一種非單向中間熱點保護的自循環高效熱管的製作方法

2023-09-24 02:04:00

本發明屬於高效換熱技術領域，具體涉及一種將中間高熱流密度區熱量向兩側或周向方向分散傳輸的新型雙向傳熱高效熱管，尤其是涉及一種非單向中間熱點保護的自循環高效熱管。

背景技術：

熱管是一種具有快速均溫特性的特殊換熱器件，其具有質輕、高導熱性以及快速均溫的特性，廣泛運用於航天領域，各式熱交換器、冷卻器、電子產品散熱等領域，是現今最普遍高效的導熱(非散熱)元件。經過幾十年的發展，熱管結構由單支演變為多根熱管組合成換熱器，由一體熱管演變為分離式熱管、毛細泵迴路熱管和脈動熱管。但無論熱管換熱系統結構組成如何變化，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、一個冷凝散熱區以及之間的流體傳輸區組成。對於一些需要快速導熱、快速均熱的場合；如航空器頭部、機翼以及尾翼前緣等位置，由於與空氣的快速摩擦使得頂部局部溫度高達上千度；或探測器、模型等進入高溫區，同時要求內部空腔保持低溫；甚至是太陽能高倍聚焦後熱點高溫快速導離等場合，其高熱流密度點在中間，而熱量需要向兩側或雙向沿壁面迅速導離。在此場合下，經典熱管一端為沸騰高溫區，另一端為散熱區的結構已不能滿足應用需求；需要設計中間為沸騰高溫區，使得高熱流密度迅速沿兩個方向甚至是四周快速導離，以達到中間熱點保護的目的。另一方面，根據熱管內物理相變傳熱過程，沸騰高熱區負責吸收環境熱量，使工質發生沸騰相變；氣相工質經過流體傳輸區達到冷凝散熱區發生冷凝相變，釋放熱量；冷凝的液體再通過傳輸區返回至沸騰高熱區，進入下一周期。針對兩相傳輸，近年來強化熱管的方法和技術主要為設計熱管強化微結構並耦合選用具有大表面張力的相變工質，使沸騰蒸汽和冷凝液體在管內快速循環，甚至提高工質傳輸距離。管內微結構的強化思路主要有三種：利用管內添加插入式吸液芯；在熱管內壁面燒結多孔結構；壁面加工溝槽。溝槽管的成本一般比燒結管低，主要缺點是其指向性強，在直線傳導時性能和燒結管相當。但一旦管道彎曲，槽內流體不能很好的限制在溝槽內使得換熱性能明顯下降；例如，當溝槽管彎曲90度，導熱性能幾乎只能達到原來性能的1/2；當散熱器彎曲角度大到180度，傳熱效果極速衰減。燒結管由於利用毛細結構吸液傳輸，壁面彎曲度對傳熱性能影響不大；因此燒結管適宜設計成各種彎曲形狀。同時需要指出的是，熱管內氣液兩相的循環傳輸過程，是兩相流體的一種持續相向運動，氣液界面的相對滑移是循環中一常態過程。如何利用燒結或者機加工微結構控制氣液界面，分流氣液雙向運動，做到固定航道、有序調控，耦合微結構加快液相回流速度，才能從根本上提高兩相的循環效率。

近年來微結構調控兩相流流型以及流動狀態、利用多孔結構強化沸騰傳熱的研究越來越深入；多孔結構不僅可以有效提高沸騰汽化核心數目，同時也可以利用結構尺度差在界面能作用下有效控制氣液的分區。本申請的發明人在對多孔結構調控兩相流、強化沸騰傳熱的研究基礎上；提出利用燒結多孔結構耦合巧妙結構設計，強化吸熱區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，設計適用於中間高熱密度急於向兩側甚至四周散熱場合的新型雙向傳熱自循環高效熱管。本發明是從相變傳熱的物理機理出發，基於氣液兩相流流型調控的思想以及實際應用中高熱點在中心的重大需求，設計適合雙向甚至周向散熱的高效熱管，用於解決對高熱區有效熱防護問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提出一種非單向中間熱點保護的自循環高效熱管，利用多孔微結構設計實現強化相變傳熱及氣液的自循環；雙向甚至周向的導熱方向；其主要針對航空飛行器頭部、機翼、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場合，通過將沸騰區的氣相沿雙向或周向溝槽通道快速遠傳至終端冷凝區，從而實現將中間區域高熱量快速導離，對中間高熱區進行熱防護的目的。

