CN1995896A - 两维循环重力热管 - Google Patents

Abstract

本发明名称为：两维循环重力热管。该热管是一种具有设定导流装置的重力热管。该热管特征为，通过在热管中设置导流装置如导流片、导流管、排液管、叶轮、揽液罩等使热管中的液体沿着设定的路线循环流动，促进蒸发器中液体的气化，加快气液循环，提高传热速度。在该热管被抽成真空的封闭腔中注入了一定量的工作物质。当该热管工作时，热管中存在两条设定的循环路线，一条是工作气体与工作液体相互转化的循环路线，另一条是工作液体内部流动的循环路线。

Description

两维循环重力热管

技术领域

本发明是一种热管，主要针对重力使冷凝工作液体回流热管的改进。

发明背景

随着科学技术的发展，许多设备对散热或传热部件提出了更高的要求。热管因其对热量的超导性，其应用越来越广泛，热管技术得到了长足的发展。热管是在其内封闭有工作物质并当蒸发器受热工作时，处在蒸发器中的液态工作物质吸热蒸发变为气体，在饱和气压差的作用下进入冷凝管，而在冷凝管中散热冷凝变成液体并在毛细力或重力作用下流回到蒸发器继续循环工作的容器。热管通常要求在其封闭腔内除了工作物质外没有其它阻碍工作物质发生相变和流动的物质，为了达到这种要求一方面要将其内的空气抽掉及易挥发和因受热而发生变化的非工作物质清除掉，另一方面要将其密封、使其内腔中的物质与外部环境完全不接触。

如果热管始终处在恒温环境中，热管中工作物质的气液相互转换达到平衡，即工作液体产生的蒸气压等于热管中的气压等于工作液体在该温度时的饱和气压。当热管的蒸发器受热时，蒸发器中工作液体温度升高，使热管中的工作液体产生的蒸气压大于热管中的气压，致使工作液体迅速发生沸腾产生气体进入冷凝管并使管内气压升高。气体在冷凝管中向温度较低的工作环境散热，同时由于冷凝管壁附近的气体的一部分热量已被传走不可避免温度降低，而这部分气体的气压几乎等于蒸发器中气压，也就是几乎等于工作物质处在蒸发器液温时的饱和气压。此时就会出现冷凝管壁附近气体的气压大于其本身饱和气压的现象，这时这部分气体就会冷凝形成液体并向外释放大量的热。这些气体冷凝后，从蒸发器中流进冷凝管的气体会不断地补充到冷凝管壁附近，和前者一样继续散热冷凝。冷凝的液体在重力或毛细力作用下流回蒸发器又吸热蒸发变成气体进入冷凝管散热冷凝。热管中的工作物质就这样循环工作，不断地进行热量传递。这是热管工作的基本循环过程。根据工作液体回流的主要动力来源，热管可分为重力热管和毛细力热管。本文将重力热管工作的基本循环过程称为第一维循环。参见图1可知，在图1中的右回路所体现的就是重力热管第一维循环回路，也是现有技术设计的依据所在。如果我们对重力热管作深入地分析，就会发现重力热管(以下简称热管)中还存在如图1中左支路所示的循环回路，即本文所称的第二维循环回路。由于第二维循环回路的隐蔽性使其在本发明之前似乎并没有引起热管设计者和制造者的注意。因而现有热管技术仅仅利用了第一维循环回路的作用也就是在设计上体现了热管工作的基本循环过程，致使第二维循环回路并没发挥作用。其实我们可以改进热管的内部结构强化液体内部的循环回路即利用第二维循环回路加快液体流动，增加扰动性、破坏薄膜沸腾，提高散热效率。

