CN210464151U

CN210464151U - 超临界管径脉动热管

Info

Publication number: CN210464151U
Application number: CN201921354519.4U
Authority: CN
Inventors: 纪玉龙; 褚李林; 李延涛; 肖秀; 庾春荣; 马鸿斌
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2020-05-05
Anticipated expiration: 2029-08-20

Abstract

本实用新型提供一种超临界管径脉动热管，所述脉动热管具有不同管壁内表面结构，或具有不同管截面形状，或所有管均为光滑圆管，且其等效水力直径满足：所述脉动热管的等效水力直径大于所述脉动热管的临界管径，且所述脉动热管的等效水力直径小于所述脉动热管的启动临界管径；所述脉动热管的工质在充入脉动热管后的状态为汽‑液两相状态。本实用新型可根据实际工况情况，设计出适用于不同工况的超临界管径脉动热管，解决现有技术中存在的脉动热管管径超过临界管径后无法工作的问题。本实用新型的超临界管径脉动热管具有更佳的传热性能和更高的传热极限；具有更广泛的应用范围。

Description

超临界管径脉动热管

技术领域

本实用新型涉及一种超临界管径脉动热管，属于微电子和半导体元器件的高效散热冷却、航空航天、余热回收、热防护、高效传热与节能等技术领域。

背景技术

脉动热管是一种新型、高效，可用于微小空间、高热流密度的传热元件。脉动热管一般由许多弯曲毛细管组成，在真空下充入工作流体，在表面张力和流动阻力的作用下形成汽液间隔状态。脉动热管在蒸发段将输入的热量传递给工作流体，工作流体以低于常压的蒸发温度在加热段吸热产生汽泡并迅速膨胀和升压，维持脉动热管内工作流体的运动。除了工作流体的相变传热外，脉动热管的工作流体在蒸发段和冷凝段的震荡会引起管内强迫对流，这极大提高了脉动热管的传热性能。随着蒸发段输入功率的增加，脉动热管的内部工作流体的运动更加剧烈，内部对流换热能力进一步增强，脉动热管的传热能力也将显著提高。因此，脉动热管被认为解决高热流密度传热的最有效技术之一。

脉动热管是利用液塞在冷热端振荡进行高效传热的，常规脉动热管要求管径较细，工质在管内流动时会由于流动阻力和表面张力形成一段一段的分布。一般而言，管径相对较大的脉动热管会具有更优的传热性能及更高的传热极限。然而当脉动热管的管径超过临界管径之后，液塞则无法形成上述的分布，会直接聚集在吸热端，该状态下脉动热管是无法工作的，因此现有的临界管径限制了脉动热管向大管径方向的发展。而随着对脉动热管技术的深入研究，根据脉动热管的可视化实验结果发现，在加热后，只要可以形成汽塞，脉动热管就可以工作。定义脉动热管管径超过临界管径后，脉动热管仍然可以工作，此时的脉动热管称为超临界管径脉动热管。超临界管径脉动热管可工作的最大管径称为启动临界管径。

因此，有必要提供一种可实现更优传热性能的超临界管径的脉动热管，以克服现有技术的局限性，使得脉动热管在合理的管径范围内更好的工作。

实用新型内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种超临界管径脉动热管。本实用新型根据实际工况情况，设计出适用于不同工况的超临界管径脉动热管，从而解决现有技术中存在的脉动热管管径超过临界管径后无法工作的问题。本实用新型采用的技术手段如下：

一种超临界管径脉动热管，所述脉动热管具有不同管壁内表面结构，或具有不同管截面形状，或所有管均为光滑圆管，且其等效水力直径均满足：

式中：D_e为等效水力直径(m)；A为通道截面积(m²)；P为湿周长(m)；D_h,max为脉动热管的临界管径(m)；σ为工质的表面张力(N/m)；ρ_l和ρ_v为工质在操作温度下液态和汽态的密度(kg/m³)；下标l、v表示液相和汽相；Bo为Bond数；g为重力加速度(N/kg)；D为脉动热管的启动临界管径；Φ为充液率(％)；