一種非單向中間熱點保護的自循環高效熱管，其特徵在於，包括位於中間的吸熱沸騰區，位於吸熱沸騰區周向位置的氣液傳輸區，以及位於所述氣液傳輸區遠端的放熱冷凝區，所述吸熱沸騰區設置多孔結構。

進一步，所述氣液傳輸區位於吸熱沸騰區的雙向位置。

進一步，所述吸熱沸騰區和氣液傳輸區的形狀為平板、圓管或不規則形狀。

進一步，所述氣液傳輸區間隔設置微結構吸液芯的多孔通道和介於多孔通道之間的氣體溝槽通道。

進一步，所述微結構吸液芯的多孔通道為陶瓷微管堆砌而成，用於將放熱冷凝區冷凝的液體快速導回吸熱沸騰區。

進一步，所述多孔通道是燒結的多孔填料結構或泡沫金屬的多孔結構，其尺寸為毫米級，所述孔的尺寸為微米級。

進一步，所述氣體溝槽通道的尺寸為毫米級。

進一步，所述多孔通道的彎曲處，在多孔通道與氣體溝槽通道的交界面，沿多孔通道側壁面設置氣體遮擋板。

進一步，所述自循環高效熱管內部灌裝的工質為水或有機物質。

進一步，所述放熱冷凝區的熱管壁面設置冷卻翅片。

具體來說，所述自循環高效熱管的中間為吸熱沸騰區1，雙向甚至周嚮導熱自循環高效熱管；所述熱管內部採用多孔結構4強化沸騰吸熱區1的相變換熱；並耦合多孔吸液功能，適當設計液體吸液芯的多孔通道5和氣體溝槽通道6，促進熱管內部高效氣液回流；從而實現對中間高熱流密度區的熱保護功能。

本發明中雙向甚至周向的導熱方向主要針對航空飛行器頭部、機翼、尾翼的前緣，以及高溫探測器、太陽能高倍集熱光電板等具有高熱量密度區類似場合，通過將沸騰區的氣相沿雙向或周向溝槽通道快速遠傳至終端的放熱冷凝區，從而實現將高熱區的熱量快速導離，對高熱區進行熱防護的目的。此中間吸熱沸騰區1以及氣液傳輸區2可根據應用場合如飛行器頭部的形狀進行尺寸和彎曲的設計；其形狀不局限於平板、圓管以及其他不規則形狀。原則是中心熱量的分散便於熱量的回收利用。

利用微結構同時強化沸騰及冷凝。在中間部位的吸熱沸騰區，利用多孔結構降低沸騰氣泡的脫離直徑，增大沸騰相變換熱面積；同時設計多孔結構吸液芯延伸到冷凝散熱區，加速冷凝液的脫離，提高冷凝區表面的更新速率，引導冷凝液的快速補充，從而強化沸騰傳熱性能，利用多孔微結構設計實現強化相變傳熱。所述氣體溝槽通道用於將吸熱沸騰區的氣體沿氣體溝槽通道快速傳至放熱冷凝區。利用多孔微結構設計實現強化氣液自循環，利用多孔結構的間隔排布設計成雙向或周向溝槽通道和多孔吸液芯通道。其溝槽通道將沸騰區的氣相沿雙向或周向溝槽通道快速遠傳至終端冷凝區，同時多孔吸液芯通道將冷凝的液體快速導回沸騰區，從而加速了氣液自循環。所述雙向或周向氣體溝槽通道6分布在高熱密度區兩側或四周。其與液相回吸的多孔通道5間隔排布。氣相溝槽通道6尺度在毫米級，多孔液相回吸通道為由微米級多孔結構構成的毫米級導液芯。為避免氣相在熱管彎曲處的串道逆流，在彎曲處多孔液相導液芯壁面添加氣相遮擋板9；或液相導液芯直接選用類似陶瓷微管堆砌而成，從而避免氣體在熱管彎曲處的串道逆流，保證氣液兩相各走其道從而提高循環效率。

