CN108168342B

CN108168342B - 高热流反重力热管

Info

Publication number: CN108168342B
Application number: CN201711498351.XA
Authority: CN
Inventors: 李志刚; 李玉华; 李铁; 胡和敏; 刘云; 姜玉雁; 郭朝红; 曾秒
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2037-12-29
Also published as: CN108168342A

Abstract

本公开提供了一种高热流反重力热管，在保留传统热管蒸发和冷凝换热机制的基础上，取消了阻碍工质流动的毛细芯结构，直接利用冷、热端温差所伴随的饱和压差作为驱动力，并利用特斯拉(Tesla)阀、多段变径管、单向阀、浮子阀等流向引导装置构成的非对称流道结构促成工质的单向流动，实现更强的反重力传热效果。本公开提供的高热流反重力热管无需外加动力，可弯曲变形、可灵活布置，能够克服实际地形地势或设备结构布局的限制，尤其适用于存在晃动、倾斜或姿态变化等变动加速度环境，热源位置高于冷源、需要向下传输热量的情形，具有广阔应用前景。

Description

高热流反重力热管

技术领域

本公开涉及传热器件领域，尤其涉及一种高热流反重力热管。

背景技术

传统热管利用工作流体的汽、液相变，通过在加热端吸热蒸发，蒸汽流动至冷端散热冷凝，冷凝液再依靠重力或毛细吸力返回到加热端，如此循环往复，将热量从热端引导至冷端，从而实现高强度传热能力。其中在重力式热管中，气体依靠密度差形成的浮升力向上运动，冷凝液依靠自身重力返回到加热端，因而热端位置必须位于冷端之下才能正常工作，从而限制了其应用范围。

由于在热管理和热防护领域中，都经常存在变动加速度环境下的传热问题，例如在机载、车载、运动电子器件及飞行器外壳中，经常出现器件晃动、倾斜或姿态变化，热源位置高于冷源、需要向下传输热量的情形；在太阳能、核能和余热利用领域中，也经常受到实际地形地势、设备结构布局的限制，需要传热器件可弯曲、可变形、可灵活布置，具备较强的反重力传热能力。具有毛细芯的热管，冷凝液能够依靠毛细吸力返回到热端，从而具有一定的反重力能力，但毛细芯属于多孔介质，会带来较高的流动阻力，从而显著减弱了工作流体的流速，成为限制传热能力的主要瓶颈之一。此外，由于毛细吸力本身较弱，因而利用毛细吸力作用能够实现的反重力传热效果非常有限，一般最高热流密度负荷在几W/cm²至130W/cm²之间。

因此，目前在诸多行业和领域中，客观上都存在着对于更高热流密度传热能力、更强反重力效果传热器件的迫切需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种高热流反重力热管，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种高热流反重力热管，为封闭环路流体通道，其包括：蒸发段；冷凝段，蒸发段入口高于冷凝段入口，冷凝段入口与蒸发段出口通过蒸汽通道连接，冷凝段出口与蒸发段入口通过过冷液通道连接；流向引导装置，设置在蒸发段入口和/或冷凝段出口；以及充装口，设置在封闭环路流体通道的任意位置上。

在本公开的一些实施例中，流向引导装置包括：特斯拉阀，特斯拉阀第一端与蒸发段入口连接，特斯拉阀第二端与过冷液通道连接。

在本公开的一些实施例中，流向引导装置包括：多段变径管，多段变径管第一端与蒸发段入口连接，多段变径管第二端与过冷液通道连接。

在本公开的一些实施例中，流向引导装置包括：第一单向阀；第一单向阀第一端与蒸发段入口连接，第一单向阀第二端与过冷液通道连接；以及第二单向阀；第二单向阀第一端与冷凝段出口连接，第二单向阀第二端与过冷液通道连接。

