專利名稱：具有穩(wěn)定單向循環(huán)流動(dòng)的脈動(dòng)熱管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳熱元件范圍，特別涉及可以使脈動(dòng)熱管內(nèi)兩相流動(dòng)具有方向 性，有助于實(shí)現(xiàn)單向循環(huán)流的一種具有穩(wěn)定單向循環(huán)流動(dòng)的脈動(dòng)熱管。
背景技術(shù)：
脈動(dòng)熱管是一種高效傳熱元件，脈動(dòng)熱管利用相變產(chǎn)生汽泡驅(qū)動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)， 雖然結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但其內(nèi)部機(jī)理非常復(fù)雜，涉及多學(xué)科、多參數(shù)的汽液兩相流 系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)和理論研究都還處于初級(jí)階段。
脈動(dòng)熱管內(nèi)部的流動(dòng)屬于微細(xì)通道內(nèi)的汽液兩相流動(dòng)，運(yùn)行過(guò)程中其內(nèi)部工 質(zhì)的壓力、溫度和速度均呈現(xiàn)脈動(dòng)性，存在許多熱力不平衡現(xiàn)象，因此，其運(yùn)行 特性帶有很大的隨機(jī)性和復(fù)雜性。從流動(dòng)方向來(lái)看，脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)可分 為脈動(dòng)流和循環(huán)流。工質(zhì)在管內(nèi)的單向循環(huán)流動(dòng)，可以改善由蒸發(fā)段到冷凝段的 工質(zhì)輸送，強(qiáng)化熱量傳遞，提高脈動(dòng)熱管的傳熱性能。但是，實(shí)際運(yùn)行中，穩(wěn)定 的單向循環(huán)流是難以維持的，通常和局部脈動(dòng)、停滯、反向倒流等流態(tài)交錯(cuò)出現(xiàn)，
運(yùn)行現(xiàn)象十分復(fù)雜。因此，脈動(dòng)熱管運(yùn)行的穩(wěn)定性及傳熱的可控性有待提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有穩(wěn)定單向循環(huán)流動(dòng)的脈動(dòng)熱管，其特征在于 該脈動(dòng)熱管是在兩段不同內(nèi)徑的管之間連接一段漸擴(kuò)管構(gòu)成。
所述兩段不同內(nèi)徑的管，管道內(nèi)徑滿足Z^2^r/(^-A)g，式中，D,為管道
內(nèi)徑，"為表面張力，A、 ^為工質(zhì)液相和汽相密度。
所述兩段不同內(nèi)徑的管，減少了脈動(dòng)熱管流道的對(duì)稱性和均衡性，使某一方 向的流動(dòng)占優(yōu)，從而提高了形成單向循環(huán)流的可能性。
所述兩段不同內(nèi)徑的管，粗管比細(xì)管中的流動(dòng)速度要低，由此造成流動(dòng)阻力 較小，因此能達(dá)到合理匹配流動(dòng)阻力的效果，引導(dǎo)工質(zhì)向粗管方向運(yùn)動(dòng)，形成單 向循環(huán)流動(dòng)。
所述脈動(dòng)熱管中，周期性的產(chǎn)生塞狀汽泡，由于管道的內(nèi)徑不同，汽泡彎月面的曲率半徑也會(huì)發(fā)生變化，在表面張力作用下，將會(huì)產(chǎn)生微泵效應(yīng)。 所述脈動(dòng)熱管的導(dǎo)熱和流動(dòng)管道，功效類似于一個(gè)單向閥。
本發(fā)明的有益效果是，有助于實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)的單向循環(huán)流動(dòng)，改善由 蒸發(fā)段到冷凝段的工質(zhì)輸送，提高脈動(dòng)熱管的傳熱性能，增強(qiáng)脈動(dòng)熱管運(yùn)行的穩(wěn) 定性及可控性。


圖l是本發(fā)明的原理示意圖。
圖2是采用新結(jié)構(gòu)的改進(jìn)型脈動(dòng)熱管。 圖3是新結(jié)構(gòu)的微泵效應(yīng)示意圖。 圖4是普通脈動(dòng)熱管和改進(jìn)型脈動(dòng)熱管的熱阻比較圖。 圖5是改進(jìn)型脈動(dòng)熱管的流型實(shí)拍圖片。
圖中l(wèi).細(xì)管，2.漸擴(kuò)管，3.粗管，4.改進(jìn)型脈動(dòng)熱管，5.汽泡。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種具有穩(wěn)定單向循環(huán)流動(dòng)的脈動(dòng)熱管。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例 予以說(shuō)明。
實(shí)施例l:
