CN104296568A - 一种强制对流热管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强制对流热管，在热管内部设计了喷气装置，使得气体在热管内壁面形成强制对流，同时增强壁面气-液、固-液及气-固界面之间的传热效率，从而增强冷凝效率，并且气流能有效向下吹动热管内壁面的冷凝液体，增强冷凝液体的回流效率，并减小热管内壁面的热阻，进一步强化热管的冷凝效率，提升热管的整体传热效率。本发明所述热管可以较好地应用于电子芯片、仪器设备冷却的场合。

Description

一种强制对流热管

技术领域

本发明属于热管技术领域，具体来说，涉及一种强制对流热管。

背景技术

热管充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其等效导热能力超过任何已知金属。热管技术被广泛应用在宇航、军工以及民用电子产品散热等行业.热管技术使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式。

在热管系统中,由于热管蒸发段通常为沸腾换热，换热系数较大，而冷凝段的外部由于安装有翅片等扩展面具有较大的换热面积，也能获得较好的传热能力。基于此，热管内壁面的冷凝效率是影响热管整体传热效率的一个重要因素。目前限制热管内壁面冷凝效率的因素主要有三个方面：(1)冷凝段的内壁面的换热面积受到限制；(2)虽然热管内部蒸发段存在沸腾会引起扰动,但是冷凝气体在热管稳定工作后压力变化较小,在热管内壁面冷凝的气体扰动较小,气体在冷凝壁面的对流传热系数较低；(3)气体冷凝的液体在热管内壁面形成液膜或液滴会增加热管的冷凝热阻，使得其换热效果受限制。因此，强化热管换热的关键在于促进冷凝段的内壁换热，并减小冷凝液膜厚度。由于空间限制，增加热管内壁面换热面积较为困难，而且采用异性表面等方法会进一步增加冷凝液体的附着，造成热阻进一步增加。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种强制对流热管，在热管内部设计了喷气装置，使得气体在热管内壁面形成强制对流，强化其对流传热系数和冷凝效率，并且气流能有效向下吹动热管内壁面的冷凝液体，强化冷凝液体的回流效率和冷凝液体与固体壁面之间的传热效率,还能减小热管内壁面附着冷凝液造成的热阻，进一步强化热管的冷凝效率，提升热管的整体传热效率。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种强制对流热管，该热管包括热管外壳、散热翅片、以及位于热管外壳内部的热管内胆和n根喷气弯管；所述的散热翅片固定连接在热管外壳的外壁面上，热管外壳的侧面和顶面为冷凝段；热管内胆固定连接在热管外壳的内壁面上，热管内胆的内部空间由下至上依次为相连通的沸腾池、增压室和活塞室；增压室与热管外壳之间形成回流通道，液体工质位于沸腾池和回流通道中；沸腾池的侧壁面底部设有单向阀片，单向阀片连通沸腾池和回流通道；活塞室内设有活塞，活塞和活塞室壁面之间设有密封圈，活塞可沿着活塞室的内壁面上下滑动；增压室的上部壁面设有活塞定位凸台，活塞的底面可与活塞定位凸台的顶面接触；喷气通道外壁固定连接在活塞室的外壁面上，喷气通道外壁和活塞室外壁之间形成喷气通道，活塞室壁面的下部设有喷气进气口；喷气进气口连通活塞室和喷气通道；喷气弯管的进气端连接在活塞室的顶面和喷气通道外壁的顶面上，喷气弯管为中空管，且喷气弯管与喷气通道连通；喷气弯管的出气端向下倾斜，且朝向热管外壳的内壁面；n为大于3的整数。

进一步，所述的喷气弯管为10—20根，且喷气弯管沿周向均匀布设在活塞室的顶端。

进一步，所述的喷气弯管中，相邻的两根喷气弯管之间具有间隙，喷气弯管的出气端呈扁平状,且喷气弯管的横截面积沿流向逐渐缩小。

进一步，所述的喷气弯管的出气端的中心线与热管外壳内壁面之间的夹角为10-20度。

进一步，所述活塞的底部为平面,活塞的顶部为锥形。

进一步，所述的回流通道的长度、活塞质量及密封圈的摩擦参数满足下式：

ρghS＝1.2(Gh+f)