所述高效熱管的冷凝散熱端形狀由整體散熱場所及熱能再利用需求決定，可為圓形熱管的周邊圓環區，長方形熱管的兩端方形區或其他形狀的段側形狀。其內壁壁面主要為光滑壁面；吸液的多孔通道5頭部延伸到冷凝區，佔據少量換熱面積。同時，延伸到冷凝散熱區的吸液芯有利於冷凝液的快速回流，加速冷凝液的脫離，提高冷凝區的冷凝效率。同時，熱管冷凝區3的熱管壁面8可以利用翅片7等通用強化措施強化冷凝壁面外側的換熱性能，與管內強化同時耦合作用。

所述熱管中間部位的吸熱沸騰區1，利於多孔結構降低沸騰氣泡的脫離直徑，增大沸騰相變換熱面積，同時利用多孔結構引導冷凝液的快速補充，從而強化沸騰傳熱性能。

所述熱管內部灌裝工質可為水、有機工質或其他高相變溫度的媒介，其主要針對氣液相變換熱的工質。所述熱管內的多孔結構可以是燒結多孔填料結構、泡沫金屬等一般通用的多孔結構。

因此本發明是針對熱管中吸熱沸騰過程、放熱冷凝過程以及氣液傳輸過程各自特點均進行了強化的一種高效熱管，其設計大大提高了熱管的導熱效率。同時其吸熱點在實際應用中需要熱保護的高熱區；導熱方向為非單一性，管內流體流動方向不受重力影響。蒸發氣體在管內氣相壓力的推動力作用下從沸騰段傳輸到冷凝端，而冷凝液則通過為微細結構的毛細芯作用快速吸回沸騰端。

本發明的效果和有益效果是：(1)本發明提出雙向或周向自循環高效熱管，能針對航空飛行器頭部、飛機機翼尾翼的前緣及其他一些中間高熱，需要快速降溫的場合使用。是基於實際高溫熱保護的實際應用提出的，具有重大的實際應用價值。(2)本發明從熱管三個主要過程入手，各自採取了相應的強化傳熱手段；沸騰吸熱表面利用多孔結構強化氣泡脫離，加快液相補充；冷凝放熱端利用管內少量分布的吸液芯快速導離冷凝液，加快冷凝面的更新頻率；氣液傳輸區域利用分區結構調控氣液兩相分別流動；提出一種新型高效熱管的設計理念，建立了一種高效熱點保護型熱管的設計原則。

附圖說明

圖1是帶冷卻翅片的板式雙向傳熱自循環高效熱管結構圖；其中(a)是俯視圖，(b)是a-a向的氣相溝槽通道與液相吸液芯通道的截面圖。

圖2是帶冷卻翅片的周向傳熱自循環高效熱管結構圖。

圖3是不帶冷卻翅片的彎曲兩向傳熱自循環高效熱管結構圖。

圖4是無冷卻翅片的探測觸頭熱保護套狀熱管。

圖中標號：1吸熱沸騰區；2氣液傳輸區；3放熱冷凝區；4多孔結構；5多孔通道；6氣體溝槽通道；7冷卻翅片；8熱管壁面；9氣體遮擋板。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明進行說明，但不以任何方式限制本發明。

圖1是帶冷卻翅片的板式雙向傳熱自循環高效熱管結構圖；其中(a)是俯視圖，(b)是a-a向的氣相溝槽通道與液相吸液芯通道的截面圖。

此結構主要由吸熱沸騰區1、氣液傳輸區2以及帶冷卻翅片7的放熱冷凝區3組成的板式中間高熱表面的熱保護熱管。進行熱保護操作時，將熱管中心的吸熱沸騰區1與高熱表面接觸良好，在多孔結構4的強化作用下高熱表面的熱量通過工質的沸騰相變很快傳遞到熱管內的工質；並使得工質在沸騰區1內轉變為汽體狀態。伴隨著高熱表面與沸騰區1之間熱量的傳遞，液相轉變的汽相在後續生成的汽相的推動力下沿溝槽通道6抵達放熱冷凝區3。熱管外壁冷卻翅片7能夠加快放熱冷凝區3的相變換熱，使得到達冷凝區3的汽相很快被冷凝成液相。液相一旦接觸吸液多孔通道5，在表面張力的作用下，液體迅速進入微通道內並被非能動的運輸回高熱沸騰區1。從圖1(b)a-a面氣相溝槽通道與液相吸液芯通道的截面圖可知，此板式雙向傳熱自循環高效熱管的氣相和液相通道6、5均為方形界面，其中通道5是由金屬納米顆粒燒結而成的多孔通道。