如圖1所示，該脈動(dòng)熱管是在兩段不同內(nèi)徑的管之間連接一段漸擴(kuò)管構(gòu)成。
即在細(xì)管1和粗管3之間連接一段漸擴(kuò)管道2構(gòu)成，形成一段完整的流動(dòng)通道。
實(shí)施例2:
如圖2所示為改進(jìn)型脈動(dòng)熱管。管道被彎曲成多個(gè)彎頭，管內(nèi)的液體被加熱
和冷卻，產(chǎn)生相變，通過(guò)相變過(guò)程和工質(zhì)流動(dòng)傳遞熱量，脈動(dòng)熱管可對(duì)電子器件
進(jìn)行冷卻。在管道的左下部安裝了一段長(zhǎng)100ram，內(nèi)徑2mm的粗管；其它部分保持 內(nèi)徑為l. 6mm。這種結(jié)構(gòu)改進(jìn)相當(dāng)于在最右端管道應(yīng)用了本發(fā)明所述的新結(jié)構(gòu)。
安裝的一段粗管破壞了脈動(dòng)熱管流道的對(duì)稱性和均衡性，其功效類似于一個(gè) 單向閥，使脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)某一方向的流動(dòng)占優(yōu)，從而提高了形成單向循環(huán)流的 可能性。
流體在管道中流動(dòng)需要克服流動(dòng)壓降。其中，摩擦壓降為-(生)=乂=^，管內(nèi)壁表面狀況和工質(zhì)物性相同時(shí)(即 相同)時(shí)，粗管比細(xì)管中的摩擦壓降要 變小，這有利于工質(zhì)向粗管方向運(yùn)動(dòng)；重力壓降為—f生)+Pv+(1- )A]gsin0 ，相
v^人
同質(zhì)量的工質(zhì)在粗管中液柱更短，重力壓降更小，這也有利于工質(zhì)向粗管方向運(yùn) 動(dòng)?？梢?jiàn)，對(duì)于改進(jìn)型脈動(dòng)熱管，粗管中的摩擦壓降和重力壓降較小，流動(dòng)阻力 較少，因此能達(dá)到合理匹配流動(dòng)阻力的效果，引導(dǎo)工質(zhì)向粗管方向運(yùn)動(dòng)，形成單
向循環(huán)流動(dòng)。
實(shí)施例3:
圖3是微泵效應(yīng)示意圖。在漸擴(kuò)管道2中，如果周期性的產(chǎn)生汽泡5，由于管 道形狀呈漸擴(kuò)特征，汽泡彎月面的曲率半徑發(fā)生強(qiáng)制性變化，在表面張力作用下， 將會(huì)產(chǎn)生微泵效應(yīng)。
表面張力作用使汽泡內(nèi)部和外部液體之間產(chǎn)生壓差，<formula>formula see original document page 5</formula>
因此有，A-P2=-2ct<formula>formula see original document page 5</formula>
式中，^為汽泡內(nèi)蒸汽壓力；A和^分別為汽泡外部細(xì)管和粗管一側(cè)的液體壓力； 《和A分別為汽泡在細(xì)管和粗管側(cè)彎月面的曲率半徑，由于管道形狀呈漸擴(kuò)特 征，c7為表面張力系數(shù)。
可以看出，為了維持壓力平衡，汽泡外測(cè)上游較細(xì)管道的液體壓力必須小于 下游較粗管道的液體壓力，也就是說(shuō)，毛細(xì)漸擴(kuò)管道內(nèi)的汽泡提供了一個(gè)壓頭， 產(chǎn)生微泵效應(yīng)。改進(jìn)型脈動(dòng)熱管4在蒸發(fā)段存在毛細(xì)漸擴(kuò)管道。汽泡在毛細(xì)漸擴(kuò) 管道內(nèi)不斷生成，長(zhǎng)大，離開(kāi)，這就產(chǎn)生了微泵效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)工質(zhì)向較粗的管道運(yùn) 動(dòng)。
圖4比較了兩種脈動(dòng)熱管的熱阻在不同傳熱量時(shí)的大小，工質(zhì)為無(wú)水乙醇， 充液率為50%,。改進(jìn)型脈動(dòng)熱管4有利于循環(huán)流的形成和維持，改善由蒸發(fā)段到
冷凝段的工質(zhì)輸送，強(qiáng)化熱量傳遞，從而減小熱阻，提高脈動(dòng)熱管的傳熱性能。 Q〈30W時(shí)，兩種脈動(dòng)熱管熱阻大小相近；在Q〉30W的情況下，改進(jìn)型脈動(dòng)熱管4的熱阻要低。
圖5是出現(xiàn)循環(huán)流時(shí)，改進(jìn)型型脈動(dòng)熱管四根相鄰管道絕熱段的實(shí)拍圖片。
此時(shí)，工質(zhì)為無(wú)水乙醇，充液率為50%，加熱功率為60W。四根管道內(nèi)，塞狀流和 環(huán)狀流交錯(cuò)分布，管壁溫度也隨之冷熱交替，工質(zhì)的整體單向流動(dòng)趨勢(shì)明顯。A 管內(nèi)，塞狀流往下運(yùn)動(dòng)進(jìn)入蒸發(fā)段，由于加熱功率較大，通過(guò)U型管后，液柱蒸 發(fā)出來(lái)的蒸汽向冷凝段高速流動(dòng)，在蒸汽的沖擊下，在B管絕熱段很難形成液柱， 流型呈環(huán)狀流；到冷凝段后部分蒸汽冷凝，蒸汽速度降低，得以發(fā)展成液柱，在 C管中形成塞狀流。同樣，C管中的塞狀流進(jìn)入U(xiǎn)型蒸發(fā)段，高速蒸汽流經(jīng)D管形成