发明内容

前面已结合图1中的右支路对热管的第一维循环回路进行了分析，并指出热管在工作中同时存在第二维循环回路，但现有的热管设计中并没有考虑到同时利用两维循环回路来提高效率。下面结合图1中的左支路再进一步对第二维循环原理进行分析。热管受热时，热管中的工作液体(以下简称液体)就会从受热壁吸热发生沸腾，即产生气泡向上浮动，并在上浮过程中还会引起周围的液体一起向上涌动。这些向上涌动的气液混合物(本文指夹带有气泡的液体)到达液面后由于惯性作用继续向上窜动，在上窜过程中，气泡破裂释放气体，为第一维循环回路的产生提供可能。由于前述的气液混合物的向上窜动，致使沸腾区的液面高于非沸腾区的液面，沸腾强烈区域的液面高于沸腾较弱区域的液面。在重力作用下，处在沸腾区位置较高的液体必然会向着液面位置较低的区域流动，也就是向着不沸腾或沸腾较弱的区域流动。这些流动过来的液体、在前述的上窜过程中已将包含在其中的气泡释放出来，导致它的密度会比沸腾区的气液混合物的整体密度要大，在重力作用下，向下流动，并有一部分被补充到沸腾区。这些从蒸发器上部返回的液体和冷凝管中流进的液体又共同从热管的受热壁吸热发生沸腾进行再一次的两维循环工作。无论是理论和实验都已表明，当热管受热壁传导的热量密度较高时，就可能出现薄膜沸腾现象，甚至导致热管穿孔报废，而热管中液体的流动有利于破坏薄膜沸腾。根据上述理论，我们可以在热管设计中，在考虑利用第一个循环回路的同时，充分利用第二个循环回路引导蒸发器中刚释放气体的液体流动，进而推动液体在受热壁附近流动，就可以有效地破坏薄膜沸腾现象，提高传热效率，保护热管。本发明中的热管正是基于这个理论进行设计。

本发明中热管的封闭腔由蒸发器、冷凝器和两者之间的连接管道(可能不用连接管道，而直接将蒸发器与冷凝器连接在一起)共同组成，在该空腔内除了特定的工作物质外，没有其它任何在工作温度范围内会以气态存在或产生气体的物质，并且冷凝器的位置高于蒸发器的位置。本热管的重要特征就是在其蒸发器中具有特定的导流装置，如导流片、导流管、叶轮、揽液罩。本发明中蒸发器的受热壁、冷凝管内表面采用管芯、沟槽或两者组合的形式。制造者需要注意的是，当热管内表面采用沟槽结构并且工作液体易产生崩沸时，仍应在适当位置设置一些管芯，以便顺利地启动热管工作，避免因崩沸而爆管。

