具有单向循环流动特性的三维脉动热管

1.本实用新型涉及传热元件技术领域，具体而言，尤其涉及一种具有单向循环流动特性的三维脉动热管。


背景技术：

2.脉动热管是一种新型、高效，可用于微小空间、高热流密度场所的传热元件。脉动热管一般由多组毛细管组成，一般分为加热段(吸热端)、绝热段以及冷凝段(放热端)三部分。真空下充入的工作流体在表面张力和流动阻力的作用下形成气液段塞间隔状态。由于冷热端温差形成的饱和蒸汽压差推动并维持工质在管内运动。除了通过工质相变进行的热量传递外，工质在吸热端和放热端随机震荡引起的强迫对流极大的提高了脉动热管的传热性能。随着输入热量的增加，工质在管内运动更加剧烈，强迫对流进一步增强，脉动热管的传热能力显著提高。因此，脉动热管被认为是解决高热流密度下热传递的最有效手段之一。
3.相比二维结构的脉动热管，三维结构的脉动热管具有更佳的传热性能和更高的传热极限。此外，单向循环流动的形成可以极大的提升脉动热管的传热性能。而目前多采用的方案是局部添加单向止回阀的形式，减弱工质的脉动作用，进而形成单向流动，但这不仅增加了流动阻力、结构的复杂性，同时还增加了设计成本和密封的难度。因此在不添加额外部件的情况下，通过合理的结构设计和优化，改善工质流动状态，促使工质在三维脉动热管中形成稳定的单向循环流动，大幅提升其传热性能是非常必要的。


技术实现要素：

4.根据上述提出的目前多采用的方案是局部添加单向止回阀的形式，减弱工质的脉动作用，进而形成单向流动，但这不仅增加了流动阻力、结构的复杂性，同时还增加了设计成本和密封的难度的技术问题，而提供一种具有单向循环流动特性的三维脉动热管。本实用新型主要通过采用非对称加热方式促进单向流动的形成，并且通过减小上弯头曲率半径、同时减小两端弯头的曲率半径或增大管径来进一步促进单行循环流动的形成，提升脉动热管的传热性能。
5.本实用新型采用的技术手段如下：
6.一种具有单向循环流动特性的三维脉动热管，为由加热段、绝热段和冷凝段组成的多弯头脉动热管，冷凝段的上弯头和加热段的下弯头采用非对称加热方式，用于促进单向流动的形成；所述脉动热管的结构为第一结构或第二结构；
7.所述第一结构为非对称的冷热源不同侧分布的螺旋结构脉动热管；
8.所述第二结构为非对称的冷热源同侧分布的回旋结构脉动热管。
9.进一步地，所述第一结构和所述第二结构为改变上下弯头曲率半径的脉动热管结构，其中，所述改变上下弯头曲率半径是指：减小上弯头的曲率半径，或增大下弯头的曲率半径，或同时减小上下弯头的曲率半径。
10.进一步地，所述第一结构和所述第二结构为增大管径后的脉动热管结构。
11.进一步地，所述回旋结构脉动热管为在螺旋结构脉动热管的基础上将脉动热管上下两部分按中线旋转180
°
所得，形如“8”字形。
12.进一步地，所述第一结构和所述第二结构为减小上弯头曲率半径的脉动热管结构时，其上弯头曲率半径在原上弯头曲率半径的基础上减小，且减小后的曲率半径不能小于管径的0.5倍。
13.进一步地，所述第一结构和所述第二结构为增大下弯头曲率半径的脉动热管结构时，其下弯头曲率半径在原下弯头曲率半径的基础上增大，且增大后的曲率半径不能大于直管长度与顶部弯头曲率半径之和。
14.进一步地，所述第一结构和所述第二结构为同时减小上下弯头曲率半径的脉动热管结构时，其上下弯头曲率半径在原上下弯头曲率半径的基础上同时减小，且减小后的曲率半径不能小于管径的0.5倍。
15.进一步地，所述第一结构和所述第二结构为增大管径后的脉动热管结构时，其管径在原脉动热管管径的基础上增加，且增加后的管径最大不能超过最小弯头曲率半径的2倍。
16.本实用新型还提供了一种具有单向循环流动特性的三维脉动热管的结构设计方法，为一种促使工质在管内形成稳定单向流动，大幅改善脉动热管传热性能的结构设计方法，包括如下步骤：
17.步骤一、采用非对称加热模式，分别建立第一模型、第二模型和第三模型；所述第一模型为工质分别进行逆时针和顺时针流动中，工质移动微小距离ds时，由重力项带来的压降；所述第二模型为工质分别进行逆时针和顺时针流动中，工质移动微小距离ds时，管壁面剪切力带来的流动压降；所述第三模型为工质分别进行逆时针和顺时针流动中，工质移动微小距离ds时，获得的弯头两相压降；
18.步骤二、将第一模型、第二模型和第三模型组合，获得第四模型和第五模型，所述第四模型为工质顺时针流动微小距离ds时，工质在管内的流动压降，所述第五模型为工质逆时针流动微小距离ds时，工质在管内的流动压降；
