[发明专利]一种旋流式热导管

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用气体-液体的相变，连续地输送热量的装置，属于传热设备领域，是一种旋流式热导管。

背景技术

热导管最初是于1964年由美国科学家发明的，它主要包括一个封闭的管道，在其内层表面附着一层多孔介质材料或毛细管结构。利用气体-液体的连续相变过程输送热量。图1是一个典型的热导管工作原理图。如图1中所示，热导管是一个封闭的管道，包括三个不同的部分，分别是蒸发区、绝热区和冷凝区。管道里面注入工质，如水、甲醇等物质。当热源被施加到蒸发区，输入的热量被蒸汽的潜热所吸收，热导管内的液体工质被加热、气化、蒸发，并向低温、低压的冷凝区方向运动。中间的绝热区意味着此段的热量的输出和输入均可以忽略不计。在冷凝区的放热过程会导致蒸汽凝结成液体，并释放潜热。毛细管结构会将液体送回到蒸发区。热导管利用工质在冷、热两端的相变，实现了热量传递。如果加入的热量和放出的热量保持恒定，这个相变过程将持续进行，并达到一个稳定状态。

座位传热工具的热导管有很多优势。首先，它的热传导效率高，一般是固体金属热传导率的数倍甚至几十倍，因而可以以较小的热损失将热量输送至较远的地方。再有，热导管内各处温度基本等于工质的饱和蒸汽温度，所以整体的等温性好。此项特点可以用于减小不均匀加热表面的温差。例如安装在空间卫星表面，可以平衡面向太阳一侧和阴影一侧之间的温差。此外，热导管可以通过改变传热面积使热流密度改变。例如，以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，反之亦可。工程上，热导管可以被制作成各种形状，方便使用。不仅如此，热导管可以被制成分体的形式，蒸发器和冷凝器分别在两端，中间用绝热的蒸汽管和回流管管路连接，毛细管结构仅用于蒸发器，或者在冷凝器的高度大于蒸发器的情况下省去毛细管结构。这一类热导管被称为循环式热导管。图2是此类循环式热导管的工作原理图。

热导管在工程应用上也有一些限制。例如，任何毛细管结构都需要克服一定的压降、任何热导管都会受到声阻的制约，限制了传热量。此外，热导管也受工质的影响。一类以液体工质(如水、甲醇等)在高温环境的情况下，在蒸发器内腔壁面会形成蒸汽薄膜。大量的蒸汽泡在壁面生成，使得壁面上的液体离开壁面。因为蒸汽气泡的传热系数较液体的低很多，因而降低了壁面的传热量。所以，很多热导管在环境温度使用时，传热效率并不高。再有，蒸汽与从冷凝器回来的液体的运动方向相反，彼此产生剪切力。蒸汽可能将液体卷吸带走一部分。如果卷吸的液体过多，蒸发器内没有足够的液体回归，蒸发器可能会被烧干，造成热导管零部件的损坏。

为了扩展热导管在工程上的应用潜力，特别是在高温情况下可靠地工作，本发明在一类循环式热导管的基础上，设计了以一种旋流式热导管，克服了热导管在高温环境下使用时面临蒸汽薄膜和液体卷吸的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种能在高温环境下使用的热导管，是一种旋流式热导管，包括一个蒸发器、一个冷凝器、一个排气阀、一个带电控节气阀的蒸汽管、一个带电控节流阀的主回流管、一个能产生旋流的内回流管。本发明创新点在于，通过一个能产生旋流的内回流管，使得在蒸发器的腔体内的两相流工质产生旋转运动，并与蒸发器的几何形状相配合，以消除蒸汽薄膜；这个内回流管插入到蒸发器的腔体底部，避免了液体卷吸。使得以水做工质的热导管可以在较高温度下高效、安全、可靠地工作。

本发明采用的技术方案：

本发明是一种旋流式热导管，在工作时，蒸发器在最下面，冷凝器在上面，不使用毛细管结构，高度差根据使用场合决定。蒸发器和冷凝器外观上都是圆柱形或者是圆锥台形的金属管。图3是本发明提出的旋流式热导管的工作原理图。蒸发器上端有一个蒸汽出口和一个液体入口；冷凝器下面有一个蒸汽入口和一个液体出口。一个带电控节气阀的蒸汽管将蒸汽出口和液体入口相连，使得蒸汽进入冷凝器。一个带电控节流阀的主回流管一端连接到冷凝器的液体出口，另一端连接到一个能产生旋流的内回流管的一端。内回流管的另一端从蒸发器的液体入口深入到蒸发器内腔底部。液体工质通过主回流管、内回流管从冷凝器进入蒸发器。所有管路外表面裹有绝热材料。节气阀可以控制蒸汽流量，从而控制传热量。冷凝器的上部的排气阀，目的是防止冷凝器中有气体堵塞蒸汽上升。

将内回流管直接插入到蒸发器的低端，意味着直接将液体引导至蒸发器内，避免和大量蒸汽相对运动，产生剪切力，避免了液体卷吸现象的发生，防止蒸发器内烧干现象。

蒸发器内腔形状呈倒圆锥台形或是圆柱形。