CN115143821A - 可利用热功转换效应的相变传热机构及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可利用热功转换效应的相变传热机构及装置，可利用相变传热过程中，工质汽化(蒸发或沸腾)产生的动力，形成一种热功转换结构，内部形成半封闭汽化腔，前端设置有向外延伸并收缩的气流出口，后端设置有向内延伸并收缩的工质入口，能够引导液体从一侧流进、气体从另一侧流出，从而发挥热功转换效应，实现工质流动的自驱或辅助驱动效果，对于有泵驱动的换热结构，可以实现换热器或热管理器件的减少流阻、增强换热稳定性的目的；对与热管类被动式相变传热器件，可以实现抗重力、远距离自驱运行，增强稳定性，克服现有热管固有的缺点，尤其是在航空航天领域有重要用途。

Description

可利用热功转换效应的相变传热机构及装置

技术领域

本发明属于热控技术领域，具体涉及可利用热功转换效应的相变传热机构及装置。

背景技术

常见的相变传热装置包括蒸发器、冷凝器、相变散热与热控器件、热管等，广泛用于各种热交换和热管理领域。在换热器和热控装置中，工质流动需要泵或风机提供动力，换热装置减阻对于减少功耗、提高换热能力具有重要作用，是强化换热的主要考虑因素之一。热管是一类具有自驱动能力的被动式相变传热器件，当代航空航天、电子器件热管理的高密度、复杂条件热控需求，对提高热管的逆重力和微重力下的热输运能力、以及远距离热输运能力，提出了更高的要求。

如果能开发一种可以利用传递热量中可转化的机械能的智能化结构，将其转换为传热装置中工质流动的驱动力，则可以增强传热装置的自驱动能力、减少流动阻力，实现强化换热和减少泵功耗的目的。

长期以来，人们形成了传热装置只能传热的固有观念。实际上，传热过程必然有温差存在，根据热力学原理，在高低温热源之间可以设计循环热机，输出机械功。但是在技术上，通常难以在传热过程中实现热功转换，这是因为传热装置内的冷热流体温差较小、可利用的功较少，且换热单元的空间有限，因此很难开发出经济、高效且灵巧的小微型热功转换机构。

但在某些特殊场合，人们已实现了传热过程中的热功转换利用，热管就是这样一类典型的传热装置。热管可以通过重力实现液体回流，称之为重力热管或热虹吸管，这类热管无法在逆重力或微重力的条件下运行。另一类热管通过内部多孔结构(即毛细芯)提供的毛细力实现液体回流，这类热管受制于毛细极限，主要因为毛细芯的吸液能力与流动阻力是一对矛盾，回路中液体的流量较小，因此热传输距离或抗重力能力也有限。还有一类脉动热管，利用微通道中气塞的热膨胀，驱动两相流体流动，由于气塞热膨胀总是双向的，脉动热管存在启动困难、稳定性差、无法抗重力运行等问题。

如图1(a)至图1(e)所示，换热器的形式有成百上千种，普通的减阻技术只是通过优化设计流动通道，减少局部流动阻力，减阻潜力已充分发掘，很难再有大幅的改善。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种可利用热功转换效应的相变传热机构及装置，可以发挥热功转换效应，实现工质流动的自驱或辅助驱动效果。

一种可利用热功转换效应的相变传热机构，所述相变传热机构(102)的内部形成半封闭的汽化腔(103)，一端设置有向外延伸并收缩的气流出口(104)，另一端设置有向内延伸并收缩的工质入口(105)。

进一步的，所述汽化腔(103)内的工质入口(105)处设置了防逆流结构(106)，该防逆流结构(106)采用特斯拉阀的形式。

进一步的，所述汽化腔(103)内的工质入口(105)处设置了防逆流结构(106)，为弧形挡板结构，凹面朝向工质入口(105)并与其正对，与工质入口(105)的尾端有一定距离。

进一步的，所述防逆流结构(106)在凹面中部设置一个凸起，正对工质入口(105)的中部，且与尾端留有缝隙。

较佳的，所述相变传热机构(102)为在空间上是轮廓面沿法向拉伸形成。

较佳的，所述相变传热机构(102)为三维立体结构。

一种相变传热装置，包括流动通道(101)和至少一个相变传热机构(102)；相变传热机构(102)在流动通道(101)内排成一排。

一种相变传热装置，包括流动通道(101)和至少一个相变传热机构(102)；相变传热机构(102)放置在流动通道(101)的一侧或两侧。

一种相变传热装置，包括流动通道(101)和至少一个相变传热机构(102)；流动通道(101)内设置多排并列的相变传热机构(102)。

一种蒸发换热器，一个或多个相变传热机构(102)直接作为受热流体的通道，构成蒸发换热器。

一种热管，其特征在于，所述相变传热装置作为热管的蒸发端。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种可利用热功转换效应的相变传热机构及装置，可利用相变传热过程中，工质汽化(蒸发或沸腾)产生的动力，形成一种热功转换结构，内部形成半封闭汽化腔，前端设置有向外延伸并收缩的气流出口，后端设置有向内延伸并收缩的工质入口，能够引导液体从一侧流进、气体从另一侧流出，从而发挥热功转换效应，实现工质流动的自驱或辅助驱动效果，对于有泵驱动的换热结构，可以实现换热器或热管理器件的减少流阻、增强换热稳定性的目的；对与热管类被动式相变传热器件，可以实现抗重力、远距离自驱运行，增强稳定性，克服现有热管固有的缺点，尤其是在航空航天领域有重要用途。