在本公开的一些实施例中，流向引导装置还包括：浮子阀，设置在导流通道中，控制导流通道的开闭；导流通道分别连通过冷液通道顶部蒸汽空间、蒸发段入口和蒸发段出口。

在本公开的一些实施例中，热管由刚性管壁材料制成。

在本公开的一些实施例中，蒸发段和冷凝段为螺旋盘管。

在本公开的一些实施例中，蒸发段和冷凝段为平面/空间布置的蛇形管。

在本公开的一些实施例中，蒸发段和冷凝段管壁外侧均设有翅片。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开高热流反重力热管至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)直接利用冷、热端温差所伴随的饱和压差作为驱动力，并利用流向引导装置构成非对称通道结构，促进工质的单向流动，实现更强的反重力传热效果。

(2)流向引导装置具有正向流动阻力远小于逆向流动阻力的特性，能够促进流体按照指定方向单方向流动。

本公开无需外加动力，可弯曲变形、可灵活布置，能够克服实际地形地势或设备结构布局的限制，尤其适用于存在晃动、倾斜或姿态变化等变动加速度环境，热源位置高于冷源、需要向下传输热量的情形，具有广阔应用前景。

附图说明

图1为本公开第一实施例高热流反重力热管的结构示意图。

图2为本公开第二实施例高热流反重力热管的结构示意图。

图3为本公开第三实施例高热流反重力热管储液阶段的结构示意图。

图4为本公开第三实施例高热流反重力热管回液阶段的结构示意图。

图5为本公开第四实施例高热流反重力热管储液阶段的结构示意图。

图6为本公开第四实施例高热流反重力热管回液阶段的结构示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种高热流反重力热管，在保留传统热管蒸发和冷凝换热机制的基础上，取消了阻碍工质流动的毛细芯结构，由于取消毛细芯流动阻力及其回液能力的限制，高热流反重力热管的最高热流密度负荷可达1000W/cm²左右，能够显著提高传热能力，尤其适用于大热流、长距离的热传输。本公开直接利用冷、热端温差所伴随的饱和压差作为驱动力，并利用特斯拉(Tesla)阀、多段变径管、单向阀、浮子阀等流向引导装置构成的非对称流道结构促成工质的单向流动，能够实现更强的反重力传热效果。此外，本公开的热管无需外加动力，可弯曲变形、可灵活布置，能够克服实际地形地势或设备结构布局的限制，尤其适用于存在晃动、倾斜或姿态变化等变动加速度环境，热源位置高于冷源、需要向下传输热量的情形，具有广阔应用前景。

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种高热流反重力热管。图1为本公开第一实施例高热流反重力热管的结构示意图。如图1所示，本公开提供的高热流反重力热管包括：蒸发段100；冷凝段300与蒸发段100串接设置，蒸发段100入口高于冷凝段300入口，冷凝段300入口与蒸发段100出口通过蒸汽通道200连接，冷凝段300出口与蒸发段100入口通过过冷液通道400连接；流向引导装置，流向引导装置可以设置在蒸发段100入口和/或冷凝段300出口，这里流向引导装置包括特斯拉阀610，其第一端与蒸发段100入口连接，其第二端与过冷液通道400连接，构成非对称的管道结构；充装口500，其设置在蒸汽通道200上。通道由刚性管壁材料制成，并从充装口500充入适量相变流体。当从外部向蒸发段100加热时，通道中的流体逐渐达到沸点，产生大量汽泡，两相流体在汽泡浮升力作用下沿图中箭头所示方向流动。可根据实际需要对蒸汽通道200采取绝热保温措施以增加热输送距离。在冷凝段300采取外部冷却措施，方法包括传导、对流、辐射等，使蒸汽在冷凝段300冷凝成液体，并沿图示方向朝蒸发段100回流。工质在回流过程中可能进一步向环境散热，形成过冷液体，即温度低于冷凝段的饱和温度。由于蒸发段100中的沸腾具有很强的局部压力提升作用，而特斯拉阀610具有正向流动阻力远小于逆向流动阻力的特性，能够促进工质沿图示方向单方向流动，并对过冷液通道400中的液体产生抽吸作用。因此蒸发段100与特斯拉阀610相结合，能够起到泵的作用，显著提升工质流动的驱动力。随着加热功率的提高，工质流速也会提高，蒸发段100与特斯拉阀610的增压和泵送作用会更显著，从而使得蒸发段的液位A1高于冷凝段的液位D1，形成反重力传热效果，尤其适用于车载、机载等存在晃动、倾斜和变加速度环境下发热器件的热管理场合。由于系统中取消了传统热管的毛细芯结构，能够显著提高通流能力和传热能力。此外，工质流动所需动能仅由外部热源作用产生，无需任何外加电力或机械动力，结构简单可靠、成本低廉，并能达到节能效果。