環(huán)狀流。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)型式多樣，可根據(jù)需要在脈動(dòng)熱管整個(gè)長(zhǎng)度內(nèi)布置多個(gè)新結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明上述實(shí)施例僅用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，其不應(yīng)限定本發(fā)明的保護(hù)范 圍，若對(duì)上述實(shí)施例中技術(shù)方案做出的等效變換，均應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種具有穩(wěn)定單向循環(huán)流動(dòng)的脈動(dòng)熱管，其特征在于，該脈動(dòng)熱管是在兩段不同內(nèi)徑的管之間連接一段漸擴(kuò)管構(gòu)成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有穩(wěn)定單向循環(huán)流動(dòng)的脈動(dòng)熱管，其特征在于，所述兩段不同內(nèi)徑的管，管道內(nèi)徑滿足D, < 2^t/(P, - & )g ，式中，Z),為管道內(nèi)徑， "為表面張力，A、 ^為工質(zhì)液相和汽相密度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有穩(wěn)定單向循環(huán)流動(dòng)的脈動(dòng)熱管，其特征在于，所 述兩段不同內(nèi)徑的管，減少了脈動(dòng)熱管流道的對(duì)稱性和均衡性，使某一方向的流 動(dòng)占優(yōu)，從而提高了形成單向循環(huán)流的可能性。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有穩(wěn)定單向循環(huán)流動(dòng)的脈動(dòng)熱管，其特征在于，所 述兩段不同內(nèi)徑的管，粗管比細(xì)管中的流動(dòng)速度要低，由此造成流動(dòng)阻力較小， 因此能達(dá)到合理匹配流動(dòng)阻力的效果，引導(dǎo)工質(zhì)向粗管方向運(yùn)動(dòng)，形成單向循環(huán) 流動(dòng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有穩(wěn)定單向循環(huán)流動(dòng)的脈動(dòng)熱管，其特征在于，所 述脈動(dòng)熱管中，周期性的產(chǎn)生塞狀汽泡，由于管道的內(nèi)徑不同，汽泡彎月面的曲 率半徑也會(huì)發(fā)生變化，在表面張力作用下，將會(huì)產(chǎn)生微泵效應(yīng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述具有穩(wěn)定單向循環(huán)流動(dòng)的脈動(dòng)熱管，其特征在于，所 述脈動(dòng)熱管的導(dǎo)熱和流動(dòng)管道，功效類似于一個(gè)單向閥。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于傳熱元件范圍的一種具有穩(wěn)定單向循環(huán)流動(dòng)的脈動(dòng)熱管。該脈動(dòng)熱管由在兩段不同內(nèi)徑的管之間連接一段漸擴(kuò)管構(gòu)成。其漸擴(kuò)管道可以減少流道的對(duì)稱性和均衡性，合理匹配流動(dòng)阻力，并且由于汽液表面張力的作用產(chǎn)生微泵效應(yīng)，引導(dǎo)工質(zhì)向粗管方向運(yùn)動(dòng)，形成單向循環(huán)流動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好，實(shí)現(xiàn)型式多樣，采用此新結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)脈動(dòng)熱管運(yùn)行的穩(wěn)定性及可控性，提高脈動(dòng)熱管的傳熱性能。
文檔編號(hào)F28D15/02GK101424491SQ20081023993
公開(kāi)日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2008年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月15日
發(fā)明者石 劉, 李志宏, 李驚濤, 韓振興 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)