CN105202955B - 一种外部设置翅片的热管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热管，包括扁平管，所述扁平管包括互相平行的管壁，所述相邻的管壁之间形成流体通道，在管壁的外部设置外部翅片，沿着扁平管横截面的中间向两侧，所述翅片的高度不断减少。本发明使得热管整体上热管散热均匀，避免热管局部温度过热，提高散热效果，延长热管寿命。

Description

一种外部设置翅片的热管

技术领域

本发明属于热管领域，尤其涉及一种外部设置翅片的热管。

背景技术

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变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，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，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，采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果，开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备。

一般情况下，热管包括蒸发端和冷凝端，蒸发段的流体吸热蒸发，到冷凝端进行冷凝，将热量传递给外部的流体，无论是蒸发端还是冷凝端，在换热过程中会存在气液两相流的情况，而且随着热管的老化，热管中会产生一些不凝气体，从而导致热管换热系数的降低。

此外，热管蒸发端和冷凝端在换热过程中，蒸发端和冷凝端的各个位置换热量不同，从而导致局部换热不均匀。

针对上述问题，本发明提供了一种新的热管，从而解决热管换热的情况下的换热系数低及其换热不均匀的问题。

发明内容

本发明提供了一种新的热管，从而解决前面出现的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种热管，包括扁平管，所述扁平管包括互相平行的管壁，所述相邻的管壁之间形成流体通道，在管壁的外部设置外部翅片，其特征在于，沿着扁平管横截面的中间向两侧，所述翅片的高度不断减少。

作为优选，从中间向两侧，所述外部翅片的高度减少的幅度不断的增加。

作为优选，热管包括蒸发端和冷凝端，外部翅片设置在所述蒸发端和/或冷凝端。

作为优选，所述外部翅片为直板状，外部翅片的延伸方向沿着流体的流动方向。

作为优选，沿着流体的流动方向，外部翅片高度不断的增加。

作为优选，沿着流体的流动方向，外部翅片高度增加的幅度越来越大。

作为优选，热管包括设置在扁平管中的翅片，所述翅片设置在管壁之间，所述翅片包括倾斜于管壁的倾斜部分，在倾斜部分上通过冲压方式加工突起，从而使倾斜部分两侧的流体通过倾斜部分上冲压方式形成的孔连通；所述突起从倾斜部分沿着流体流动方向向外延伸。

作为优选，所述翅片包括水平部分，所述水平部分与管壁平行并且与管壁贴在一起，所述倾斜部分与水平部分连接；所述突起为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分上，相邻的管壁的距离为H，等腰三角形底边的长度为h，相邻的倾斜部分的距离为w，等腰三角形的顶角为b, 所述突起的延伸方向与流体的流动方向的夹角为a，倾斜部分与管壁之间的锐角的夹角为c，满足如下公式：

c6*h/H=c1*Ln(L*sin(a)/（w*sin(c))+c2,

sin(b/2)=c3+c4*sin(a)-c5*(sin(a))²，

其中Ln是对数函数，c1、c2、c3、c4、c5是系数，

0.24<c1<0.25, 0.68<c2<0.70,0.87<c3<0.88， 0.68< c4<0.70，1.14 <c5<1.15,

5.0<c6<6.5；

19°<a<71°，55°<b<165°,90°<c<70°；

10mm<w<15mm， 6mm<H<14mm；

0.19<L*sin(a)/w<0.41, 0.29<c6*h/H<0.47；

H是以相邻管壁相对的面之间的距离，W是以相邻的倾斜部分相对的面在沿着管壁方向上的距离，L为等腰三角形的顶点到底边中点的距离。

作为优选，c1=0.245，c2=0.694，

c3=0.873，c4=0.691，c5=1.1454，c6=6.13。

作为优选，所述突起的延伸方向与流体的流动方向的夹角为a，同一个倾斜部分设置多个突起，沿着流体的流动方向，所述的夹角a越来越小。

作为优选，同一个倾斜部分设置多个突起，多个突起交错从倾斜部分两侧向外延伸。

作为优选，所述突起延伸的长度为L，同一个倾斜部分设置多个突起，沿着流体的流动方向，所述的长度L越来越大。

作为优选，所述突起为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分上，作为优选，底边与倾斜部分的倾斜角度相同，所述等腰三角形的顶角为b，同一个倾斜部分设置多个突起，沿着流体的流动方向，所述的顶角b越来越大。

作为优选，所述突起为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分上，作为优选，底边与倾斜部分的倾斜角度相同，所述等腰三角形的底边为S1，同一个倾斜部分设置多个突起，沿着流体的流动方向，所述的S1越来越小。