其中，ρ为液体工质的密度，g为重力加速度，h为回流通道的高度，S为活塞的底面积，G为活塞的重量，f为密封圈的摩擦阻力。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，与现有技术相比，本发明提供一种强制对流热管，在热管内部设计了喷气装置，使得气体在热管内壁面形成强制对流，强化冷凝效率。本发明中，喷气通道外壁和活塞室外壁之间形成喷气通道，活塞室壁面的下部设有喷气进气口。喷气进气口连通活塞室和喷气通道。喷气弯管的进气端连接在活塞室的顶面和喷气通道外壁的顶面上，喷气弯管与喷气通道连通。喷气弯管的出气端向下倾斜，且朝向热管外壳的内壁面。当增压室气压足够大的时候，位于活塞室中的活塞被增压室的气体推上去，增压室中的气体通过喷气进气口进入喷气通道中。喷气通道中的气流通过喷气弯管沿着斜下方吹向冷凝段的壁面，使得气体在热管外壳内壁面形成强制对流,使得气体与冷凝壁面的对流换热系数增强,从而强化其传热和冷凝效率。

第二，本发明设置喷气气流吹向冷凝段的壁面，气流能有效向下吹动热管内壁面的冷凝液体，强化冷凝液体的回流效率，并减小热管内壁面的热阻，进一步强化热管的冷凝效率，提升热管的传热效率。本发明中，喷气弯管的出气端向下倾斜，且朝向热管外壳的内壁面。这样，从喷气弯管喷出的气流向下吹动冷凝段内壁面上的冷凝液体，使冷凝液体快速流至回流通道中，强化冷凝液体的回流效率。同时，通过从喷气弯管喷出的气流向下吹动热管外壳内壁面上的冷凝液体，可以强化冷凝液体与固体壁面之间的传热效率,而且吹动附着的冷凝液体快速回流可减小热管外壳内壁面液体的附着量,能有效减小传热热阻，进一步强化热管的冷凝效率。在冷凝液体快速回流后，形成的干壁面与喷出的气体之间的气-固界面的传热系数也会因强制对流进一步加强，从而使得热管的整体传热效率得到提高。

第三，本发明活塞顶部设计为锥形,活塞室顶部链接有n个独立的喷气弯管，喷气弯管之间的间隙可以有效排放掉活塞顶部存积的冷凝液体，保证了活塞的稳定运行。

第四,本发明喷气弯管沿周向均匀布设在活塞室的顶端,喷气弯管的出气端呈扁平状,且喷气弯管是一种横截面积沿流向逐渐缩小的收敛喷管，喷气弯管的出气端的中心线与热管外壳内壁面之间的夹角为10-20度。这样可保证喷气弯管的出口等均匀、全面、高效地对热管内壁面进行喷气。

附图说明

图1为本发明处于停止工作状态时，热管的剖视图。

图2为本发明处于稳定工作状态时，热管的剖视图。

图3为图1中A-A截面的剖视图。

图中有：热管外壳1、冷凝段2、沸腾池3、散热翅片4、液体工质5、热管内胆6、单向阀片7、增压室8、回流通道9、活塞定位凸台10、活塞11、密封圈12、喷气进气口13、喷气通道14、活塞室15、喷气弯管16。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的描述。

