CN1247967A - 采用环流式热管传导散热的温差电致冷器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种采用环流式热管传导散热的温差电致冷器。它主要由贴合在温差电致冷组件冷端的环流式热管致冷板及贴合在致冷组件热端的环流式热管散热器所组成,通过环流式热管气液两项的分路环流和由蒸发、冷凝两端较大温差形成的较大压差及环流式热管扩展的热交换面积,进一步提高温差电致冷器的传导散热效率,减少冷热端的传导热阻及温度聚集引起的热交换,以获得更大的致冷量。

Description

采用环流式热管传导散热的温差电致冷器
本发明涉及温差电致冷技术与设备。
目前温差电致冷器的传导散热装置，通常采用肘片或针状散热器，或大面积金属板以及辅加强制风冷、水冷等方式(如图1)，由于传导效率低，散热梯度大，半导体制冷器件两端呈现出较高的热阻，致使冷热端温差增大，从而导致冷端热平衡方程：Qc＝αpnTcI-0.5T2R-K(Th-Tc)中的K(Tn-Tc)项增大，即随冷热端温差的增大，由热端传入冷端的热量增加，制冷量减少。这便是温差电致冷长期被限于微观致冷领域的“症结”所在。为了提高温差电致冷器的传导效率和致冷量，我公司研制并于98年3月20日申报了“采用热管传导散热的温差电致冷器”专利(申请号为98101096、2)，通过引进热管技术，利用工艺蒸发、冷凝即相变的吸、放特征，虽实现了高效率、大面积的传导散热，降低了冷热端的热阻，提高了致冷效率(如图2)，但作为原用于工业设备的重力热管，其典型循环途经及结构方式(如图3)，要直接应用于空间狭小，而需要较大散热面积、较高的散热效率且工艺性、可视性较强的民用温度电致冷器中，尚存下述缺欠：1.工质在同一管径内蒸发、冷凝，流动方向完全相反，加之液膜附着于管壁回流，不仅增加了管壁与环境温度交换的热阻，而且缩小了汽液流动的截面积，阻碍了蒸汽和液膜的流动速度。2.蒸发端与冷凝端的温差极小(一般在1～2℃)，由此形成的蒸汽流动压差也极其微弱，降低了工质的蒸发量和蒸汽的流动速度。3.典型重力热管的液池均设于热源之上，以保证冷凝液的回流，热源以下的散热空间尚无法利用，使热管的散热面积和可应用范围受到极大的限制。4.重力热管在循环方式上所形成的方向性，决定了多数热管需与液池或主通道连接，不仅焊口多，造价高，而且工艺性、可视性差等等。因此，研制开发适合温差电致冷特殊要求的、高效率的热管传导散热装置，仍是温差电致冷技术发展中的一个重要课题。
本发明的目的是设计一种采用环流式热管传导散热的温差电致冷器。它主要由贴合在温差电致冷组件冷端的环流式热管致冷板及贴合在致冷组件热端的环流式热管散热器所组成，通过环流式热管气液两项的分路环流和由蒸发、冷凝两端较大温差形成的较大压差及环流式热管扩展的热交换面积，进一步提高温差电致冷器的传导散热效率，减少冷热端的传导热阻及温度聚集引起的热交换，以获得更大的致冷量。
本发明所述的采用环流式热管传导散热的温差电致冷器，附图说明如下：
图1为采用肘片或针状散热器、或大面积金属板以及辅加强制风冷、水冷传导散热装置的温差电致冷器示意图。
图2为采用典型热管传导散热的温差电致冷器示意图。
图3为典型重力热管蒸发、冷凝的循环方式及结构示意图。
图4为采用环流式热管传导板的致冷传导装置。
图5为采用环流式热管散热器的热端散热装置。
图6为客房冷藏箱中采用环流式热管传导散热的温差电致冷器示意图。
附图中：1-温差电致冷组件；2-梯形冷凝室；3-梯形蒸发室；4-蒸发主管道；5-多束冷凝管；6-冷凝段；7-蒸发段；8-多束蒸发管；9-回流主管道：10-客房冷藏箱箱体。
本发明所述的采用环流式热管传导散热的温差电致冷器(如图3、图4)，其技术方案主要包括：由温差电致冷组件1、贴合在温差电致冷组件冷端的梯形冷凝室2、梯形冷凝室上端由蒸发主管道4连通的多束冷凝管5、多束冷凝管两侧回转向下、在工质蒸发段7形成的多束蒸发管8、多数相互连通的蒸发管汇集于冷凝室下端的回流主管道9组成的致冷传导装置；由贴合在温差电致冷组件1热端的梯形蒸发室3、梯形蒸发室上端由蒸发主管道4连通的多束冷凝管5，达到顶端后，多束冷凝管后向回转向下，在工质蒸发段7形成的多束蒸发管8，多束相互连通的蒸发管回转向上且汇集于蒸发室下端的回流主管道9组成的热端散热装置。环流式热管致冷板采用冰箱吹胀板蒸发器工艺制造，环流式热管散热器采用冰箱丝管冷凝器工艺制造；虽然工艺和结构不同，热管的循环路径、工作原理及结构方式基本相同。现以环流式热管散热器为例，说明环流式热管的工作原理：当温差电致冷组件的热端启动升温后，环流式热管散热器蒸发室中的工质被加热汽化，迅速流向热管上部的冷凝端，由于散热器下端的蒸发管明显低于热源及所对应的蒸发室，故此区域不存在热源的对流和辐射传导，仅有一根回流主管道的实体传导，对蒸发管的温度影响极其微弱，使蒸发端与冷凝段呈现较大温差(一般在12～15℃，是典型重力热管温差的10倍左右)，由此形成了蒸发段对回转型冷凝管较大的蒸汽压差，从而使蒸汽在较大压差的作用下，通过冷凝管顶端且回转向下，迅速向压力最低的蒸发管流动，与此同时，蒸汽在冷凝管流动过程中，通过管壁与环境温度进行热交换，向外界释放热量并降温冷凝为管壁液膜。