与现有技术相比较，本发明的板式换热器及其换热管壁具有如下的优点：

1）本发明通过外部翅片规律性的变化，使得整体上热管散热均匀，避免热管局部温度过热，造成散热效果过差，延长热管寿命。

2）本发明通过在热管中设置冲压的突起的板翅散热片，解决了含有不凝气体或两相流的换热效率低的问题，大大的节约了能源，克服了热管换热系统效率低的问题。

3）冲压“突起”形成的小孔，借助“突起”下游压力场的影响，可实现翅片两侧介质的压力及质量交换，对粘性底层和液膜的稳定性造成破坏，强化换热；

4）通过大量的实验，确定了最佳的热管的结构尺寸；

5）通过设计相邻的管壁的距离为H，等腰三角形底边的长度为h，相邻的倾斜部分的距离为w，等腰三角形的顶角为b, 所述突起的延伸方向与流体的流动方向的夹角为a等参数沿着流体流动方向的变化，提高了换热效率或者降低流体压力。

附图说明

图1是本发明热管的结构示意图；

图2是本发明热管蒸发端或冷凝端横截面结构示意图；

图3是本发明外部设置翅片热管蒸发端或冷凝端横截面的结构示意图；

图4是本发明一个热管内翅片横切面的结构示意图；

图5是本发明外部设置翅片热管蒸发端或冷凝端横截面的改进结构示意图；

图6是本发明设置突起结构倾斜部分平面的示意图；

图7是本发明设置突起结构倾斜部分平面的另一个示意图；

图8是本发明的三角形突起结构示意图；

图9是本发明三角形突起流道中的切面结构示意图；

图10本发明突起向倾斜部分两侧延伸的结构示意图。

附图标记如下：

1热管，2流体通道，3管壁，4倾斜部分，5水平部分，6突起，7翅片，8蒸发段，9绝热段，10冷凝段，11外部翅片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

如图1所示，一种热管1，包括蒸发端8、冷凝端10，优选还包括绝热端9，蒸发端8吸热，热管中密封的流体蒸发，然后流体进入冷凝端10，经热量通过冷凝端传递给外部，然后换热后的流体成为液体，再流到蒸发端8。

如图2所示，所述热管1包括扁平管，所述扁平管包括互相平行的管壁3，所述相邻的管壁3之间形成流体通道2。在扁平管1内部设置翅片7，优选在热管1的蒸发端8和/或冷凝端10中设置翅片7。所述翅片7包括与管壁3倾斜的倾斜部分4，所述倾斜部分互相平行。在倾斜部分4上通过冲压方式加工突起6，从而使倾斜部分4两侧的流体通过倾斜部分4上通过冲压方式形成的孔连通；所述突起6从倾斜部分4向外延伸。

所述扁平管可以是一体化制造的，也可以是分体制造。

因为倾斜部分4互相平行，因此相邻的倾斜部分4与上下管壁之间构成了平行四边形通道。

通过设置突起6，具有如下的优点：

1）一方面可以破坏层流底层，没有损失换热面积，而且“尖”和“孔”可以分别在不同高度上扰动流体，强化换热；

2）冲压突起形成的小孔，借助突起下游压力场的影响，可实现翅片两侧介质的压力及质量交换，对粘性底层和液膜的稳定性造成破坏，强化换热。

3）针对含有不凝气体的流体或者两相流体，能够借助“突起”实现扩大气液界面以及气相边界层与冷却壁面的接触面积并增强扰动。

在蒸发端8和/或冷凝端内采取上述措施，能够极大的提高了流体的换热效率。与正常的流体换热相比，能够提高15－25％的换热效率。

作为优选，所述的突起6与流体的流动方向所形成的夹角为锐角，需要说明的是，此处以及后面所提及的流体的流动方向是指流体从蒸发端向冷凝端的流动方向。

作为优选，如图4所示，所述的翅片7为倾斜型翅片，所述翅片7包括水平部分5和倾斜部分4，所述水平部分5与管壁3平行并且与管壁3贴在一起，所述倾斜部分4与水平部分5连接。

图6中流体的流动方向是从左往右。但此处的左右只是说明流体沿着突起的流动方向，并不表示实际一定左右流动。

如图9所示，所述突起6的延伸方向与流体的流动方向的夹角为a，如图6所示，沿着流体的流动方向，同一个倾斜部分4设置多个突起6，沿着流体的流动方向，所述的夹角a越来越大。

