的结构示意图；

图2A和图2B分别为图1所示螺旋盘管式非相变取热装置中取热部件在水平面和竖直面的剖视图；

图3A和图3B分别为根据本发明另两实施例不同螺旋盘管形状的螺旋盘管式非相变取热装置的结构示意图；

图4为根据本发明另一实施例取热部件位于螺旋盘管内不同位置的螺旋盘管式非相变取热装置的结构示意图；

图5A和图5B分别为根据本发明另两实施例具有多个取热装置的螺旋盘管式非相变取热装置的结构示意图。

【主要元件说明】

10-取热部件；20-螺旋盘管；

21、22-端口；30-连通管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明利用非相变传热的原理，运行时循环工质不存在相变过程，而是通过控制工质随温度的形变，使热量更快地通过各物质单元传导，实现了更为快速的传热，能够承受很大的瞬态热流。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种螺旋盘管式非相变取热装置。图1为根据本发明实施例螺旋盘管式非相变取热装置的结构示意图。请参照图1，本实施例螺旋盘管式非相变取热装置包括：

取热部件10，其内部形成工质容纳腔，其外部形成至少一个与热源贴合的取热面；

螺旋盘管20，设置于取热部件10的径向外围，沿其轴向延伸呈螺旋状，其两端分别通过连通管30连接至取热部件10内部的工质容纳腔，构成工质的密闭循环通路；

在工作过程中，工质受热膨胀，热源的热量通过取热部件10的受热面传递至工质，形成的热波在工质里沿循环通路传递，通过螺旋盘管20散发出去。

本实施例中，采用螺旋盘管结构，克服了传统热管受重力影响较大的缺点，可以不受重力影响，在任意方位、任意角度的传热效果都突出。

以下分别对本实施例螺旋盘管式非相变取热装置的各个组成部分进行详细说明。

本实施例中，取热部件10为内部中空的长方体。外形尺寸范围为：长15～500毫米，宽15～500毫米，高15～500毫米，壁厚1～20毫米。

图2A和图2B分别为图1所示螺旋盘管式非相变取热装置中取热部件在水平面和竖直面的剖视图。请参照图1、图2A和图2B所示，除了连接连通管的顶面和地面之外的四个侧面4a、4b、4c、4d均可作为取热面，两个端口21和22位于上下相对的顶面和底面上。

本领域技术人员应当清楚，取热部件10外形没有限制，可以根据需要设计为任意形状，如长方形、正方形、半球形、半椭球形，只要其具有一个或多个与热源贴合的受热面，并且内部具有容纳工质的工质容纳腔即可。并且，受热面不限于平面，其也可以是弧形面或其他形状。热源可以是需要散热的电子器件或者携带有工业余热的废气、乏汽等。

在取热部件10的径向外围，设置螺旋盘管20。螺旋盘管20在整体上呈沿轴向延伸的螺旋状，其轴向的长度大于取热部件10沿该螺旋盘管20轴向的长度，取热部件10位于该螺旋盘管20轴向的中间位置。该螺旋盘管20的螺旋直径介于5mm～1000mm之间，螺旋圈数和间距不限。螺旋盘管20为铜管，其横截面为圆形，尺寸范围是：内径为1～50毫米，壁厚1～10毫米。

本实施例中，螺旋盘管20轴向的两端和中间的直径相同，如图1所示。但本发明并不以此为限，该螺旋盘管20轴向两端和中间的直径可以根据容置空间的需要进行设计，例如，该螺旋盘管10可以是：(1)一端直径大，另一端直径小的螺旋盘状结构，如图3A所示；或两端直径大，中间直径小的螺旋盘状结构，如图3B所示。

本实施例中，取热部件10位于螺旋盘管20轴向的中间位置。需要说明的是，本实施例仅为本发明的一个优选实施例。在本发明的其他实施例中，该取热部件10还可以位于螺旋盘管20的上端和下端，如图4所示。

在本发明其他的优选实施例中，为了增加螺旋盘管的散热效率，在螺旋盘管的整段或某一段的外侧面还具有散热翅片。该散热翅片可以是环状或者其他常见翅片形状。

此外，本发明对螺旋盘管横截面形状没有限制，只需满足当量直径大于内径1毫米圆管的当量直径。螺旋盘管的材料还可以是不锈钢、金、银、铝、钛、镍和铜等金属、合金，或者其他散热良好的材料。优选地，螺旋盘管的材料为铜或不锈钢。并且，优选地，螺旋盘管20最窄处的螺旋直径D满足：D≥2d，其中，d为取热部件10在螺旋盘管20内径向延伸的长度。

请参照图1，螺旋盘管20的两端通过L形的连通管30连接至取热部件10内部的工质容纳腔。螺旋盘管20和连通管30连接处采用普通焊接技术焊接。从而，取热部件10的工质容纳腔、螺旋盘管20、竖直连通管30共同组合成完整的密闭循环通路。该密闭循环通路内部抽成真空，填充有蒸馏水作为工质。

本领域技术人员应当清楚，连通管30的形状不局限于L形，其同样可以为直线形，只要实现将取热部件10内部的工质容纳腔连通至外围的螺旋盘管20即可。此外，除了蒸馏水之外，工质还可以是酒精、氟利昂、R113制冷剂、丙酮、氨或液态金属，如钾、钠等。