又由于管腔中的压差较大，蒸汽在上升到热管顶端的过程中流速较快，滞留导管壁上的液膜较小，当到达顶端且向下流动式速度减缓，大部分蒸汽在此冷却凝集，液膜靠自身重力及同一方向的蒸汽压力回流到蒸发管。蒸发管中的工质液面高度一般为热源的中心高度(环流式热管的工质充装量等于热源中心高度，不以管腔容积比例计算)，是积蓄于蒸发管中的低温工质能不断补充蒸发室，再次变热汽化，如此反复循环，连续不断的将加热端的热量快速传导到各冷凝管道中散热冷凝。
致冷传导装置只是将致冷空间作为热源，通过多束蒸发管吸收热量，汽化的工质传入梯形冷凝室冷凝，经温差电致冷组件降温冷凝后，回流至蒸发管再次蒸发汽化，工作原理与之相同。由于这种环流式热管散热器，采用了蒸发管低于热源或冷凝管高于冷源的结构设计，通过在蒸发段与冷凝段之间建立了较大的温差，增加了蒸汽流动的压力，使大部分蒸汽转入侧向冷凝管中冷凝，从而实现了气液分路环流，加快了蒸发、冷凝及液膜回流的速度，扩展了热源以下及冷源以上的的热交换面积，比采用典型热管的温差电致冷器性能优越，不仅明显的提高传导散热效率、增加了致冷量，而且减少了焊接量、降低了生产成本、提高了产品外观的商品化水平。
本发明所述的采用环流式热管传导散热的温差电致冷器的实现方法是：首先确定温差电致冷组件冷热端最大温差，然后根据冷端和热端的温度范围，选择适当的热管工质。为使热管工作在良好的状态下，工质必须是气--液两种状态，所选工质的溶点应低于热管的工作温度；而临界点必须高于热管的工作温度。同时要考虑工质与热管外壳及吸液芯材料是否相容。因为一旦壳体或吸液芯与工质发生化学反应，或工质本身被分解，就会产生不凝性气体。化学反应还会腐蚀壳体或吸液芯，使热管性能变坏，减少寿命甚至不能工作。工质确定后就可根据温差致冷组件两端的温度和工质蒸发速度，设计热管传导板及热管换热器的循环路线、连接结构和工作面积。其中采用的管径、端盖、连接结构需按工作压力校核，并明确极限工作状态，保留一定的安全系数。在结构和工艺上，热管冷传导板一般采用双层纯铝板热压吹胀成形，还可采用双层铁板冷压滚焊成形，这种结构，工艺成熟，密封可靠，用较小的材料厚度便可承受较大的工作压力，不仅热阻小、传导效率高，且可排布密集的各种形式的循环管道，增强热交换效率，是各种民用温差电致冷器中理想的致冷传导结构。
热管散热器可采用翅片管组合而成，也可采用焊有翅条的多束金属管制成，与蒸发室的连通最好采用放射状管路，以减少循环阻力，增加汽化流量。
在设计和制造热管传导板和热管换热器时，应尽量减少焊口，并禁止用与工质不相容的辅料焊接，以防止工质渗透和局部腐蚀。充装工质前，应先以其极限工作压力做超负荷载压试验，然后按冷源或热源的高度中心确定工质充装量。
本发明所述的采用环流式热管传导散热的温差电致冷器，列举实例如下：
实例1用于客房冰箱中。采用环流式热管传导散热的温差电致冷器(如图6)，冷端采用吹胀成形的环流式热管传导板；根据致冷空间的容积可采用平板式致冷板，也可采用弯曲板结构；热端采用丝管成型的环流式热管散热器。
综上所述，本发明所述的采用环流式热管传导散热的温差电致冷器，由于采用了液池低于热源或蒸发管高于冷源的结构设计，通过在蒸发端与冷凝端之间建立了较大的温差，增强了蒸汽流动的压力，从而实现了气液分路环流，加速了蒸发冷凝及液膜回流的速度，扩展了热源以下或冷源以上的热交换面积，有效地提高了热管的传导散热性能，加速了温差电致冷器的高低温传导，减少了冷热端的热量积累和热交换，提高了致冷效率。不仅创意科学、结构合理、工艺可靠，而且具有造价低、实用性强、性能稳定、经久耐用等特点，可广泛运用于多种民用温差电致冷设备和产品。

Claims (2)

1.一种用于温差电致冷设备与产品的，采用环流式热管传导散热的温差电致冷器，其特征在于：
1)由温差电致冷组件、贴合在温差电致冷组件冷端的梯形冷凝室、梯形冷凝室上端由蒸发主管道连通的多束冷凝管、多束冷凝管两侧回转向下、在工质蒸发段形成的多束蒸发管、多数相互连通的蒸发管汇集于冷凝室下端的液体主管道组成的致冷传导装置；
2)由贴合在温差电致冷组件热端的梯形蒸发室、梯形蒸发室上端由蒸汽主管道连通的多束冷凝管，达到顶端后，多束冷凝管后向回转向下，在工质蒸发段形成的多束蒸发管，多束相互连通的蒸发管回转向上且汇集于蒸发室下端的回流主管道组成的热端散热装置。
2.按权利要求1所述的采用环流式热管传导散热的温差电致冷器，其特征在于环流式热管的蒸发管低于热源，冷凝管顶端高于冷源。
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