19.步骤三、对第五模型与第四模型取差值得到第六模型，所述第六模型为工质逆时针和顺时针流动的流动压降差，即工质在三维脉动热管中沿吸热端向两侧流动时的压降差；
20.步骤四、基于工质在管内分布均匀，稳定工作后忽略重力压降，根据第二模型和第三模型得到第七模型，所述第七模型为工质在管内稳定工作后的流动压降；
21.步骤五、根据第六模型和第七模型分析曲率半径和管径对流动压降的影响，以获得具有单向循环流动特性的三维脉动热管的结构。
22.进一步地，所述步骤一满足：脉动热管内各处截面形状保持恒定；忽略气塞与管壁面的剪切力；气塞和液塞在管内均匀分布，即任意管长中液塞的长度为：其中为充液率，l为任意管长；工质在冷热端流动时，可看成单一液塞的运动；工质在管内的流动压降包含重力压降、剪切力压降和弯头压降：δp＝δpg δps δpb，其中δpg为重力压降；δps为剪切力压降；δpb为弯头压降。
23.进一步地，所述第一模型满足如下公式：
[0024][0025][0026]
式中，δp
g,up
为工质逆时针流动中，工质移动微小距离ds时，由重力项带来的压降；δp
g,down
为工质顺时针流动中，工质移动微小距离ds时，由重力项带来的压降；负号表明沿流动方向压降减小；ρ
l
为液体的密度；g为重力加速度；为充液率。
[0027]
进一步地，所述第二模型满足如下公式：
[0028][0029][0030]
其中，
[0031][0032]
式中，δp
s,up
为工质逆时针流动中，工质移动微小距离ds时，管壁面剪切力带来的流动压降；δp
s,down
为工质顺时针流动中，工质移动微小距离ds时，管壁面剪切力带来的流动压降；l
eff
为脉动热管的有效长度；lc为冷却段的长度；le为加热段的长度；d为管内径；f为摩擦系数；u为液塞的流动速度； a为通道截面积。
[0033]
进一步地，所述第三模型满足如下公式：
[0034][0035][0036]
其中，
[0037][0038][0039]
式中，δp
b,up
为工质逆时针流动中，工质移动微小距离ds时的弯头两相压降；δp
b,down
为工质顺时针流动中，工质移动微小距离ds时的弯头两相压降；为工质的质量流率；x为干度；ρv为气相密度；r为曲率半径；lb为弯头弧长。
[0040]
进一步地，所述第四模型满足如下公式：
[0041][0042]
所述第五模型满足如下公式：
[0043][0044]
式中，δp
up
为工质顺时针流动微小距离ds时，工质在管内的流动压降；δp
down
为工质逆时针流动微小距离ds时，工质在管内的流动压降。
[0045]
进一步地，所述第六模型满足如下公式：
[0046][0047]
式中，δpd为工质逆时针和顺时针流动的流动压降差；
[0048]
其中，脉动热管的冷热端长度一致时，所述第六模型的值恒大于零，则工质沿单一方向流动的可能性越大，所述第六模型的值越大，液塞流动方向越统一，脉动热管的传热性能越好；
[0049]
所述第七模型满足如下公式：
[0050][0051]
式中，δpf为工质在管内稳定工作后的流动压降；
[0052]
其中，所述第七模型的值越小，液塞在脉动热管中流动阻力越小，运动越剧烈，脉动热管的性能越好；
[0053]
通过减小脉动热管上弯头的曲率半径，或增大下弯头的曲率半径，或增大管径，均可提升脉动热管的单向流动性和传热性能。
[0054]
较现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
[0055]
1、本实用新型提供的具有单向循环流动特性的三维脉动热管，其单向流动的形成可以极大的强化脉动热管的传热性能，本实用新型采用的结构形式在不增加额外部件和流动阻力的情况下，利用结构的非对称性，促使单向流动在脉动热管中有效形成，并且流动方向固定。
[0056]
2、本实用新型提供的具有单向循环流动特性的三维脉动热管，促进单向流动可以进一步强化脉动热管的传热性能，实施例中b2脉动热管在100w 输入功率下，热阻已达到0.25℃/w。这种结构设计和优化方案，不仅降低了脉动热管在单向流动结构上的设计制造成本，同时更有利于脉动热管的广泛应用。
[0057]
3、本实用新型提供的具有单向循环流动特性的三维脉动热管，采用非对称加热方式可以促进单向流动的形成，并且减小上弯头曲率半径、同时减小两端弯头的曲率半径或增大管径可以进一步促进单行循环流动的形成，提升脉动热管的传热性能。
