[發(fā)明專利]一種非單向中間熱點保護(hù)的自循環(huán)高效熱管

有效

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• 申請日: 2017-05-09
• 公開（公告）號: CN107179013B
• 公開（公告）日: 2019-02-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳宏霞
• 申請（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué)
• 主分類號: F28D15/02
• 分類號: F28D15/02;F28F13/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

本發(fā)明公開了一種非單向中間熱點保護(hù)的自循環(huán)高效熱管，其包括位于中間的吸熱沸騰區(qū)，位于吸熱沸騰區(qū)周向位置的氣液傳輸區(qū)，以及位于所述氣液傳輸區(qū)遠(yuǎn)端的放熱冷凝區(qū)。本發(fā)明利用微結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)自循環(huán)，采用多孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)化沸騰吸熱區(qū)的沸騰相變換熱，并耦合多孔吸液功能適當(dāng)設(shè)計多孔液相通道和溝槽氣相通道，加快氣液在相變過程中的輸送和傳輸；同時利用多孔液相通道的吸液作用加快放熱冷凝區(qū)冷凝液的脫離，強(qiáng)化冷凝相變換熱；實現(xiàn)對中間高熱流密度區(qū)的熱保護(hù)功能，具有重大的實際應(yīng)用價值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高效換熱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種將中間高熱流密度區(qū)熱量向兩側(cè)或周向方向分散傳輸?shù)男滦碗p向傳熱高效熱管，尤其是涉及一種非單向中間熱點保護(hù)的自循環(huán)高效熱管。

背景技術(shù)

熱管是一種具有快速均溫特性的特殊換熱器件，其具有質(zhì)輕、高導(dǎo)熱性以及快速均溫的特性，廣泛運用于航天領(lǐng)域，各式熱交換器、冷卻器、電子產(chǎn)品散熱等領(lǐng)域，是現(xiàn)今最普遍高效的導(dǎo)熱(非散熱)元件。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，熱管結(jié)構(gòu)由單支演變?yōu)槎喔鶡峁芙M合成換熱器，由一體熱管演變?yōu)榉蛛x式熱管、毛細(xì)泵回路熱管和脈動熱管。但無論熱管換熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如何變化，其傳熱的基本相變物理過程決定熱管主要由一個沸騰高熱區(qū)、一個冷凝散熱區(qū)以及之間的流體傳輸區(qū)組成。對于一些需要快速導(dǎo)熱、快速均熱的場合；如航空器頭部、機(jī)翼以及尾翼前緣等位置，由于與空氣的快速摩擦使得頂部局部溫度高達(dá)上千度；或探測器、模型等進(jìn)入高溫區(qū)，同時要求內(nèi)部空腔保持低溫；甚至是太陽能高倍聚焦后熱點高溫快速導(dǎo)離等場合，其高熱流密度點在中間，而熱量需要向兩側(cè)或雙向沿壁面迅速導(dǎo)離。在此場合下，經(jīng)典熱管一端為沸騰高溫區(qū)，另一端為散熱區(qū)的結(jié)構(gòu)已不能滿足應(yīng)用需求；需要設(shè)計中間為沸騰高溫區(qū)，使得高熱流密度迅速沿兩個方向甚至是四周快速導(dǎo)離，以達(dá)到中間熱點保護(hù)的目的。另一方面，根據(jù)熱管內(nèi)物理相變傳熱過程，沸騰高熱區(qū)負(fù)責(zé)吸收環(huán)境熱量，使工質(zhì)發(fā)生沸騰相變；氣相工質(zhì)經(jīng)過流體傳輸區(qū)達(dá)到冷凝散熱區(qū)發(fā)生冷凝相變，釋放熱量；冷凝的液體再通過傳輸區(qū)返回至沸騰高熱區(qū)，進(jìn)入下一周期。針對兩相傳輸，近年來強(qiáng)化熱管的方法和技術(shù)主要為設(shè)計熱管強(qiáng)化微結(jié)構(gòu)并耦合選用具有大表面張力的相變工質(zhì)，使沸騰蒸汽和冷凝液體在管內(nèi)快速循環(huán)，甚至提高工質(zhì)傳輸距離。管內(nèi)微結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化思路主要有三種：利用管內(nèi)添加插入式吸液芯；在熱管內(nèi)壁面燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)；壁面加工溝槽。溝槽管的成本一般比燒結(jié)管低，主要缺點是其指向性強(qiáng)，在直線傳導(dǎo)時性能和燒結(jié)管相當(dāng)。但一旦管道彎曲，槽內(nèi)流體不能很好的限制在溝槽內(nèi)使得換熱性能明顯下降；例如，當(dāng)溝槽管彎曲90度，導(dǎo)熱性能幾乎只能達(dá)到原來性能的1/2；當(dāng)散熱器彎曲角度大到180度，傳熱效果極速衰減。燒結(jié)管由于利用毛細(xì)結(jié)構(gòu)吸液傳輸，壁面彎曲度對傳熱性能影響不大；因此燒結(jié)管適宜設(shè)計成各種彎曲形狀。同時需要指出的是，熱管內(nèi)氣液兩相的循環(huán)傳輸過程，是兩相流體的一種持續(xù)相向運動，氣液界面的相對滑移是循環(huán)中一常態(tài)過程。如何利用燒結(jié)或者機(jī)加工微結(jié)構(gòu)控制氣液界面，分流氣液雙向運動，做到固定航道、有序調(diào)控，耦合微結(jié)構(gòu)加快液相回流速度，才能從根本上提高兩相的循環(huán)效率。

近年來微結(jié)構(gòu)調(diào)控兩相流流型以及流動狀態(tài)、利用多孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)化沸騰傳熱的研究越來越深入；多孔結(jié)構(gòu)不僅可以有效提高沸騰汽化核心數(shù)目，同時也可以利用結(jié)構(gòu)尺度差在界面能作用下有效控制氣液的分區(qū)。本申請的發(fā)明人在對多孔結(jié)構(gòu)調(diào)控兩相流、強(qiáng)化沸騰傳熱的研究基礎(chǔ)上；提出利用燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)耦合巧妙結(jié)構(gòu)設(shè)計，強(qiáng)化吸熱區(qū)沸騰相變效率的同時提高壁面溝槽流體在彎曲流道時的可控性，設(shè)計適用于中間高熱密度急于向兩側(cè)甚至四周散熱場合的新型雙向傳熱自循環(huán)高效熱管。本發(fā)明是從相變傳熱的物理機(jī)理出發(fā)，基于氣液兩相流流型調(diào)控的思想以及實際應(yīng)用中高熱點在中心的重大需求，設(shè)計適合雙向甚至周向散熱的高效熱管，用于解決對高熱區(qū)有效熱防護(hù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種非單向中間熱點保護(hù)的自循環(huán)高效熱管，利用多孔微結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)強(qiáng)化相變傳熱及氣液的自循環(huán)；雙向甚至周向的導(dǎo)熱方向；其主要針對航空飛行器頭部、機(jī)翼、尾翼的前緣，以及高溫探測器、太陽能高倍集熱光電板等類似具有高熱量密度區(qū)場合，通過將沸騰區(qū)的氣相沿雙向或周向溝槽通道快速遠(yuǎn)傳至終端冷凝區(qū)，從而實現(xiàn)將中間區(qū)域高熱量快速導(dǎo)離，對中間高熱區(qū)進(jìn)行熱防護(hù)的目的。