CN115143823B - 利用热压转换效应驱动的多孔介质相变传热结构及系统 - Google Patents

利用热压转换效应驱动的多孔介质相变传热结构及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种利用热压转换效应驱动的多孔介质相变传热结构及系统，当向通道中输送工质液体，液体工质液体在多孔介质层中渗透，当对相变传热结构加热，工质液体就会蒸发到蒸发腔室结构内，蒸发后体积膨胀使得蒸发腔室中压力增大，蒸汽会从蒸发腔结构的喷嘴处喷出，并汇集后驱动通道中的汽液两相流沿着通道流动；可以很好地利用汽液相变膨胀的机械能，从而驱动环路中的两相流体流动，实现了热的自发驱动而不消耗外部电功；本发明提供的热管，应用了热压转换效应蒸发腔结构，热输运热量都要高，距离远，加热面热稳定性强，取热能力远高于一般脉动热管。

Description

利用热压转换效应驱动的多孔介质相变传热结构及系统
技术领域
本发明属于热管理、换热器技术领域，具体涉及一种利用热压转换效应驱动的多孔介质相变传热结构及系统。
背景技术
传热技术广泛应用于各个领域，常见的传热技术需求主要是换热器和热管理器件。
在诸多传热形式中，对流传热是应用最广泛，传热效率最高，传热能力最强的传热形式。但是由于流动阻力原因，对流传热往往需要泵驱动，泵需要电功输入，增加了系统复杂性，尤其是在紧凑换热器中，泵功消耗巨大。
相变换热作为对流传热的一个分支，其天然的特性是，一部分热能转化为了机械能(压力或者动能)，但是这一部分机械能很难被利用来驱动流体。存在相变传热的换热器对这部分机械完全没有利用，并且这部分机械能反而变成了阻碍，因为汽相膨胀后的压力没有方向性，需要用额外的泵功消耗去克服。毛细力热管对这部分动能稍有利用，但是大部分这种机械能浪费在毛细芯流动阻力耗损上，脉动热管对这部分机械能稍有利用，但是没有方向性，利用效率极低，导致脉动热管热量的传输距离极其有限(<50cm)，并且加热面温度波动很大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种利用热压转换效应驱动的多孔介质相变传热结构及系统，可以在不消耗外部电功的前提下实现对两相流体流动的驱动。
一种相变传热结构，包括上、下叠在一起的蒸发腔层和多孔介质层(102)，以及封装在蒸发腔层和多孔介质层(102)外部的外壳(101)；
其中，在蒸发腔层中设置至少一个蒸发腔结构(103)和一个通道(104)；蒸发腔结构(103)的尾端逐渐收缩，形成喷嘴状结构，最后联通到通道(104)；蒸发腔结构(103)和通道(104)均向下贯穿到多孔介质层(102)。
较佳的，蒸发腔层和多孔介质层(102)为一体结构，蒸发腔结构(103)和通道(104)是在多孔介质层(102)上直接切削实现的。
较佳的，蒸发腔结构(103)为具有一定厚度的扁平腔体。
较佳的，蒸发腔结构(103)为球形腔或者椭球形腔体。
较佳的，蒸发腔层与外壳(101)的部分为一体结构，蒸发腔结构(103)和通道(104)是在外壳(101)的内侧表面加工而成。
较佳的，蒸发腔结构(103)是在外壳(101)内表面上开设的具有一定厚度的扁平腔体.
较佳的，蒸发腔结构(103)有多个，均匀或者非均匀排布在通道(104)的一侧或者两侧。
较佳的，所述通道(104)可以为弯曲的，以与蒸发腔结构(103)的外轮廓匹配。
较佳的，所述外壳(101)包括底座和上盖，底座上设有凹槽，用于容纳多孔介质层(102)和蒸发腔层。
较佳的，多孔介质层为烧结铜粉、铜丝网、泡沫铜、不锈钢烧结粉末或者陶瓷烧结粉末。
一种热管，其蒸发结构(1)采用所述相变传热结构实现。
一种换热器，包括多个冷却层(5)和蒸发层(4)，冷却层(5)和蒸发层(4)间隔着叠放在一起，蒸发层(4)采用所述相变传热结构实现。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种利用热压转换效应驱动的多孔介质相变传热结构及系统，包括叠在一起的蒸发腔层和多孔介质层，在蒸发腔层中设置蒸发腔结构和通道；蒸发腔结构的尾端逐渐收缩，形成喷嘴状结构，联通到通道；当向通道中输送工质液体，液体工质液体在多孔介质层中渗透，当对相变传热结构加热，工质液体就会蒸发到蒸发腔室结构内，蒸发后体积膨胀使得蒸发腔室中压力增大，蒸汽会从蒸发腔结构的喷嘴处喷出，从压力能转化为动能，并汇集后驱动通道中的汽液两相流沿着通道流动；本发明的这种蒸汽腔结构可以很好地利用汽液相变膨胀的机械能，从而驱动环路中的两相流体流动，实现了热的自发驱动而不消耗外部电功；