[0058]
综上，应用本实用新型的技术方案能够解决目前多采用的方案是局部添加单向止回阀的形式，减弱工质的脉动作用，进而形成单向流动，但这不仅增加了流动阻力、结构的复杂性，同时还增加了设计成本和密封的难度的问题。
[0059]
基于上述理由本实用新型可在传热等领域广泛推广。
附图说明
[0060]
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例
或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0061]
图1为常规形式的三维结构脉动热管示意图，其中(a)为两侧对称的冷热源分布形式，(b)为(a)的侧视图，(c)为同侧冷热源分布形式，(d) 为(c)的侧视图。
[0062]
图2为本实用新型采用非对称冷热源分布的三维结构脉动热管示意图。
[0063]
图3为图2的侧视图。
[0064]
图4为本实用新型管内工质流动理论分析示意图，其中(a)为结构单元， (b)为逆时针流动，(c)为顺时针流动。
[0065]
图5为本实用新型弯头压降差与流动压降理论计算结果，其中(a)为弯头压降差，(b)为流动压降。
[0066]
图6为本实用新型改进结构后的三维脉动热管示意图。
[0067]
图7为图6的侧视图。
[0068]
图8为本实用新型同侧冷热源分布下的三维脉动热管结构改进示意图。
[0069]
图9为图8的侧视图。
[0070]
图10为本实用新型同侧冷热源分布下的三维脉动热管结构的进一步改进示意图。
[0071]
图11为图10的侧视图。
[0072]
图12为本实用新型不工作、脉动、不稳定单向、单向工况下的温度分布图，其中(a)为不工作状态，(b)为脉动状态，(c)为不稳定单向流动状态，(d)为稳定单向流动状态。
[0073]
图13为本实用新型各结构脉动热管性能对比。
具体实施方式
[0074]
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0075]
如图所示，本实用新型提供了一种具有单向循环流动特性的三维脉动热管，为由加热段、绝热段和冷凝段组成的多弯头脉动热管，冷凝段的上弯头和加热段的下弯头采用非对称加热方式，用于促进单向流动的形成；所述脉动热管的结构为第一结构或第二结构；
[0076]
所述第一结构为非对称的冷热源不同侧分布的螺旋结构脉动热管；非对称的冷热源不同侧分布是指在多个冷凝段的上弯头的单侧施加冷源，在多个加热段的下弯头的单侧施加热源，且施加的冷热源位于不同侧；
[0077]
所述第二结构为非对称的冷热源同侧分布的回旋结构脉动热管；非对称的冷热源同侧分布是指在多个冷凝段的上弯头的单侧施加冷源，在多个加热段的下弯头的单侧施加热源，且施加的冷热源位于同侧。
[0078]
作为优选的实施方式，所述第一结构和所述第二结构为改变上下弯头曲率半径的脉动热管结构，其中，所述改变上下弯头曲率半径是指：减小上弯头的曲率半径，或增大下弯头的曲率半径，或同时减小上下弯头的曲率半径。
[0079]
作为优选的实施方式，所述第一结构和所述第二结构为增大管径后的脉动热管结构。
[0080]
作为优选的实施方式，所述回旋结构脉动热管为在螺旋结构脉动热管的基础上将脉动热管上下两部分按中线旋转180
°
所得，形如“8”字形。
[0081]
作为优选的实施方式，所述第一结构和所述第二结构为减小上弯头曲率半径的脉动热管结构时，其上弯头曲率半径在原上弯头曲率半径的基础上减小，且减小后的曲率半径不能小于管径的0.5倍。
[0082]
作为优选的实施方式，所述第一结构和所述第二结构为增大下弯头曲率半径的脉动热管结构时，其下弯头曲率半径在原下弯头曲率半径的基础上增大，且增大后的曲率半径不能大于直管长度与顶部弯头曲率半径之和。
[0083]
作为优选的实施方式，所述第一结构和所述第二结构为同时减小上下弯头曲率半径的脉动热管结构时，其上下弯头曲率半径在原上下弯头曲率半径的基础上同时减小，且减小后的曲率半径均不能小于管径的0.5倍。
[0084]
进一步地，所述第一结构和所述第二结构为增大管径后的脉动热管结构时，其管径在原脉动热管管径的基础上增加，且增加后的管径最大不能超过最小弯头曲率半径的2倍。
[0085]
实施例1
[0086]
