CN113606973A - 一种热管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热管，包括：管壳、弹簧和液相工质；所述管壳设置为中空导管，所述弹簧导入所述管壳内部，所述管壳两端封闭；所述弹簧与所述管壳之间设置为液相工质槽道，所述弹簧内部设置为蒸汽工质槽道，所述液相工质填充所述液相工质槽道；弹簧丝绕制构成所述弹簧，相邻所述弹簧丝之间的间隙设置为毛细通道并与所述液相工质形成弯月形气液界面，所述液相工质通过所述毛细通道从所述液相工质槽道流入所述蒸汽工质槽道，所述毛细通道产生毛细抽吸力。本发明中热管采用了紧绕的弹簧作为毛细结构管芯，管芯与管壳可以分别制作然后组装在一起，大大降低了热管的生产难度。

Description

一种热管

技术领域

本发明涉及传热元件，具体地，涉及一种热管。

背景技术

热管是一种利用工质在饱和状态下相变吸放热、以热源热量驱动运行的高性能导热器件。现有的热管的毛细结构一般采用烧结芯、丝网芯、槽道芯或者它们的组合形成。这些毛细芯一般无法用于相对较高热流密度的情形。Alario等人发明的常温单槽缝热管通过蒸汽槽道与液相槽道的分离设置和更靠近热源面的周向V型蒸发槽道，实现了较高的工作热流密度和延缓了液相槽道中在接近沸腾时所产生的气泡对通道的阻塞作用。其中周向V型蒸发槽道一方面较靠近热源，有利于降低热量在热管横截面中传导的热阻；另一方面数量巨大的周向V型窄槽道，在蒸发段能形成大面积高效的薄膜蒸发形式，在冷凝段能使冷凝工质快速地排泄和使冷凝段液膜减薄，此外，V型槽的微肋结构形式还对蒸汽槽道内气相工质的流动产生局部的扰动，从而起到了强化蒸发和凝结换热的效果。以上这些多重因素提高了热管整体的蒸发和冷凝的换热系数，是单槽缝热管实现高性能运行的关键机理之一，具有重要的传热学意义。但是这种单槽缝热管的结构较为复杂，生产成本高昂。一种部分简化的方法是在具有周向内纹的圆管中使用多孔隔板来实现液相气相工质流动的分隔，但是这种热管的制造同样较有难度，且结构不易在应用时弯曲，横截面尺寸也难以小型化以适应更多工程应用场合。以上这些原因导致高性能热管的大量使用受到限制。未来的高功率常温热管期望能同时满足较高热流密度、结构简单，易于生产，和能够适度小型化的特点。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种热管。

根据本发明提供的一种热管，包括：管壳、弹簧和液相工质；

所述管壳设置为中空导管，所述弹簧导入所述管壳内部，所述管壳两端封闭；

所述弹簧与所述管壳之间设置为液相工质槽道，所述弹簧内部设置为蒸汽工质槽道，所述液相工质填充所述液相工质槽道；

弹簧丝绕制构成所述弹簧，相邻所述弹簧丝之间的间隙设置为毛细通道并与所述液相工质形成弯月形气液界面，所述液相工质通过所述毛细通道从所述液相工质槽道流入所述蒸汽工质槽道，所述毛细通道产生毛细抽吸力；

优选地，所述弹簧横截面外圈设置在所述管壳横截面内圈内侧并与所述管壳横截面内圈无相交。

优选地，所述弹簧通过所述管壳侧壁实现横向定位并通过所述管壳两端封闭实现轴向定位。

优选地，工作状态下，所述弹簧轴向不受拉力或压力。

优选地，所述弹簧和所述管壳分别制作后组装，所述弹簧焊接连接所述管壳内壁。

优选地，所述管壳长度长于所述弹簧。

优选地，所述弹簧包括弹簧丝和金属螺旋线。

优选地，所述管壳允许弯曲，所述弹簧根据所述管壳弯曲形状进行弯曲。

优选地，当所述弹簧丝设置为圆截面，所述弹簧丝凹凸表面的蒸发面积大于所述弹簧丝缝隙的蒸发面积，所述弹簧丝的圆弧表面形成液膜蒸发。

优选地，所述弹簧两端封闭；

所述弹簧包括NiTiCu记忆金属材料并通过改变温度调整毛细抽吸力。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中热管采用了紧绕的弹簧作为毛细结构管芯，管芯与管壳可以分别制作然后组装在一起，大大降低了热管的生产难度；