通过实验发现，通过夹角a的逐渐变大，与夹角a完全相同相比，可以实现更高的换热效率，能够大约提高10％左右的换热效率。

作为优选，所述突起6延伸的长度为L，沿着流体的流动方向，同一个倾斜部分4设置多个突起6，沿着流体的流动方向，所述的长度L越来越大。通过实验发现，通过长度L的逐渐变大，与长度L完全相同相比，可以实现更高的换热效率，能够大约提高9％左右的换热效率。

作为优选，沿着流体的流动方向，长度L变大的幅度越来越小。通过实验发现，长度L的变大的幅度越来越小，可以保证换热效率的情况下，进一步降低流动阻力，能够大约降低5％左右的流动阻力。

作为优选，所述突起6为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分4上，作为优选，底边与倾斜部分的倾斜角度相同，所述等腰三角形的顶角为b，沿着流体的流动方向，同一个倾斜部分4设置多个突起6，沿着流体的流动方向，在底边长度保持不变的情况下，所述的突起顶角b越来越小。通过实验发现，通过突起顶角b的逐渐变小，与顶角b完全相同相比，可以实现更高的换热效率，能够大约提高7％左右的换热效率。

作为优选，沿着流体的流动方向，顶角b变小的幅度越来越小。通过实验发现，顶角b变小的幅度越来越小，可以保证换热效率的情况下，进一步降低流动阻力，能够大约降低4％左右的流动阻力。

作为优选，所述突起6为等腰三角形，所述等腰三角形的底边设置在倾斜部分上，作为优选，底边与倾斜部分的倾斜角度相同，所述等腰三角形的底边长度为h，沿着流体的流动方向，同一个倾斜部分4设置多个突起6，沿着流体的流动方向，同一个倾斜部分4设置多个突起，在顶角保持不变的情况下，沿着流体的流动方向，所述的h越来越大。通过实验发现，通过h的逐渐变大，与h完全相同相比，可以实现更高的换热效率，能够大约提高7％左右的换热效率。

作为优选，沿着流体的流动方向，h变大的幅度越来越小。通过实验发现，h变大的幅度越来越小，可以保证换热效率的情况下，进一步降低流动阻力，能够大约降低5％左右的流动阻力。

作为优选，沿着流体的流动方向，同一倾斜部分设置多排突起6，如图6和7所示，每排突起之间的距离为S2，沿着流体的流动方向，所述的S2越来越大。之所以如此设置，主要目的是通过S2的变大，实现在保证换热效率的情况下，进一步降低流动阻力。通过实验发现，流动阻力降低10％左右。

所述S2是以相邻排的突起的底边为计算距离的。

作为优选，如图7所示，多排突起6为错列结构。图7中流体是从上往下流动。但此处的上下只是说明流体沿着突起的流动方向，并不表示实际一定上下流动。

在实验中发现，相邻管壁3的距离不能过大，过大会导致换热效率的降低，过小会导致流动阻力过大，同理，对于等腰三角形的底边长度、顶角、突起、翅片倾斜部分的距离与流体流动方向的夹角都不能过大或者过小，过大或过小都会导致换热效率的降低或者流动阻力的变大，因此在相邻管壁3的距离、等腰三角形的底边长度、顶角、突起、翅片倾斜部分与流体流动方向的夹角之间满足一个最优化的尺寸关系。

因此，本发明是通过多个不同尺寸的换热器的上千次数值模拟以及试验数据，在满足工业要求承压情况下（10MPa以下），在实现最大换热量的情况下，总结出的最佳的换热管壁的尺寸优化关系。

相邻的管壁的距离为H，等腰三角形底边的长度为h，相邻的倾斜部分的距离为w，倾斜部分与管壁之间的锐角的夹角为c，满足如下公式：

c6*h/H=c1*Ln(L*sin(a)/（w*sin(c))+c2,

sin(b/2)=c3+c4*sin(a)-c5*(sin(a))²，

其中Ln是对数函数，c1、c2、c3、c4、c5是系数，

0.24<c1<0.25, 0.68<c2<0.70,0.87<c3<0.88， 0.68< c4<0.70，1.14 <c5<1.15,

5.0<c6<6.5；

19°<a<71°，55°<b<165°,90°<c<70°；

10mm<w<15mm， 6mm<H<14mm；

0.19<L*sin(a)/w<0.41, 0.29< c6*h/H<0.47；

H是以相邻管壁相对的面之间的距离，W是以相邻的倾斜部分相对的面在沿着管壁方向上的距离，L为等腰三角形的顶点到底边中点的距离。

作为优选，c1=0.245，c2=0.694，

c3=0.873，c4=0.691，c5=1.1454，c6=6.13。

作为优选，85°<c<80°。

作为优选，随着夹角c的增加，c6越来越小。

通过上述公式的出的“突起”的最佳的几何尺度，可以提高换热效率，同时可以实现仅对粘性底层、或包含液膜、及至包含气相边界层不同尺度内热阻的强化，避免措施过度，造成不必要的阻力损失。