为加入热量后液态工质占总管体积的百分比(％)；ρ_L,0为加入热量前操作温度下的液态工质密度(kg/m³)；ρ_L,av为加入热量后液态工质的平均密度(kg/m³)；u为汽泡相对于液体的上升速度(m/s)；h_c为冷端温度下工质的汽化潜热(J/kg)；q为输入功率(J/s)；p_g为潜热占比(％)。

进一步地，所述脉动热管具有不同管壁内表面结构，或具有不同管截面形状，或所有管均为光滑圆管是指同一个脉动热管上至少有两根管具有不同管壁内表面结构或不同管截面形状，或者同一个脉动热管上所有管具有相同管壁内表面结构或相同管截面形状，或者同一个脉动热管上同时具有相同或不同的管壁内表面结构和相同或不同的管截面形状，或者同一个脉动热管上所有管均为光滑圆管。

进一步地，所述脉动热管内工质的体积充液率范围为10％≤Φ≤90％。

进一步地，所述工质在充入脉动热管后的状态为汽-液两相状态，所述工质为单一工质或混合工质。

进一步地，所述单一工质为液态金属或液态非金属。

进一步地，所述混合工质为液态金属与液态非金属的混合液，或液态金属与液态金属的混合液。

进一步地，通过利用两相流相关知识，利用多汽泡聚集的方式在工质受热蒸发后在液体中形成汽塞的方式使脉动热管进行工作；利用工质在管内受热沸腾生成汽泡，并积聚成汽塞，使得工质在管内形成间歇流动的方法，解决超临界管径脉动热管的启动及工作问题。

进一步地，所述启动临界管径通过以下步骤得出：

步骤一、建立脉动热管内工质质量的第一模型，所述第一模型是由在未加入热量条件下根据脉动热管的预设参数获得的，所述预设参数包括脉动热管的有效长度、通道截面积、操作温度下的液态工质的密度和充液率；

步骤二、建立脉动热管内工质质量的第二模型，所述第二模型包括脉动热管内汽态工质质量模型和脉动热管内液态工质质量模型；所述脉动热管内汽态工质质量模型是由在加入热量条件下根据汽态工质的参数获得的，所述汽态工质的参数包括加入热量条件下汽态工质的平均密度、加入热量条件下脉动热管总管中液态工质所占体积的百分比、脉动热管的有效长度和通道截面积；所述脉动热管内液态工质质量模型是由在加入热量条件下根据液态工质的参数获得的，所述液态工质的参数包括加入热量条件下液态工质的平均密度、加入热量条件下脉动热管总管中液态工质所占体积的百分比、脉动热管的有效长度和通道截面积；

步骤三、根据加入热量前后的质量守恒定律，将所述第一模型和所述第二模型组合，确定加入热量条件下脉动热管总管中液态工质所占体积的百分比；

步骤四、根据步骤三中获得的加入热量条件下脉动热管总管中液态所占体积的百分比，以及脉动热管中工质的物理属性、吸热端和放热端的温度、加热功率和充液率确定脉动热管的启动临界管径。

所述第一模型满足如下公式：

M＝ΦLAρ_L,0；

式中：M为未加入热量条件下脉动热管内工质质量(kg)；L为脉动热管的有效长度(m)；A为通道截面积(m²)；ρ_L,0为加入热量前操作温度下的液态工质密度(kg/m³)；Φ为充液率(％)。

所述第二模型满足如下公式：

式中：M_L,1为加入热量后单根管中液态工质的质量(kg)；M_G,1为加入热量后单根管中汽态工质的质量(kg)；ρ_L,av为加入热量后液态工质的平均密度(kg/m³)；ρ_G,av为加入热量后汽态工质的平均密度(kg/m³)；