附图说明：

图1为本发明中热管的两维循环工作的原理路。

图2为本发明中热管的第一实施例的结构示意图(热管空腔中的虚线箭头表示第一维循环回路上工作流体的流动方向，粗线表示第二维循环回路上工作液体的流动方向，以下相同)。

图3为沿着图2中的A——A线水平剖开，向下观察蒸发器所得的剖视图。

图4为受热壁内表面的局部放大图。

图5为本发明中热管的第二实施例的结构示意图。

图6为本发明中热管的第三实施例的结构示意图。

图7为沿着图6中C——C线所得的水平截面图。

图8为沿着图6和图7中D——D线所得的垂直截面图。

图9为本发明热管的第四实施例的蒸发器结构示意图。

图10为沿着图9中E——E线所得的水平截面图。

图11为本发明热管的第五实施例的蒸发器结构示意图。

图12为沿着图11中F——F线所得的水平截面图。

图13为本发明热管的第六实施例蒸发器的结构示意图。

图14为沿着图13中G——G线所得的水平截面图。

图15为本发明热管的第七实施例的结构示意图。

图16为本发明热管的第八实施例的结构示意图。

图17为体现第八实施例中揽液器和进液口结构的立体示意图。

图18为本发明热管的第九实施例蒸发器的结构示意图。

具体实施方式

参见图2，图中显示的热管为本发明的第一实施例的结构示意图。该实施例中，热管由蒸发器1、冷凝器2、排气管3、进液管4四部分组成。参见图2和图3，本热管的主要特征为受热壁7为蒸发器1的一个(或两个相对的)侧平面，并且在蒸发器1里有倾斜的导流片5与受热壁7相连。如图4所示，受热壁7的发泡设置16由管芯17和沟槽18共同组成。下面我们对热管工作过程进行分析。参考图2中虚线箭头显示的第一维循环回路10，当热管工作时，蒸发器1中的液体从受热壁7上吸热后气化产生气泡，顺着导流片5向上浮动，气泡浮出液面破裂后释放的气体从排气口9进入排气管3，顺着排气管3流进冷凝管14，气体通过冷凝器2上的散热片15不断向环境中散热并冷凝成液体，冷凝的液体在重力作用下，流入进液管4并从进液口13流入蒸发器继续循环工作。接着参照图2中粗线箭头显示的第二维循环回路11，当热管第一维循环发生的同时，气泡在上浮过程中带动其周围的液体一起向上涌动，致使导流片5间液体顺着导流片5向中上方汇流，到达蒸发器1的液面释放气泡后，这些液体向两侧分流下沉，再从两侧补充到导流片5之间继续参与循环工作。

参见图5，其中示出了本发明的第二实施例的结构示意图。在本实施例中，热管结构与第一实施例基本相同，其第一维循环回路210由蒸发器201、排气管203、冷凝器202、进液管204串联而成，受热壁为蒸发器201的一个(或两个相对的)侧平面，蒸发器201里有倾斜的导流片205与受热壁相连，不同之处是在蒸发器201上部与进液管204之间加了一根排液管220，改变热管第二维循环路线211。这样，热管工作时，工作液体在液面释放气体后进入排液管220，流入进液管204与从冷凝器202里流下来的液体汇合，然后从进液口213流进蒸发器201补充到蒸发器201中间及导流片205之间，继续工作。在该实施例中，蒸发器201中最顶端的导流片205既可连接到与受热壁相邻的两侧壁上，也可不相连留下空缺让释放气泡的液体在向排液管220流动的同时，让一部分液体从这个空缺流下来。这样本热管中的第二维循环回路由两条路线构成。

参见图6，其中示出了本发明的第三个实施例的结构示意图。在本实施例中，热管第一维循环回路310由蒸发器301、排气管303、冷凝器302、进液管304共同构成。受热壁307仍为蒸发器301的一个(或两个相对的)侧平面。蒸发器301的受热壁307的发泡设置316纵向布置，即管芯或沟槽的方向垂直于底部(以下所述发泡设置纵向布置与此相同)。参考图7和图8，在蒸发器301中受热壁307的两侧各设有一个纵向的导流片305。导流片305和热管侧壁及前后壁共同围成两个通道320。参见图8，热管第二维循环回路311由热管中两个导流片之间的空间和通道320共同构成。当热管工作时，受热的气液混合物向上浮动，到达液面后释放气泡内的气体，这些气体继续在热管第一维循环回路310中流动，而那些释放气泡的液体则向两侧分流从通道320的上端进入，从通道320的下端流出，在热管底部与第一维循环回路310中的液体汇合后，又向上浮动吸热，继续循环工作。在该实施例中我们也可将导流片305平行于受热壁307设置，使导流片305与受热壁相邻的两侧壁相连。这样导流片305、蒸发器两侧壁、与受热壁相对的壁面共同构成一个通道以便实现第二维循环工作。

参见图9，其中示出了本发明热管的第四个实施例的蒸发器结构示意图。参考图9和图10该实施例中热管不同之处是蒸发器为圆筒形，并且受热壁407为内圆筒，导流管405为中圆筒，导流管405通过分流片421固定在外壁408上。导流管405、分流片421和外壁408三者共同构成通道420。导流管405和受热壁407之间的圆筒形空间和通道420共同构成该热管的第二维循环回路411。受热壁407上发泡设置416纵向布置。参见图9，当热管工作时，蒸发器内产生的气体在液面被释放后，向上排出继续在第一维循环回路410中流动。而蒸发器中已释放气体的液体则在第二维循环回路411上越过导流管405顶端进入通道420，向下流到底部与第一维循环回路410上的液体汇合，再向上浮动进入导流管405与受热壁407之间的空间吸热产生气泡，然后再上浮到液面释放气体。该热管就这样实现循环工作。请注意：由于本发明重点着力于热管的第二维循环回路设计，故将本发明一些实施例中不涉及到第二维循环回路而处在第一维循环回路上部分的冷凝器、排气管、进液管省略，这一点相信读者能理解。