附图说明

图1(a)为重力热管(逆流式)示意图；图1(b)为重力热管(环流式)示意图；图1(c)为脉动热管示意图；图1(d)为带毛细芯的热管(逆流式)示意图；图1(e)为带毛细芯的热管(环流式)示意图；

图2(a)为本发明实施例1中相变传热机构结构示意图，实线为液体流动路线，图2(b)为本发明实施例1中相变传热机构结构示意图，虚线为蒸气排出路线；

图3为本发明实施例2中的相变传热机构结构示意图；

图4为基于实施例1、2的相变传热装置的结构示意图；

图5为热功转换结构布置在流道单侧或两侧的示意图；

图6为本发明的宽通道内多排并列的热功转换结构构成的相变传热装置示意图；

图7为本发明的热功转换结构在热管中应用的示意图；

其中，101-流动通道，102-相变传热机构，103-汽化腔，104-气流出口，105-流体入口，106-防逆流结构。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的基本原理是利用流体温度升高引起的体积膨胀效应，通过从热到机械功的有序转化，实现工质泵送功能。最典型的体积膨胀发生在工质从液态到气态的汽化过程中，包括蒸发、沸腾等形式。对一种工质来说，气相比容通常是液相比容的几十倍到上千倍，汽化过程的体积膨胀实际是做功过程，发电和动力输出用的蒸汽轮机也是这个原理，因此，可以想办法让这种膨胀过程用于驱动工质流动。

工质的饱和温度和压力具有一一对应的关系，饱和温度越高，饱和压力也越高，其变化关系可用Clausius-Claperon方程计算：

上式中，P为压力，T为温度，γ_lv为汽化潜热，ρ_v为气态密度。

因此在液体受热汽化时，由于过热度的存在，蒸气与液体之间会产生局部压力差，这就是膨胀力的来源，膨胀力推动周围的工质向外流动。但是，热膨胀没有方向性，如果在通道中任由蒸气自由膨胀，与流动方向相反的膨胀运动就会阻碍流动并产生附加阻力，故此，在普通流动通道中，汽化膨胀功很难有效利用。本发明提出一种能够导引膨胀方向的结构，引导液体从一侧流进、气体从另一侧流出，从而发挥热功转换效应，增强流体流动的功能。

实施例1：

如图1所示，相变传热机构102的内部形成半封闭汽化腔103，前端设置有向外延伸并收缩的气流出口104，后端设置有向内延伸并收缩的工质入口105。

在传热过程中，如图2(a)所示，液体或气液两相流从后端的工质入口105流入相变传热机构102，液体在半封闭的汽化腔103内吸热并快速汽化，如图2(b)所示，蒸气膨胀后从前端的气流出口104喷出，并推动出口外侧的流体向前流动。气体流出后，内部压力降低，上流的工质继续从工质入口105流入，然后进入下一个循环。

相变传热机构102能够引导膨胀气流向前方流动的特殊设计在于，气流出口104是外凸结构(收缩结构)，而工质进口105是内凹结构，由于工质进口105的面积与空腔后部的截面积相比非常小，当内部蒸气压力升高并向外排出时，只有少量的气体可以喷出，大部分气体在前部通道的收缩作用下由前端喷出，从而减少了气流的逆向喷射。

实施例2：

在实施例1的相变传热机构的基础上，本实施例还在工质入口105处设置了防逆流结构106，如图2(b)所示，该防逆流结构106采用特斯拉阀的形式，利用了流体的惯性原理，是一个非对称单向流动结构，当流体从汽化腔103外流入时，流动比较畅通，当流体从汽化腔103反向流动时，由于惯性作用先进入倾斜弯曲通道，然后顺着通道折弯，并被固体壁挡回，从而形成阻碍，可以进一步强化防逆流效果。

实施例3：

在实施例1的相变传热机构的基础上，本实施例还在工质入口105处设置了另外一种防逆流结构106，如图3所示，为弧形挡板结构，凹面朝向工质入口105并与其正对，与工质入口105的尾端有一定距离，工质从工质入口105与防逆流结构106之间的留有空隙进入；工质被汽化后，蒸汽被防逆流结构106阻挡，避免从工质入口105流出。