为加入热量条件下脉动热管总管中液态工质所占体积的百分比(％)。

所述加入热量条件下脉动热管总管中液态工质所占体积的百分比满足如下公式：

M＝M_G,1+M_L,1；

式中：

所述脉动热管的启动临界管径满足如下公式：

其中，

式中：D为脉动热管的启动临界管径；u为汽泡相对于液体的上升速度(m/s)，汽泡的速度为汽泡的终端速度，且汽泡相对液体速度恒定为u；σ_av为工质的表面张力(N/m)；g为重力加速度(N/kg)；t为忽略单个汽泡对液位高度的影响，汽泡从吸热端至放热端所需时间；Q为在t时间内的输入热量(J)；q为输入功率(J/s)；

为汽态工质的质量流量(kg/s)；h_c为冷端温度下工质的汽化潜热(J/kg)；p_g为潜热占比(％)。

上述所述脉动热管模型的每根管中工质都均匀分配，工质液位高度相同，忽略弯头对液位高度的影响；加入热量后工质在所述脉动热管内为汽液混合态，该工况下汽液混合工质的液位达到有效长度L时，脉动热管为正常工作状态。

步骤一中，工质充入脉动热管内时，由于环境因素会导致工质蒸发，工质质量会发生变化，由于此时未加入热量，汽体质量远小于液体质量，可忽略不计，因此环境因素下产生的误差忽略不计。

较现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型提供的超临界管径脉动热管，获得的脉动热管管径超过现有技术中临界管径计算公式获得的管径，且脉动热管的管径处于临界管径与启动临界管径之间可以高效工作，并具有更佳的的传热性能和更高的传热极限。

2、本实用新型提供的超临界管径脉动热管，具有更广泛的应用范围，可有效降低高热流密度下实际选型中由工质及材料带来的成本。

基于上述理由本实用新型可在使用脉动热管传热的微电子和半导体元器件的高效散热冷却、航空航天、余热回收、热防护、高效传热与节能等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型中可视化实验中脉动热管内汽塞形成过程的示意图。

图2为本实用新型中A处脉动热管内汽塞形成过程的示意图，其中(a)和(b)是小汽泡产生的过程，(c)、(d)、(e)和(f)是小汽泡聚合并生长成大汽泡的过程，(g)和(h)是大汽泡继续聚合并生长成长柱形汽泡的过程。

图3为本实用新型中不同截面形状脉动热管的示意图。

图4是本实用新型实验中脉动热管的结构示意图。

图5是本实用新型中脉动热管在操作角度为90°时，不同工况下脉动热管冷、热端的温度振荡曲线图，其中(a)和(b)分别为无水乙醇和去离子水在操作温度为20℃时的温度振荡曲线，(c)和(d)分别为无水乙醇和去离子水在操作温度为60℃时的温度振荡曲线。

图6为本实用新型中脉动热管在各操作角度和不同输入功率下的传热性能变化曲线图，其中(a)和(b)分别为无水乙醇和去离子水在操作温度为20℃时的传热性能变化曲线，其中(c)和(d)分别为无水乙醇和去离子水在操作温度为60℃时的传热性能变化曲线。

图中：1、冷却块；2、加热块；3、脉动热管。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供了一种超临界管径脉动热管，所述脉动热管3具有不同管壁内表面结构，或具有不同管截面形状，或所有管均为光滑圆管，且其等效水力直径满足如下表达式：

所述脉动热管3具有不同管壁内表面结构，或具有不同管截面形状，或所有管均为光滑圆管是指同一个脉动热管3上至少有两根管具有不同管壁内表面结构或不同管截面形状，或者同一个脉动热管3上所有管具有相同管壁内表面结构或相同管截面形状，或者同一个脉动热管3上同时具有相同或不同的管壁内表面结构和相同或不同的管截面形状，或者同一个脉动热管3上所有管均为光滑圆管。