如图1至图3所示，本发明的一种强制对流热管，包括热管外壳1、散热翅片4、以及位于热管外壳1内部的热管内胆6和n根喷气弯管16。散热翅片4固定连接在热管外壳1的外壁面上，热管外壳1的侧面和顶面为冷凝段2。热管内胆6固定连接在热管外壳1的内壁面上，热管内胆6的内部空间由下至上依次为相连通的沸腾池3、增压室8和活塞室15。增压室8与热管外壳1之间形成回流通道9，液体工质5位于沸腾池3和回流通道9中。沸腾池3的侧壁面底部设有单向阀片7，单向阀片7连通沸腾池3和回流通道9。活塞室15内设有活塞11，活塞11和活塞室15壁面之间设有密封圈12，活塞11可沿着活塞室15的内壁面上下滑动。增压室8的上部壁面设有活塞定位凸台10，活塞11的底面可与活塞定位凸台10的顶面接触。喷气通道外壁固定连接在活塞室15的外壁面上，喷气通道外壁和活塞室15外壁之间形成喷气通道14，活塞室15壁面的下部设有喷气进气口13。喷气进气口13连通活塞室15和喷气通道14。喷气弯管16的进气端连接在活塞室15的顶面和喷气通道外壁的顶面上，喷气弯管16为中空管，且喷气弯管16与喷气通道14连通。喷气弯管16的出气端向下倾斜，且朝向热管外壳1的内壁面；n为大于3的整数。

进一步，所述的喷气弯管16为10—20根，且喷气弯管16沿周向均匀布设在活塞室15的顶端，以保证喷气的均匀和受力的平衡。

进一步，所述的喷气弯管16中，相邻的两根喷气弯管16之间具有间隙，可以有效排放掉活塞室15里面存积的冷凝液体，保证了活塞的稳定运行。喷气弯管16的出气端呈扁平状,且喷气弯管16是一种横截面积沿流向逐渐缩小的收敛喷管。由于热管系统中喷气速度往往小于音速，设置截面积减缩的收敛喷管可保证气体能有效克服流道的阻力，并能保障喷嘴出口的流速。

进一步，所述的喷气弯管16的出气端的中心线与热管外壳1内壁面之间的夹角为10-20度，可保证喷气弯管的出口等均匀、全面、高效地对热管内壁面进行喷气。

进一步，所述活塞11的底部为平面,活塞11的顶部为锥形。这样可以排放掉活塞11顶部残存的冷凝液体，使其通过喷气弯管16之间的间隙流入回流通道9，保障活塞的稳定运行。

进一步，所述的回流通道9的长度、活塞11质量及密封圈12的摩擦参数满足下式：

ρghS＝1.2(Gh+f)

其中，ρ为液体工质5的密度，g为重力加速度，h为回流通道9的高度，S为活塞11的底面积，G为活塞11的重量，f为密封圈12的摩擦阻力。这保证了在回流通道9冷凝的液体的液面升高至顶部之前，其压力能大于增压室8的压力，使得回流通道9冷凝液体能顺利通过单向阀片7流回至沸腾池3。系数1.2为回流通道9设置长度的安全系数。

本发明的强制对流热管的工作原理和工作过程如下：

如图1所示，在热管工作初始时刻，未进行加热时，由于液体工质5为冷却液体，增压室8和回流通道9的液位相等。在热管进行工作后，沸腾池3温度升高到沸点后，液体工质5开始气化，由于单向阀片7的存在，沸腾池3气化产生的气体进入增压室8，而无法进入回流通道9。随着沸腾池3气化的气体逐渐增多，增压室8里面气压升高。当增压室8气压足够大的时候，位于活塞室15中的活塞11被增压室8的气体推上去，增压室8中的气体通过喷气进气口13进入喷气通道14中。此时热管结构图如图2所示。在热管运行稳定后，源源不断的气体从增压室8进入喷气通道14中。喷气通道14中的气流通过喷气弯管16沿着斜下方吹向冷凝段2的壁面，使得气体在热管外壳内壁面形成强制对流,使得气体在热管外壳1内壁面形成强制对流，使得气体与冷凝壁面的对流换热系数增强,从而强化其传热和冷凝效率。同时，从喷气弯管16喷出的气流向下吹动热管外壳1内壁面上的冷凝液体，使冷凝液体快速流至回流通道9中，强化冷凝液体的回流效率。同时，通过从喷气弯管16喷出的气流向下吹动热管外壳1内壁面上的冷凝液体，可以强化冷凝液体与热管外壳1的固体壁面之间的传热效率,而且吹动附着的冷凝液体快速回流可减小热管外壳1内壁面液体的附着量,由于冷凝液体的热阻远大于热管壁面，减小内壁面液体的附着量能有效减小传热热阻，进一步强化热管的冷凝效率，提升热管的传热效率。