圖2是帶冷卻翅片的周向傳熱自循環高效熱管結構圖。如圖所示，中間吸熱沸騰區1為圓形區，此結構適用於中心高熱流表面的形狀為圓形。為了保證氣相能夠在氣壓作用下快速到達熱管外圓周出的散熱冷凝區3，設計吸液功能的液相多孔通道5為扇形，從而保證氣相溝槽通道較小，氣體能夠較容易抵達冷凝區3。耦合熱管冷凝區外壁的翅片強化傳熱，氣相在冷凝區3處冷凝為液相；並在吸液芯多孔通道的導引作用下，快速返回吸熱沸騰區，進入下一個循環。

圖3為不帶冷卻翅片的彎曲兩向傳熱自循環高效熱管結構圖。此結構設計為彎曲板式熱管。應用背景主要為飛機頭部、機翼尾翼的前緣高溫區的熱保護應用設計而成。將吸熱沸騰區1的表面與飛行器頭部甚至是機翼的前緣接觸良好，使得機翼表面熱量快速傳導給吸熱沸騰區1內的工質。在多孔結構4的強化作用下，液相快速轉變為汽相併通過溝槽通道6進入冷凝區3。冷凝區3表面通過與環境換熱或者其他熱能回收利用方式，汽相冷凝為液相，並通過吸液芯多孔通道5非能動傳輸回沸騰區1。此結構中由於熱管存在彎曲，為避免沸騰產生的氣相在通道彎曲處衝擊進入多孔通道5內與回流的液相發生逆流，使得熱管換熱效率降低；因此在多孔通道5與氣體溝槽通道6的交界面設計了氣相擋板9，有效控制氣液兩相的獨立流動，避免了溝槽結構在彎曲時引起傳熱性能的大幅下降。

圖4為無冷卻翅片的探測觸頭熱保護套狀熱管。此熱管為一頭封閉的管套式熱管。其主要應用於高溫探頭進入高溫場，而內部探頭傳感不能長期高溫高熱，需端點熱保護的場合。使用時，將套狀熱管套裝在高溫探頭或需要端點保護的設備頂端，與端點接觸的熱管頂端為具有多孔結構4的吸熱沸騰區1。經過導熱換熱過程，高溫區熱量轉變為相變換熱的潛能，工質在多孔結構強化沸騰的過程中快速轉變為氣相，沿管道環隙方向上的溝槽通道6傳輸到放熱冷凝區3。此冷凝區3可根據需求設置延伸到什麼位置，若所需距離遠可適當減小汽相溝槽通道。冷凝換熱後，汽相又冷凝為液相，在毛細作用下沿吸液多孔通道5返回吸熱沸騰區1，從而自循環換熱。

實施例1：

利用如圖1所示的帶冷卻翅片的板式雙向傳熱自循環高效熱管對高聚光倍數的光電轉換板進行快速冷卻。對於5m2大小的集熱器，利用雙曲面聚光，整體聚光倍數約62倍；使得在30mm*30mm的光電板上溫度達到1000℃。由於光電材料的發電性能受溫度的影響較大，溫度升高，發電效率降低；因此該高熱流密度下的高溫需要快速散熱。此時板式雙向傳熱自循環高效熱管的吸熱沸騰區的大小設計為與光電板大小相同，30mm*30mm，內部利用200μm的金屬銅粉燒結的多孔結構強化沸騰區1的沸騰傳熱性能。伴隨工質水快速轉變為氣相併衝向放熱冷凝端3，冷凝段利用冷卻水強制對流對其進行換熱，使得氣相冷凝為液體並被氣相多孔通道吸回沸騰區1，再次循環。經測定整個熱管的功率可達到130kw/m2。同時在發電的同時，在冷凝段獲得60℃的熱水，也證明了光電與光熱耦合應用的可行性。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。