如图3所示为不同截面形状脉动热管的示意图，三种截面形状的管设在同一脉动热管3中或分别设在不同脉动热管3中，其等效水力直径均满足上述表达式。

所述脉动热管3内工质的体积充液率范围为10％≤Φ≤90％。

所述工质在充入脉动热管3后的状态为汽-液两相状态，所述工质为单一工质或混合工质。

所述单一工质为液态金属或液态非金属。

所述混合工质为液态金属与液态非金属的混合液，或液态金属与液态金属的混合液。

实施例1

如图1、图2所示为超临界管径脉动热管可视化实验中汽塞形成过程的示意图。超临界管径脉动热管3工作的原因在于汽塞的形成。由实验结果得出，脉动热管3的水力直径超过临界管径时在工作过程中存在汽塞的形成，且汽塞的形成过程主要分为以下过程：(1)小汽泡产生；(2)小汽泡聚合并生长成大汽泡(汽泡直径小于管径)；(3)大汽泡继续聚合并生长成长柱形汽泡(形成汽塞)。

如图4所示为本实施例实验中脉动热管的结构示意图，实验中冷却块1、加热块2分别与脉动热管3放热端和吸热端相连接，冷却块1为脉动热管3提供实验所需的操作温度，加热块2在操作温度下为脉动热管3提供热源。选用水力直径为6mm的铜质脉动热管3进行实验，分别在脉动热管3中充入去离子水和无水乙醇作为工质，充液率均设置为50％。不同工质对应的理论临界管径见表1。

表1不同工质对应的理论临界管径

上述表1中的超过临界管径百分比为设计的水力直径与理论临界管径的差值除以理论临界管径得到的比值。

如图5所示为脉动热管在操作角度为90°、加热功率为1000W时，各工质在不同工况下脉动热管3冷、热端的温度振荡曲线图，操作角度指脉动热管3与水平面的夹角。由图5的实验结果得出，脉动热管3的吸热端和放热端的温度出现明显且剧烈的波动，说明有液塞在吸热端和放热端之间震荡，该现象符合脉动热管3的工作特征，表明超临界管径脉动热管可以正常工作，且由图5(c)可知，即使脉动热管3中的超过临界管径百分比为112.4％，脉动热管3依然可以较好的工作。

如图6所示为脉动热管在各操作角度和不同输入功率下的传热性能变化曲线图。由图6的实验结果得出，脉动热管3的传热性能随加热功率的增加而增加。由图(a)、(c)可知，当操作角度为0°时，在该工况下的两种工质的脉动热管3都表现出较差的传热性能，且当加热功率超过一定值后，脉动热管3吸热端温度超过实验设置的安全温度150℃，实验停止。由图(a)-(d)可知，当操作角度大于0°时，两种工质的脉动热管3都表现出优异的传热性能，并且相同工况下，以去离子水为工质的脉动热管3的传热性能要优于以无水乙醇为工质的脉动热管3的传热性能。

综上可知，脉动热管3的管径超过临界管径时仍然可以工作，且传热性能优异。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种超临界管径脉动热管，其特征在于，所述脉动热管具有不同管壁内表面结构，或具有不同管截面形状，或所有管均为光滑圆管，且其等效水力直径满足如下表达式：

2.根据权利要求1所述的超临界管径脉动热管，其特征在于，所述脉动热管内工质的体积充液率范围为10％≤Φ≤90％。

3.根据权利要求1或2所述的超临界管径脉动热管，其特征在于，所述工质在充入脉动热管后的状态为汽-液两相状态，所述工质为单一工质或混合工质。

4.根据权利要求3所述的超临界管径脉动热管，其特征在于，所述单一工质为液态金属或液态非金属。

5.根据权利要求3所述的超临界管径脉动热管，其特征在于，所述混合工质为液态金属与液态非金属的混合液，或液态金属与液态金属的混合液。