本发明提供的热管，应用了热压转换效应蒸发腔结构，相比于传统脉动热管或者毛细泵热管，热输运热量都要高，距离远，加热面热稳定性强，由于在蒸发段本质是多孔介质流动沸腾，所以取热能力远高于一般脉动热管。
应用了本发明的热压转换效应蒸发腔体的换热器可以极大减小泵功。
附图说明
图1(a)为本发明实施例1-3的相变传热结构示意图，图1(b)为图1(a)的A-A剖视图；图1(c)为图1(a)的局部图；
图2(a)为本发明实施例5-6的相变传热结构示意图，图2(b)为图2(a)的A-A剖视图；
图3(a)为本发明实施例8的相变传热结构示意图，图3(b)为图3(a)的A-A剖视图；
图4(a)为本发明实施例4的相变传热结构示意图，图4(b)为图4(a)的A-A剖视图；
图5为本发明实施例11的热管结构示意图；
图6为本发明实施例12的换热器结构示意图；
其中，1-蒸发结构，2-联通管路，3-冷凝管路，4-蒸发层，5-冷却层，101-外壳，102-多孔介质层，103-蒸发腔结构，104-通道，1031-蒸汽腔，1032-喷嘴，401-蒸发层进液，402-蒸发层出液，501-冷却层进液，502-冷却层出液,503-本体，504-冷却层通道。
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。
实施例1：
本发明提供的一种利用热压转换效应驱动的相变传热结构，如图1(a)和1(b)所示，包括上下叠在一起的蒸发腔层和多孔介质层102，以及封装在蒸发腔层和多孔介质层102外部的外壳101。
其中，在蒸发腔层中设置至少一个蒸发腔结构103和一个通道104；蒸发腔结构103的尾端逐渐收缩，形成喷嘴状结构，最后联通到通道104，喷嘴的液体通道与通道105之间所成角度为0-45°。蒸发腔结构103和通道104均向下贯穿到多孔介质层102；当向通道104中输送工质液体，通道104贯穿多孔介质层102，液体工质液体在多孔介质层102中渗透，当对相变传热结构加热，多孔介质层102表面的工质液体就会蒸发到蒸发腔结构103内，蒸发后体积膨胀使得蒸发腔结构103中压力增大，由于汽相通道104中压力相对小，蒸汽会从蒸发腔结构103的喷嘴处喷出，从压力能转化为动能，动能有方向性，汇集后驱动通道104中的汽液两相流沿着通道104流动。因此，本发明的这种蒸汽腔结构可以很好地利用汽液相变膨胀的机械能，从而驱动环路中的两相流体流动，实现了热的自发驱动而不消耗外部电功。
实施例2：
在上述实施例1的基础上，本实施例中，如图1(b)所示，蒸发腔层和多孔介质层102为一体结构，蒸发腔结构103和通道104是在多孔介质层102上直接切削实现的。
实施例3：
基于上述实施例2的相变传热结构，蒸发腔结构103是在多孔介质层102上切削出来的，是具有一定厚度的扁平腔体，腔体可以是扁平的圆形腔或者椭圆形腔体等。
在本实施例中，为了便于加工，蒸发腔结构103和通道104高度相等，即h1，其高度范围为1mm～5mm，如图1(c)所示，扁平的蒸发腔结构103为圆盘形腔体，直径d1取值范围在4mm～10mm，流线形喷嘴1032宽度w1取值范围为1mm～3mm。通道104的宽度也是1mm～5mm，多孔介质层102厚度除去切削掉的蒸发腔结构103和中间通道104，底层厚度h2在0.5mm～10mm范围。
实施例4：
基于上述实施例2的相变传热结构，如图4(a)所示，蒸发腔结构103是在多孔介质层102上切削出来的球形腔或者椭球形腔体等。
如图4(b)所示，通道104可以为2条以上，每条通道104上连接有多个蒸发腔结构103。
实施例5：
在上述实施例1的基础上，本实施例中，如图2(b)和3(b)所示，蒸发腔层与外壳101的部分为一体结构，蒸发腔结构103和通道104是在外壳101的内侧表面加工而成。
实施例6：
基于上述实施例5的相变传热结构，蒸发腔结构103是在外壳101内表面上开设的具有一定厚度的扁平腔体，例如扁平的圆形腔或者椭圆形腔体等。
实施例7：
对于上述实施例1-6的相变传热结构，蒸发腔结构103有多个，均匀或者非均匀排布在通道104的一侧或者两侧，其数量视具体取热面的大小而定。
实施例8：
对于上述实施例1-7的相变传热结构，通道104可以为弯曲的，以与蒸发腔结构103的外轮廓匹配，如图3(a)所示。
实施例9：
基于上述实施例1-8任意一个相变传热结构，外壳101分为底座和上盖，底座上设有凹槽，用于容纳多孔介质层102和蒸发腔层；材质一般为铜、不锈钢、镍合金、钛合金等金属材料。
实施例10：
基于上述实施例1-9任意一个相变传热结构，多孔介质层一般为烧结铜粉或者铜丝网、泡沫铜等结构，其材质也可能为其他材质的烧结粉末，如不锈钢粉、陶瓷烧结粉等多孔介质。
实施例11：