实施例4：

在实施例3的基础上，该防逆流结构106还可以在凹面中部增加一个凸起，正对工质入口105的中部，且与尾端保持一定的距离，如此可将工质导流成两部分，进入到汽化腔103中。

实施例5：

基于实施例1-4任意一个相变传热机构，本发明可以将其设计为准二维结构，即相变传热机构102在空间上是轮廓面沿法向拉伸形成的，可看作是由壁板结构围成。

实施例6：

基于实施例1-4任意一个相变传热机构，本发明可以将其设计为三维结构，比如把相变传热机构102的轮廓面围绕中心轴旋转，做成一个漏斗形状。只要前端出口104外凸，后端进口105内凹，都可以发挥流动方向导引的作用。加工方式可通过3D打印等先进加工。本发明的热功转换结构的尺寸一般在毫米到厘米级别，有很多种加工方法，比如机加工、增材制造(3D打印或扩散焊接)、蚀刻等等均可实现。

实施例7：

基于实施例1-6任意一个相变传热机构，本发明还设计了一种相变传热装置，包括流动通道101和至少一个相变传热机构102；在受热工质(液体或汽液两相流)的流动通道101内，如图4所示，若干个相变传热机构102排成一排。

实施例8：

基于实施例1-6任意一个相变传热机构，本发明还设计了一种相变传热装置，包括流动通道101和至少一个相变传热机构102；如图5所示，相变传热机构102也可以放置在流动通道101的一侧或两侧，这样布置的好处是，中间流道畅通，减少热功转换结构本身对流动的遮挡，使阻力更小。

实施例9：

基于实施例1-6任意一个相变传热机构，本发明还设计了一种相变传热装置，包括流动通道101和至少一个相变传热机构102；如图6所示，对于较宽的流动通道101，也可以在一个流动通道101内设置多排并列的相变传热机构102，这类情况常用于板式换热装置。

实施例10：

本发明还提供了蒸发换热器，基于实施例1-6任意一个相变传热机构，将相变传热机构102可直接作为受热流体的通道，工质在通道内一边汽化，一边推动流体向前流动，从而减少流动阻力，节省泵功，甚至不需要泵功。

实施例11：

本发明还提供了热管，将实施例7-9的相变传热装置用作蒸发端，这时热源不断输入热量，相变传热机构102吸热并做功，推动流体工质在热管环路内流动，实现远距离的自驱动式热传输，且该结构不受重力、毛细芯等作用的影响，既可以与后者一起耦合工作，也可以单独工作。与脉动热管相比，由于蒸气严格按单向流动，推动效率更高，避免了不稳定和启动困难的问题。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种可利用热功转换效应的相变传热机构，其特征在于，所述相变传热机构(102)的内部形成半封闭的汽化腔(103)，一端设置有向外延伸并收缩的气流出口(104)，另一端设置有向内延伸并收缩的工质入口(105)。

2.如权利要求1所述的一种可利用热功转换效应的相变传热机构，其特征在于，所述汽化腔(103)内的工质入口(105)处设置了防逆流结构(106)，该防逆流结构(106)采用特斯拉阀的形式。

3.如权利要求1所述的一种可利用热功转换效应的相变传热机构，其特征在于，所述汽化腔(103)内的工质入口(105)处设置了防逆流结构(106)，为弧形挡板结构，凹面朝向工质入口(105)并与其正对，与工质入口(105)的尾端有一定距离。

4.如权利要求3所述的一种可利用热功转换效应的相变传热机构，其特征在于，所述防逆流结构(106)在凹面中部设置一个凸起，正对工质入口(105)的中部，且与尾端留有缝隙。

5.如权利要求1-4任意一个所述的可利用热功转换效应的相变传热机构，其特征在于，所述相变传热机构(102)为在空间上是轮廓面沿法向拉伸形成。

6.如权利要求1-4任意一个所述的可利用热功转换效应的相变传热机构，其特征在于，所述相变传热机构(102)为三维立体结构。

7.一种基于权利要求1-4任意一个相变传热机构的相变传热装置，其特征在于，包括流动通道(101)和至少一个相变传热机构(102)；相变传热机构(102)在流动通道(101)内排成一排。

8.一种基于权利要求1-4任意一个相变传热机构的相变传热装置，其特征在于，包括流动通道(101)和至少一个相变传热机构(102)；相变传热机构(102)放置在流动通道(101)的一侧或两侧。

9.一种基于权利要求1-4任意一个相变传热机构的相变传热装置，其特征在于，包括流动通道(101)和至少一个相变传热机构(102)；流动通道(101)内设置多排并列的相变传热机构(102)。

10.一种基于权利要求1-4任意一个相变传热装置的蒸发换热器，其特征在于，一个或多个相变传热机构(102)直接作为受热流体的通道，构成蒸发换热器。

11.一种基于权利要求7-10任意一个相变传热装置的热管，其特征在于，所述相变传热装置作为热管的蒸发端。

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