此外，还需要说明的是，虽然本实施例中对于螺旋盘管和联通管采用不同的标号进行表述，事实上，螺旋盘管和连通管可以是一整段中空管弯折为相应的形状，也可以是分离的多段中空管经焊接而成。

本实施例中，热量在取热器传递过程中，自取热部件沿循环回路向各个方向传递，摆脱了传统热管热量传递方向单一的局限性，导热效率更高。

以下介绍本实施例螺旋盘管式非相变取热装置的工作原理：取热部件10的一个或者多个受热面与热源紧密接触，吸收来自热源的热量之后，将热量传给内部的工质，工质受热膨胀，形成热波在工质里沿循环回路传递，迅速将热量传递到螺旋盘管，通过螺旋盘管将热量散发出去。

实验证明，本实施例螺旋盘管式非相变取热装置工质为蒸馏水，在其工作范围20℃～300℃内工作良好。对于氨或R113制冷剂等工质，工作温度为-60℃～100℃，对于汞等工质，工作温度为250℃～650℃，对于钠、钾等液态金属工质，工作温度为400℃～1000℃。

至此，本实施例螺旋盘管式非相变取热装置介绍完毕。

在本发明的其他实施例中，还提供了另外的两种螺旋盘非相变取热装置。该两种螺旋盘非相变取热装置与上述实施例的不同之处在于，其包括多个取热部件。

在本发明的另一实施例中，请参照图5A，两个取热部件呈并联方式，通过各自的竖直连通管分别与螺旋盘管连接，各自与螺旋盘管形成回路。

在本发明的再一实施例中，请参照图5B，两个取热部件呈串联方式，相互连通然后和螺旋盘管连接，共用一个连通回路，共同连通至螺旋盘管。

本领域技术人员应当清楚，取热部件数量可以任意增加，对于任意数量以及任意连接的取热部件，只需满足所有取热部件都位于螺旋盘管即可，各个取热部件的相对位置没有限制。

至此，已经结合附图对本发明多个实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明螺旋盘非相变取热装置有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

综上所述，本发明提供一种螺旋盘管式非相变取热装置。该螺旋盘管式非相变取热装置采用螺旋盘管结构，取热部件设置于螺旋盘状结构的中间，克服了传统热管受重力影响较大的缺点，热量同时向各个方向传导，导热效率更高。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置，其特征在于，包括：

取热部件(10)，其内部形成工质容纳腔，其外部形成至少一个与热源贴合的取热面；以及

螺旋盘管(20)，设置于所述取热部件(10)的径向外围，沿其轴向延伸呈螺旋状，其两端分别通过连通管(30)连接至所述取热部件(10)内部的工质容纳腔，构成工质的密闭循环通路；

其中，所述取热部件(10)位于所述螺旋盘管(20)轴向的中间位置，所述取热部件的至少一个取热面与热源紧密接触，吸收来自热源的热量之后，将热量传给内部的工质，工质受热膨胀，形成热波在工质里沿循环回路传递，将热量传递到螺旋盘管，通过螺旋盘管将热量散发出去。

2.根据权利要求1所述的抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置，其特征在于，对于所述螺旋盘管(20)，其最窄处的螺旋直径D满足：D≥2d，其中，d为所述取热部件(10)在所述螺旋盘管(20)内径向延伸的长度。

3.根据权利要求1所述的抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置，其特征在于，对于所述螺旋盘管(20)，其为以下形状其中之一：

其轴向两端的直径和中间的直径相同；

其轴向一端的直径大于另一端的直径；或

其轴向两端的直径大于中间的直径。

4.根据权利要求1所述的抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置，其特征在于，所述螺旋盘管的整段或某一段的外侧面具有散热翅片。

5.根据权利要求1所述的抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置，其特征在于，所述螺旋盘管(20)的材料为以下材料其中的一种或多种组成的合金：不锈钢、金、银、铝、钛、镍和铜。

6.根据权利要求5所述的抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置，其特征在于，所述螺旋盘管(20)的材料为铜或不锈钢。

7.根据权利要求1所述的抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置，其特征在于，所述螺旋盘管(20)和连通管(30)为一整段中空管或焊接在一起的三段中空管。

8.根据权利要求1所述的抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置，其特征在于，所述连通管(30)呈“L”形或直线形。

9.根据权利要求1所述的抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置，其特征在于，所述螺旋盘管(20)和连通管(30)的内径介于1～50毫米之间。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置，其特征在于，包括多个所述取热部件，该多个取热部件通过并联或串联的方式连接至所述螺旋盘管(20)的两端。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置，其特征在于，所述取热部件的取热面为平面或弧形面。

12.根据权利要求11所述的抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置，其特征在于，所述取热部件的取热面为平面，所述取热部件为长方形、正方形、半球形或半椭球形。

13.根据权利要求1至9中任一项所述的抗重力型螺旋盘管式非相变取热装置，其特征在于，所述工质为以下一种：蒸馏水、酒精、氟利昂、R113制冷剂、丙酮、氨或液态金属。