2、本发明中工质的蒸汽槽道与液相槽道通过弹簧丝的阻挡实现分离，气相和液相的输运互不干扰，有利于降低工质流动阻力；

3、紧绕的弹簧结构形成大量微小的周向槽道，与弹簧外的液相槽道形成干路和支路的组合，能实现热管较高热流密度的工作性能。

4、在相对较高热流密度的工作条件下，液相槽道所产生的沸腾气泡不容易导致液相工质的流动输运被全部堵塞。

5、当热管的温度发生变化时，弹簧的间隙会随温度的升高或降低而变化，从而改变毛细力的大小，调节热管导热能力的大小，实现一定程度的自主控温或热开关功能。

6、本发明布局合理，结构简单，易于推广。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为一种热管结构立体示意图；

图2为一种热管轴向剖视图；

图3为弹簧结构示意图；

图4为正方形管壳径向剖视图(两端未封闭)；

图5为三角形热管结构立体示意图；

图6为三角形管壳径向剖视图(两端未封闭)；

图7为梯形热管结构立体示意图；

图8为三角形弹簧径向剖视图(两端未封闭)。

图中所示：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1至图4所示，一种热管，包括：管壳2、弹簧1和液相工质3；管壳2设置为中空导管，弹簧1导入管壳2内部，管壳2两端封闭；弹簧1与管壳2之间设置为液相工质槽道，弹簧1内部设置为蒸汽工质槽道4，液相工质3填充液相工质槽道；弹簧丝绕制构成弹簧1，相邻弹簧丝之间的间隙设置为毛细通道，液相工质3通过毛细通道从液相工质槽道流入蒸汽工质槽道4，所毛细通道产生毛细抽吸力；弹簧1横截面外圈设置在管壳2横截面内圈内侧并与管壳2横截面内圈无相交；弹簧1通过管壳2侧壁实现横向定位并通过管壳2两端封闭实现轴向定位；工作状态下，弹簧1轴向不受拉力或压力；弹簧1和管壳2分别制作后组装，弹簧1焊接连接管壳2内壁；管壳2长度长于弹簧1；弹簧1包括弹簧丝和金属螺旋线；管壳2允许弯曲，弹簧1根据管壳2弯曲形状进行弯曲；当弹簧丝设置为圆截面，弹簧丝凹凸表面的蒸发面积大于弹簧丝缝隙的蒸发面积，弹簧丝的圆弧表面形成液膜蒸发；弹簧1两端封闭。

所述弹簧1包括NiTiCu记忆金属材料、不锈钢和铜质等，当热管的温度发生变化时，弹簧的间隙会随温度的升高或降低而变化，从而改变毛细力的大小，调节热管导热能力的大小，实现一定程度的自主控温或热开关功能。

实施例2作为实施例1的优选例

实施例2

一种小型热管，管壳2为中空的光滑导管，无内部专门结构,管壳2外壁面用于连接热源和冷源，毛细管结构由绕制的拉力金属弹簧1或紧绕的金属螺旋线构成，弹簧1两头封闭，工作状态下弹簧1轴向不受拉力或压力，成松弛状态；管壳2横截面大于弹簧1横截面，管壳2长度稍长于弹簧1，弹簧1通过管壳2的侧面管壁实现横向定位，通过管壳2两端的封口实现轴向定位。其中，金属弹簧1或螺旋线可以采用特种焊接的工艺与管壳紧密相连，从而降低热阻提高热管性能