至此本公开第一实施例高热流反重力热管介绍完毕。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种高热流反重力热管。第二实施例与第一实施例相比不同之处在于流向引导装置由特斯拉阀610更换为多段变径管620，构成非对称的管道结构。图2为本公开第二实施例高热流反重力热管的结构示意图。如图2所示，多段变径管620也具有正向流动阻力远小于逆向流动阻力的特性，能够促进流体沿图示方向单方向流动。其工作原理与第一实施例相似，这里不再赘述。

至此本公开第二实施例高热流反重力热管介绍完毕。

在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种高热流反重力热管。第三实施例与第一实施例相比不同之处在于流向引导装置由特斯拉阀610更换为分别设置在蒸发段入口的第一单向阀631和设置在冷凝段出口的第二单向阀632，构成非对称的管道结构。图3为本公开第三实施例高热流反重力热管储液阶段的结构示意图。图4为本公开第三实施例高热流反重力热管回液阶段的结构示意图。如图3、图4所示，封闭环路流体通道主要包括蒸发段100、蒸汽通道200、冷凝段300、过冷液通道400、位于蒸发段入口的第一单向阀631以及位于冷凝段出口的第二单向阀632，且过冷液通道400最高点的位置高于蒸发段100的最高点。通道由刚性管壁材料制成，并从充装口500充入适量相变流体。当从外部向蒸发段100加热时，通道中的流体逐渐达到沸点，产生大量汽泡，两相流体在汽泡浮升力作用下沿箭头所示方向流动。可根据实际需要对蒸汽通道200采取绝热保温措施以增加热输送距离。在冷凝段300采取外部冷却措施，方法包括传导、对流、辐射等，使得蒸汽在冷凝段300处冷凝成液体。由于蒸发段温度高于冷凝段温度，因而蒸发段的饱和压力p_e也高于冷凝段的饱和压力p_c，工质在此压差作用下，沿图中箭头所示方向流动。工质在流动过程中进一步向环境散热，形成过冷液体，即温度低于冷凝段的饱和温度，使得蒸发段100、蒸汽通道200和冷凝段300形成相对高压区，过冷液通道400形成相对低压区，此压差能够自动将第二单向阀632打开，而将第一单向阀631关闭，从而驱使工质沿过冷液通道400的上升段上升，并越过最高点，在过冷液通道400的下降段中蓄积，如图3所示。此过程一直进行到蒸发段100中的液体接近全部蒸发，此时由于蒸发速率的瞬时下降，蒸汽通道200中蒸汽流动接近停止，静止蒸汽由于向环境散热而瞬间冷凝，从而使得蒸汽通道200、蒸发段100和冷凝段300形成相对低压区，过冷液通道400形成相对高压区，在此压差以及过冷液通道400下降段中蓄积液柱重力的共同作用下，第一单向阀631被自动打开，第二单向阀632被自动关闭，过冷液向蒸发段100回流，如图4所示，此过程一直持续到蒸发段中液位恢复到初始状态为止。然后再周而复始地重复上述循环，从而将热量从热端传递至冷端。通过恰当地设计蒸发段100、冷凝段300和过冷液通道400的温度以及充装工质的种类，总能获得足够的压差驱动力，推动过冷液通道400中的液位(B3’和C3’)上升到比过冷液通道400最高点更高的位置，从而能够借助于重力作用将液体补充到蒸发段100，由此实现较强的反重力传热效果，即蒸发段100的位置可高于冷凝段300的位置。同样，此方案无需毛细芯，也无需外加驱动力，与传统热管相比，能够显著提高热流密度和热传输距离。