参见图11，其中示出了本发明热管的第五个实施例的蒸发器结构示意图。该热管蒸发器的外形为圆柱形，受热壁507为外部的圆柱面。发泡设置516在受热壁507上纵向布置。参考图11和图12，在蒸发器中有一个导流管505通过分流片521固定在受热壁507上。第二维循环回路511由受热壁507与导流管505两者之间的空间和导流管505共同构成。当热管工作时，蒸发器中的液体吸热产生气泡并向上浮动。这些气液混合物到达液面时，气泡破裂释放气体。被释放的气体向上排出继续在第一维循环回路510中流动。而蒸发器中已释放气体的液体则在第二维循环回路511上向内流进导流管505，向下流到底部与第一维循环回路510上的液体汇合，再向上进入导流管505与受热壁507之间的空间浮动吸热，继续循环散热工作。在本发明中热管的排气口可和蒸发器的尺寸一样大，如图11的上端就可作为排气口或排气管的一部分。

参见图13，其中示出了本发明热管的第六个实施例的蒸发器结构示意图。在该实施例中热管的受热壁607由蒸发器四周的圆柱侧面(或由侧面和底部)构成。发泡设置616在圆柱侧壁部分呈纵向布置，在蒸发器底壁部分呈径向布置，即从中心向四周发散布设。进液管604从蒸发器上端伸入到蒸发器底部。参考图13、图14，导流管605通过分流片621固定在进液管604上。当热管工作时，受热壁607附近的液体吸热气化产生气泡带动周围的液体一起向上浮动。这些上浮的液体到达液面后释放气泡中的气体，该气体向上继续在第一维循环回路610中流动，实现散热的功能，而释放气泡的液体则在第二维循环回路611上，向内流入导流管605内，向下流到底部后与第一维循环回路610上液体即从进液管604流入蒸发器的液体汇合，然后再向四周散开，并向上流入导流管605与受热壁607之间的空间。液体在这个过程中边流动边吸热产生新的气泡向上浮动，而这些气泡引起周围液体继续上浮，就这样实现两维循环工作。在该实施例中可在进液管604下端设一避免气泡进入进液管的罩子，以便提高液体流速。

参见图15，其中示出了本发明热管的第七个实施例的结构示意图。该实施例中，热管蒸发器701的侧面为受热壁707，蒸发器701的内腔为圆柱形，在内腔中有一个叶轮705。叶轮705由叶片706和轮轴721共同构成。在蒸发器701侧面上部有一排液管720和进液管704相连。在该热管中第二维循环回路711由蒸发器701、排液管720和进液管704共同构成。受热壁707上的发泡设置主要采用沟槽，沟槽呈螺旋形布设在受热壁707内面上，并且其旋向与叶轮705上的叶片706的旋向相同。当热管工作时，蒸发器701中的液体吸热产生气泡，形成气液混合物，这些气液混合物向上浮动，致使叶轮705转动。转动的叶轮705将液体甩向受热壁707使液体尽可能从受热壁707上带走更多的热量产生更多的气体，克服薄膜沸腾。蒸发器内产生的气体从液体中逸出后，继续在第一维循环回路710上流动，依次通过排气口709、排气管703，然后在冷凝器702中散热冷凝成液体向下流进排液管704。蒸发器701中释放气体的液体通过排液管720流入进液管704与从冷凝器702内流下的液体汇合，再一起从进液口713流进蒸发器701继续进行新一轮循环工作。