本发明中采用拉力弹簧1作为毛细结构，拉力弹簧1不受外部拉力时，相邻弹簧丝之间互相靠近，形成很窄的开缝，弹簧1将工质的气液两态分隔在弹簧1内外，能作为一种毛细结构使用。弹簧丝之间狭窄的开缝能产生较大的毛细抽吸力，而工质穿透这种毛细结构的最大深度仅为弹簧丝的线径，因此渗透流动的阻力较小。弹簧1将热管管壳2内的空间分为独立的蒸汽工质槽道4和液相工质槽道，两者主要被弹簧丝分隔开，因而相互反向流动的负面影响可以降到最小。拉力弹簧1可以随管壳2一起作各种弯曲，实现热管的灵活应用。由于弹簧1与管壳2为分开制造，且均可使用市场上大规模生产的现成产品，而无需昂贵的专门拉拔模具和复杂工艺，所以热管整体的研制和生产成本可以大幅降低。根据工质的化学相容性特点，弹簧1可以使用不锈钢或铜质弹簧，而管壳2可以为铝合金、不锈钢或铜质等型材。为提高毛细结构的渗透率，弹簧丝的线径越小越好。而弹簧1的外径最好相切于管壳2的内壁或稍小，以增加两者之间接触，降低两者之间的导热热阻。在充装时，为了防止液相工质3直接进入蒸汽工质槽道4，弹簧1放置于管壳2内前需要将弹簧1两头作封闭处理。但此封闭处理只需将两头的开口大小降低到毛细尺寸以下即可，例如可用多孔材料堵塞。弹簧1相邻绕丝之间的缝隙大小，一方面决定了其所能提供的毛细力，另一方面影响了毛细结构的孔隙率和工质从液相工质槽道流向蒸发面的流动阻力，因而需要在试制时作一定的优化调整。

热管工质在蒸发与冷凝段处的具体细节形态如图2所示，由于管壳剖面5的包络形状与弹簧丝圆截面6之间存在一定空间，用作液相工质槽道。液相工质3通过弹簧丝的缝隙，并在弹簧1内侧的相邻弹簧丝之间形成弯月形气液界面7。在蒸发段区域，弹簧丝形成的大量缝隙使得液相工质槽道与蒸发面之间能够充分导通，同时弹簧丝的连续凹凸表面使得蒸发区域具有比弹簧丝缝隙大得多的蒸发面积，弹簧丝的圆弧表面更可形成高效的液膜蒸发，从而有利于降低整体蒸发热阻。在较高热流密度的状态下，气液界面7将首先收缩，此时弯月形气液界面7直径趋于缝隙宽度，毛细抽吸力增大，但液相工质槽道中的流动不会受影响，蒸发区域与冷凝区域之间的总体流动阻力不会变大。在冷凝段区域，弹簧丝的凹凸表面在蒸汽槽道内相当于一种微肋结构，微肋产生的表面张力能使冷凝工质快速地排泄和使冷凝段液膜减薄，从而减小了凝结换热的热阻。此外，这种微肋结构还对蒸汽工质槽道4内气相工质的流动产生局部的扰动，从而起到了强化蒸发和凝结换热的效果；综合以上论述，这种设计将能提升热管的导热性能和临界热流密度。

如图4所示圆环形弹簧1在正方形管壳2内部放置的情形，弹簧1内部作为蒸汽工质槽道4，而弹簧1以外，管壳2以内的空间则作为液相工质槽道。气相、液相槽道的横截面积比约3.66。

如图5和图6所示是圆环形弹簧1在等边三角形管壳2内部放置的情形，圆环形弹簧1内部作为蒸汽工质槽道4，而弹簧1以外，管壳2以内的空间则作为液相工质槽道。气相、液相槽道的横截面积比约1.53。图7是圆环形弹簧1在梯形管壳2内部放置的情形。