通过喷气弯管16吹出的气体在热管外壳1内壁面冷凝成液体，并被吹入回流通道9。随着回流液体的增加，当回流通道9的液位足够高，回流通道9在单向阀片7处的压力大于沸腾池3的压力时，单向阀片7打开，液体重新流回沸腾池3，实现循环。

本发明能有效增加热管内壁面冷凝的气体的流速，并且减小热管冷凝壁面因为液体附着而形成的热阻，从而获得较高的传热效率。本发明正是基于从增加气体对流强度和减小冷凝段上冷凝液体附着两方面着手，设计的强制对流热管,来强化热管内部的气流流速并且有效减小液膜的附着。所以，本发明所述强制对流热管能同时强化热管内的气液、固液和气固界面之间的换热,还能减小液体附着造成的热阻,在工业散热、电子设备冷却、仪器冷却等场合具有较大应用前景。

Claims (6)

1.一种强制对流热管，其特征在于：该热管包括热管外壳(1)、散热翅片(4)、以及位于热管外壳(1)内部的热管内胆(6)和n根喷气弯管(16)；

所述的散热翅片(4)固定连接在热管外壳(1)的外壁面上，热管外壳(1)的侧面和顶面为冷凝段(2)；热管内胆(6)固定连接在热管外壳(1)的内壁面上，热管内胆(6)的内部空间由下至上依次为相连通的沸腾池(3)、增压室(8)和活塞室(15)；增压室(8)与热管外壳(1)之间形成回流通道(9)，液体工质(5)位于沸腾池(3)和回流通道(9)中；沸腾池(3)的侧壁面底部设有单向阀片(7)，单向阀片(7)连通沸腾池(3)和回流通道(9)；活塞室(15)内设有活塞(11)，活塞(11)和活塞室(15)壁面之间设有密封圈(12)，活塞(11)可沿着活塞室(15)的内壁面上下滑动；增压室(8)的上部壁面设有活塞定位凸台(10)，活塞(11)的底面可与活塞定位凸台(10)的顶面接触；喷气通道外壁固定连接在活塞室(15)的外壁面上，喷气通道外壁和活塞室(15)外壁之间形成喷气通道(14)，活塞室(15)壁面的下部设有喷气进气口(13)；喷气进气口(13)连通活塞室(15)和喷气通道(14)；喷气弯管(16)的进气端连接在活塞室(15)的顶面和喷气通道外壁的顶面上，喷气弯管(16)为中空管，且喷气弯管(16)与喷气通道(14)连通；喷气弯管(16)的出气端向下倾斜，且朝向热管外壳(1)的内壁面；n为大于3的整数。

2.按照权利要求1所述的强制对流热管，其特征在于：所述的喷气弯管(16)为10—20根，且喷气弯管(16)沿周向均匀布设在活塞室(15)的顶端。

3.按照权利要求2所述的强制对流热管，其特征在于：所述的喷气弯管(16)中，相邻的两根喷气弯管(16)之间具有间隙，喷气弯管(16)的出气端呈扁平状,且喷气弯管(16)的横截面积沿流向逐渐缩小。

4.按照权利要求1所述的强制对流热管，其特征在于：所述的喷气弯管(16)的出气端的中心线与热管外壳(1)内壁面之间的夹角为10-20度。

5.按照权利要求1所述的强制对流热管，其特征在于：所述活塞(11)的底部为平面,活塞(11)的顶部为锥形。

6.按照权利要求1所述的强制对流热管，其特征在于：所述的回流通道(9)的长度、活塞(11)质量及密封圈(12)的摩擦参数满足下式：

ρghS＝1.2(Gh+f)

其中，ρ为液体工质(5)的密度，g为重力加速度，h为回流通道(9)的高度，S为活塞(11)的底面积，G为活塞(11)的重量，f为密封圈(12)的摩擦阻力。