参见图16，其中示出了本发明热管的第八个实施例的结构示意图。在该实施例中，热管蒸发器801的受热壁807由蒸发器侧面构成(或由侧面和底部两者组成)，蒸发器内腔的横截面为圆柱形，在该空腔内有一个叶轮805，叶轮805上叶片806固定在排液管820上。排液管820上端被套在固定于蒸发器801顶部的套筒824内，下端用一根短轴821限制在蒸发器801底部。排液管820下部有一个进液口813，上部有一个排液口822。参见图16、图17，在排液口822旁有一揽液罩823，以便叶轮805转动时将周围的液体揽入排液管820。受热壁807上的发泡设置主要采用沟槽，沟槽呈螺旋形布设在受热壁807内面上，并且其旋向与叶轮805上叶片806的旋向相同。当热管工作时，受热壁807附近的液体吸热产生气泡向上浮动，气泡周围的液体也随之流动并推动叶轮805转动。这些推动叶轮805一起转动的气液混合物上升到液面、释放气体后，液体密度增大，在重力作用下迫使其从排液口822流入排液管820，而在排液口822旁的揽液罩823因随着叶轮805的转动而加快了液体流入排液管820的速度。液体在进入排液管820后，向下流到排液管820未端，再从进液口813流出排液管820，到达蒸发器801底部又开始吸热产生气泡并向上运动，就这样当热管工作时，总有液体在上述路线上流动，这条路线就是本热管的第二维循环回路。在该热管第一维循环回路上，工作流体依次流过受热壁807与叶轮805之间的空间、排气管803、冷凝器802、进液管804、排液管820，并从进液口813进入蒸发器801。

参见图18，其中示出了本发明热管的第九个实施例的蒸发器结构示意图。在该实施例中，蒸发器的受热壁907由蒸发器侧面构成(或由侧面和底部两者组成)，内腔为圆柱形，在这个空腔中有一个叶轮905，叶轮905上的叶片906被固定在排液管920上，叶轮905上端通过排液管920上的连杆925连接的套环924套在进液管904上(在进液管适当位置设一限位装置，防止叶轮在转动过程中因向上移动而使其底部短轴脱离蒸发器底部的限位孔)，叶轮905下端通过排液管920底部的短轴921限制在蒸发器底部。受热壁907上的发泡设置主要采用沟槽，沟槽呈螺旋形布设在受热壁907内面上，并且其旋向与叶轮905上叶片906的旋向相同。当热管工作时，蒸发器中的液体从受热壁907吸热产生气泡，并跟随气泡上升到蒸发器上部释放气体。释放气体的液体密度加大，从排液管920的顶端流入排液管920，从排液管920下部的进液口913流到蒸发器底部又开始从受热壁907上吸热产生气泡，继续循环工作。前句所述的液体所走过的路线就是该热管的第二维循环回路。在第二维循环发生的同时，从蒸发器中产生的气体进入冷凝器冷凝成液体后，在重力作用下通过进液管904，从进液管904的底端开口流出，经过进液口913流入蒸发器底部，再次从受热壁907上吸热气化，就这样周而复始地进行散热的工作。另外，我们可将叶片906上贴近排液管位置部分镂空，以便气泡快速排出。

Claims (12)

1、一种在密闭的真空腔内封闭有工作物质的重力热管。该热管的特征为：在工作液体的流动路线上设有导流装置，在该热管中的工作液体具有设定的流动路线。

2、根据权利要求1所述的热管，其特征在于，所述导流装置为导流片、导流管、排液管、叶轮、揽液罩中的至少一种。

3、根据权利要求2所述的热管，其特征在于，扁平形的蒸发器内设有若干个倾斜的导流片。

4、根据权利要求2所述的热管，其特征在于，扁平形的蒸发器内至少设有一个垂直的导流片。

5、根据权利要求2所述的热管，其特征在于，圆柱形的蒸发器内设有导流管。

6、根据权利要求2所述的热管，其特征在于，圆筒形的蒸发器内设有导流管。

7、根据权利要求2所述的热管，其特征在于，圆柱的蒸发器内设有叶轮。

8、根据权利要求7所述的热管，其特征在于，在蒸发器的上部设有一根排液管与进液管相连。

9、根据权利要求 7所述的热管，其特征在于，叶轮上叶片固定在蒸发器中的排液管上。

10、根据权利要求9所述的热管，其特征在于，排液管的上端伸入蒸发器顶部的套筒内接纳从蒸发器顶部进液管流下的工作液体，排液管上部的侧面有排液口。

11、根据权利要求5所述的热管，其特征在于，进液管从蒸发器顶端伸入并***导流管中，终止于导流管底部。

12、根据权利要求9所述的热管，其特征在于，进液管从蒸发器顶端伸入并***排液管中，终止于排液管底部。

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