通常情况下，管壳2横截面为多边形结构，热源一般只与管壳2的单个侧面接触。当圆形绕制弹簧1在将管壳2内的空间分隔为液相工质槽道和蒸汽工质槽道4时，分隔出的液相工质槽道一般不少于三个。其中至少有一个液相工质槽道相对其他液相工质槽道较远离热源，热管工作时该液相工质槽道的温度将相对偏低。因此当靠近热源的液相工质槽道因为热流密度较高而开始产生沸腾气泡，导致液相工质3的输运被堵塞时，热管内仍将有至少一个液相工质槽道能维持液相工质3从冷凝段向蒸发段的输运，使热管工作不致中断。而弹簧1使用截面为圆形的弹簧丝，形成大量局部的环形小槽道，能实现在同一截面上液相工质3向热源一侧的横向输运。

当本发明用于当量直径较小的热管时，中心的毛细结构也可以考虑采用扁线绕制的弹簧1。扁线弹簧丝使得弹簧1内外表面较为平滑，没有凹凸微肋结构，在不降低毛细抽吸力的前提下，有利于减小气液相工质3在微小尺度槽道内的流动阻力。

如图8所示，热管采用开式环形毛细结构常具有的一个不足是毛细结构与管壳2没有直接接触，毛细结构与管壳2之间的热量传递需要通过导热率不高的液相工质3进行，这部分热阻较大。对于小型热管这个情况并不严重，但对于大型热管有必要采取一定的改进。所以对于本发明，一个措施是将弹簧1的至少一侧做成扁平形状，如半圆形或三角形等，通过烧结工艺将弹簧1扁平的这一侧与热管管壳2的导热面紧密结合在一起，从而改善管壳2与弹簧1毛细结构之间的导热。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种热管，其特征在于，包括：管壳(2)、弹簧(1)和液相工质(3)；

所述管壳(2)设置为中空导管，所述弹簧(1)导入所述管壳(2)内部，所述管壳(2)两端封闭；

所述弹簧(1)与所述管壳(2)之间设置为液相工质槽道，所述弹簧(1)内部设置为蒸汽工质槽道(4)，所述液相工质(3)填充所述液相工质槽道；

弹簧丝绕制构成所述弹簧(1)，相邻所述弹簧丝之间的间隙设置为毛细通道并与所述液相工质(3)形成弯月形气液界面(7)；

所述液相工质(3)通过所述毛细通道从所述液相工质槽道流入所述蒸汽工质槽道(4)，所述毛细通道产生毛细抽吸力。

2.根据权利要1所述一种热管，其特征在于：所述弹簧(1)横截面外圈设置在所述管壳(2)横截面内圈内侧并与所述管壳(2)横截面内圈无相交。

3.根据权利要2所述一种热管，其特征在于：所述弹簧(1)通过所述管壳(2)侧壁实现横向定位并通过所述管壳(2)两端封闭实现轴向定位。

4.根据权利要1所述一种热管，其特征在于：工作状态下，所述弹簧(1)轴向不受拉力或压力。

5.根据权利要1所述一种热管，其特征在于：所述弹簧(1)和所述管壳(2)分别制作后组装，所述弹簧(1)焊接连接所述管壳(2)内壁。

6.根据权利要1所述一种热管，其特征在于：所述管壳(2)长度长于所述弹簧(1)。

7.根据权利要1所述一种热管，其特征在于：所述弹簧(1)包括弹簧丝和金属螺旋线。

8.根据权利要1所述一种热管，其特征在于：所述管壳(2)允许弯曲，所述弹簧(1)根据所述管壳(2)弯曲形状进行弯曲。

9.根据权利要1所述一种热管，其特征在于：当所述弹簧丝设置为圆截面(6)，所述弹簧丝圆截面(6)的蒸发面积大于相邻所述弹簧丝缝隙的蒸发面积，所述弹簧丝圆弧表面形成液膜蒸发。

10.根据权利要1所述一种热管，其特征在于：所述弹簧(1)两端封闭；

所述弹簧(1)包括NiTiCu记忆金属材料并通过改变温度调整毛细抽吸力。

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