至此本公开第三实施例高热流反重力热管介绍完毕。

在本公开的第四个示例性实施例中，提供了一种高热流反重力热管。第四实施例与第三实施例相比不同之处在于增加了浮子阀640和导通流道650，用于在回液阶段保持过冷液通道400顶部蒸汽空间与蒸发段100顶部蒸汽空间相互连通和压力均衡，以利于液体顺畅回流。与第二种方案相比，浮子阀640与蒸发段100保持连通，液位大致相同。图5为本公开第四实施例高热流反重力热管储液阶段的结构示意图。图6为本公开第四实施例高热流反重力热管回液阶段的结构示意图。如图5所示，在储液阶段，较高的液位使浮子阀640上升，将导通流道650关闭，蒸发段100上方压力较高的蒸汽将不会沿着导通流道650直接进入过冷液通道400上部，而是被迫经由冷凝段300、单向阀632、过冷液通道400的上升段，然后越过最高点而进入过冷液通道400的下降段并蓄积成液柱。如图6所示，在回流阶段，由于蒸发段100液位下降，浮子阀640自动打开，使过冷液通道400顶部蒸汽空间与蒸发段100顶部蒸汽空间相互连通和压力均衡，从而使过冷液通道400下降段中的液体能够顺畅地回流到蒸发段100的下部，如图6所示。本方案的其它特征与第二种方案相同，这里不再赘述。

至此本公开第四实施例高热流反重力热管介绍完毕。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。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。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开高热流反重力热管有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种直接利用冷、热端温差所伴随的饱和压差作为驱动力，并利用特斯拉阀、多段变径管、单向阀、浮子阀等流向引导装置构成的非对称流道结构促成工质的单向流动，能够实现更强的反重力传热效果。此外，本公开的热管无需外加动力，可弯曲变形、可灵活布置，能够克服实际地形地势或设备结构布局的限制，尤其适用于存在晃动、倾斜或姿态变化等变动加速度环境，热源位置高于冷源、需要向下传输热量的情形，具有广阔应用前景。

还需要说明的是，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，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种高热流反重力热管，为封闭环路流体通道，其包括：

蒸发段；

冷凝段，所述蒸发段入口高于所述冷凝段入口，所述冷凝段入口与所述蒸发段出口通过蒸汽通道连接，所述冷凝段出口与所述蒸发段入口通过过冷液通道连接；

流向引导装置，设置在所述蒸发段入口和/或冷凝段出口，其中所述流向引导装置包括：第一单向阀、第二单向阀、导通流道和浮子阀，所述第一单向阀第一端与所述蒸发段入口连接，所述第一单向阀第二端与所述过冷液通道连接；所述第二单向阀第一端与所述冷凝段出口连接，所述第二单向阀第二端与所述过冷液通道连接；所述浮子阀设置在导通流道中，控制导通流道的开闭；所述导通流道分别连通所述过冷液通道的顶部蒸汽空间、所述蒸发段入口和所述蒸发段出口；充装口，设置在所述封闭环路流体通道的任意位置上；

其中，所述浮子阀的两端分别与所述蒸发段的两端连通，所述浮子阀的浮子端通过液体与所述第一单向阀第一端及所述蒸发段入口相连通，所述浮子阀的密封面端连接至所述导通流道与所述蒸发段出口之间。

2.根据权利要求1所述的高热流反重力热管，其中所述热管由刚性管壁材料制成。

3.根据权利要求1所述的高热流反重力热管，其中所述蒸发段和所述冷凝段为螺旋盘管。

4.根据权利要求1所述的高热流反重力热管，其中所述蒸发段和所述冷凝段为平面/空间布置的蛇形管。

5.根据权利要求1所述的高热流反重力热管，其中所述蒸发段和所述冷凝段管壁外侧均设有翅片。