作为优选，所述的同一排的相邻的突起的底边都在一条线上，同一排相邻的突起距离为S1，所述2.5×h<S1<3.8×h，其中S1是以相邻两个等腰三角形突起的底边的中点的距离。优选为3.0×h =S1。

作为优选，相邻排的突起的等腰三角形的底边互相平行，等腰三角形的顶点到底边中点的距离为L，相邻排的距离S2为3.2*L<S2<5.2*L。优选为S2＝4.5*L

相邻排的等腰三角形的底边不同时，采取两条底边的加权平均数来计算。

作为优选，同一排的等腰三角形的夹角和底边完全相同。即形状完全相同，为相等形。

对于前面的公式，对于前后排尺寸不同的突起，也依然适用。

对于没有提到的具体尺寸参数，按照正常的换热器进行设计。

作为优选，如图10所示，倾斜部分上设置多个突起6，所述突起向倾斜部分的不同侧延伸

作为优选，同一个倾斜部分设置多排突起，至少一排突起与其他排突起向倾斜部分的延伸侧不同。

作为优选，相邻的每排突起向倾斜部分的不同侧延伸。

通过如此设置，可以使得流体在倾斜部分两侧的通道中交替换热换质，进一步提高换热效率。与在同一侧相比，能够提高8％左右。

作为优选，如图2所示，在热管1的管壁3的外部设置翅片11，优选在所述蒸发端8和/或冷凝端10外部设置翅片。

作为优选，所述翅片为直板状，翅片的延伸方向沿着流体的流动方向，即如图2所示，沿着垂直于纸面的方向。

作为优选，沿着流体的流动方向，外部翅片11高度不断的增加，高度增加的幅度越来越大。通过增加翅片高度，从而增加翅片的换热面积。实验发现，通过如此设置，与翅片高度完全相同相比，可以提高大约5%的换热效率。

作为优选，如图5所示，沿着热管1横截面的中间向两侧，所述翅片11的高度不断减少。其中，位于热管1的中间位置，翅片的高度最高。

因为通过试验发现，热管在中部散热最多，从中部向两侧，散热逐渐变小，因此通过设置热管的外部翅片高度变化，这样使得热管的散热面积在中部最大，在两侧最小，使得中部散热能力最大，这样符合热管热量的散热规律，使得整体上热管散热均匀，避免热管局部温度过热，造成散热效果过差，造成热管寿命的缩短。

作为优选，从中间向两侧，所述翅片11的高度减少的幅度不断的增加。

通过上述设置，也是符合热管的散热规律，进一步提高热管的换热效率，增加热管的寿命。

作为优选，所述热管是重力热管。

作为优选，所述热管的内部设置毛细材料。

作为优选，所述热管的运行温度是100－500℃，作为优选是250-400摄氏度。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (4)

1.一种热管，包括扁平管，所述扁平管包括互相平行的管壁，所述互相平行的管壁之间形成流体通道，在管壁的外部设置外部翅片，其特征在于，沿着扁平管横截面的中间向两侧，所述翅片的高度不断减少，从中间向两侧，所述外部翅片的高度减少的幅度不断的增加，热管包括蒸发端和冷凝端，外部翅片设置在所述蒸发端和/或冷凝端，热管包括设置在扁平管中的翅片，所述翅片设置在管壁之间，所述翅片包括倾斜于管壁的倾斜部分，在倾斜部分上通过冲压方式加工突起，从而使倾斜部分两侧的流体通过倾斜部分上冲压方式形成的孔连通；所述突起从倾斜部分沿着流体流动方向向外延伸；所述突起的延伸方向与流体的流动方向的夹角为a，同一个倾斜部分设置多个突起，沿着流体的流动方向，所述的夹角a越来越小。

2.如权利要求1所述的热管，其特征在于，所述外部翅片为直板状，外部翅片的延伸方向沿着流体的流动方向。

3.如权利要求1所述的热管，其特征在于，沿着流体的流动方向，外部翅片高度不断的增加。

4.如权利要求3所述的热管，其特征在于，沿着流体的流动方向，外部翅片高度增加的幅度越来越大。