本发明基于上述实施例1-10任意一个相变传热结构，还提供了一种热管，包括蒸发结构1、联通管路2和冷凝管路3。蒸发结构1采用实施例1-10任意一个相变传热结构实现；其工作原理是：加热面在蒸发结构1底部加热，如图5所示，加热后工作介质在微型蒸汽腔1031中蒸发，蒸发后体积膨胀使得蒸发腔结构103中压力增大，由于汽相通道104中压力相对小，蒸汽会从蒸汽腔1031沿着喷嘴处喷出，从压力能转化为动能，动能有方向性，汇集后驱动通道中的汽液两相流从蒸发结构1与联通管路2的连接处202喷出，两相流中的蒸汽在冷凝管路3中冷凝为液相，其动能仍旧足够，驱动液相回流到蒸发段201，液相进入201之后，由于蒸发结构1是多孔介质，具有极高的毛细力，会迅速将液体吸走，液体在多孔介质层102底侧会流动到各个蒸发腔结构103表面蒸发，完成整个循环。
优选的，联通管路2和冷凝管路3的管径范围为1mm～5mm，联通管路2一侧长度远长于一般热管，可达1m～5m，冷凝段处的管路为一排回折多次串联的管路，其每段长度可视冷凝面积的需要，在0.1m～3m范围，回折次数在1～50。
实施例12：
本实施例还提供了一种换热器，如图6(a)和6(b)所示，包括多个冷却层5和蒸发层4，冷却层5和蒸发层4间隔着叠放在一起，蒸发层4采用上述实施例1、2、3、5、6、8、9和10任意一个相变传热结构实现。本实施例中，蒸发层4为冷流体层，冷却层5为热流体层，冷却层5位于蒸发层4下部，蒸发层4中一般液体流量较小，完全蒸发，冷却层5可能是蒸汽冷凝，也可能是单相高温液体或者高温气体，冷却层与常规换热器无区别，这里以多排平行通道示意，其他冷却换热结构亦可。冷却层5为常规换热结构，本体503为实体材料，如铜，铝合金，不锈钢等，其中设置有为多个并排通道504。
换热器工作原理是冷却层温度高，释放热量到蒸发层，流体在蒸发层多孔介质中吸热蒸发，由于蒸汽腔1031所占面积较大，大部分蒸发发生在蒸汽腔1031中，压力升高以后从蒸汽腔1031出口高速喷出，进入通道104中，从而驱动通道104中的汽液两相流流动，在这种压力转化后的动能的驱动下，几乎不需要外界泵驱动或极小的泵功。
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 (12)

1.一种相变传热结构，其特征在于，包括上、下叠在一起的蒸发腔层和多孔介质层(102)，以及封装在蒸发腔层和多孔介质层(102)外部的外壳(101)；
其中，在蒸发腔层中设置至少一个蒸发腔结构(103)和一个通道(104)；蒸发腔结构(103)的尾端逐渐收缩，形成喷嘴状结构，最后联通到通道(104)；蒸发腔结构(103)和通道(104)均向下贯穿到多孔介质层(102)。
2.如权利要求1所述的一种相变传热结构，其特征在于，蒸发腔层和多孔介质层(102)为一体结构，蒸发腔结构(103)和通道(104)是在多孔介质层(102)上直接切削实现的。
3.如权利要求2所述的一种相变传热结构，其特征在于，蒸发腔结构(103)为具有一定厚度的扁平腔体。
4.如权利要求2所述的一种相变传热结构，其特征在于，蒸发腔结构(103)为球形腔或者椭球形腔体。
5.如权利要求1所述的一种相变传热结构，其特征在于，蒸发腔层与外壳(101)的部分为一体结构，蒸发腔结构(103)和通道(104)是在外壳(101)的内侧表面加工而成。
6.如权利要求5所述的一种相变传热结构，其特征在于，蒸发腔结构(103)是在外壳(101)内表面上开设的具有一定厚度的扁平腔体。
7.如权利要求1-6中任意一个所述的一种相变传热结构，其特征在于，蒸发腔结构(103)有多个，均匀或者非均匀排布在通道(104)的一侧或者两侧。
8.如权利要求1-6中任意一个所述的一种相变传热结构，其特征在于，所述通道(104)为弯曲的，与蒸发腔结构(103)的外轮廓匹配。
9.如权利要求1-6中任意一个所述的一种相变传热结构，其特征在于，所述外壳(101)包括底座和上盖，底座上设有凹槽，用于容纳多孔介质层(102)和蒸发腔层。
10.如权利要求1-6中任意一个所述的一种相变传热结构，其特征在于，多孔介质层为烧结铜粉、铜丝网、泡沫铜、不锈钢烧结粉末或者陶瓷烧结粉末。
11.一种基于权利要求1-10的任意一个相变传热结构的热管，其蒸发结构(1)采用所述相变传热结构实现。
12.一种基于权利要求1、2、3、5、6、8、9和10中的任意一个相变传热结构的换热器，包括多个冷却层(5)和蒸发层(4)，冷却层(5)和蒸发层(4)间隔着叠放在一起，蒸发层(4)采用所述相变传热结构实现。
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