常规的三维脉动热管结构形式如图1所示。该种结构的主要特点是上下弯头一致，同侧加热、冷却。图1中(a)和(b)形式的脉动热管，由于冷热源分布具有对称性，工质在管内的流动具有随机性，脉动流动为传热的主要工作形式。图1中(c)和(d)为冷热源同侧分布，相比图1中(a)形成的单向流动的可能性更大，但结构仍然具有可优化的空间。
[0087]
针对如图1所示的三维脉动热管进行结构改进，如图2和图3所示，本实用新型采用非对称加热模式(弯头两侧直管加热功率相同为均匀加热，不同为非均匀或非对称加热)。取其中一个单元为研究对象，如图4所示。并假设：(1)管内各处截面形状保持恒定；(2)忽略气塞与管壁面的剪切力； (3)气塞和液塞在管内均匀分布，即任意管长中液塞的长度为：其中为充液率，l为任意管长；(4)工质在冷热端流动时，可看成单一液塞的运动；(5)工质在管内的流动压降包含重力压降(δpg)、剪切力压降(δps) 和弯头压降(δpb)：
[0088]
δp＝δpg δps δpbꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0089]
如图4中(b)工质逆时针流动，工质移动一微小距离ds由重力项带来的压降为：
[0090][0091]
其中，负号表明沿流动方向压降减小；ρ
l
为液体的密度；g为重力加速度；为充液率。此时管壁面剪切力带来的流动压降为：
[0092][0093]
其中：
[0094][0095]
式中，l
eff
为脉动热管的有效长度；lc为冷却段的长度；d为管内径；f 为摩擦系数；
u为液塞的流动速度；a为通道截面积。弯头两相压降为：
[0096][0097]
其中，为工质的质量流率，并且c和k
sp
分别为：
[0098][0099][0100]
式中，x为干度；ρv为气相密度；r为曲率半径；lb为弯头弧长；c和 k
sp
为系数式。
[0101]
将公式(2)、(3)、(4)和(5)带入公式(1)中得出若逆时针流动 ds的压降：
[0102][0103]
同理，如图4中(c)假设工质顺时针流动微小距离ds，工质在管内的流动压降为：
[0104][0105]
其中，le为加热段的长度；δp
b,down
为工质顺时针流动时的弯头两相压降。
[0106]
因此逆时针和顺时针流动的压降差为：
[0107][0108]
上式为工质在三维脉动热管中沿吸热端向两侧流动时的压降差。并且对于冷热端长度一致时，上式恒大于零。因此工质沿单一方向流动的可能性越大，上式值越大，脉动热管的传热性能越好。
[0109]
考虑工质在管内分布均匀，稳定工作后重力压降可以忽略。工质在管内的流动压降主要包含剪切力压降和弯头压降：
[0110][0111]
上式为工质在管内稳定工作后的流动阻力压降。其值越大，说明工质在管内所受阻力越大，工质流动越受限制，脉动热管的传热性能越差。
[0112]
以上推导过程中式(10)和式(11)分别为流动压降差和流动压降。理论上是式(10)的值越大，液塞流动方向越统一，脉动热管性能越好。理论上式(11)的值越小，液塞在脉动热管中流动阻力越小，运动越剧烈，脉动热管的性能越好。针对式(10)和式(11)计算曲率半径和管径对流动压降的影响，理论分析结果如图5所示。减小上弯头的曲率半径可以增大流动压降差，增大管径可以减小流动压降。两种方式都可以提升脉动热管的单向流动性和传热性能。
[0113]
通过上述分析可见，采用非对称的加热方式，可以提升工质在管内流动方向的一
致性，促进单向流动的形成。为增加工质在管内流动压降的不对称，进一步提升工质在管内流动方向的一致性，促进单向流动的形成，可通过减小上弯头的曲率半径(或增大下弯头的曲率半径)的形式来实现，如图 6和图7所示。当气塞在吸热端吸热膨胀推动两侧液塞流动时，由于下弯头的曲率半径大于上弯头，液塞流经下弯头时产生的压降损失更大，流动阻力大于上弯头。因此，气塞更倾向于推动液塞延直管向上流动，促进单向流动的形成。
[0114]
在实际使用中，加热以及冷却往往都在同一面内，在上述分析的基础上，进一步提出如图8、图9、图10、图11所示的三维结构脉动热管，形式上为同侧加热以及冷却的设计方案。在图8所示方案中，气塞膨胀推动液塞沿吸热端向上流动时，由于回旋结构的存在，液塞流经放热端背侧直管并通过上弯头向同侧的放热端流动，形成单向流动。图10所示方案为在图8所示结构的基础上，增加下弯头的曲率半径，进一步促进单向流动的形成。回旋结构脉动热管为在螺旋结构脉动热管的基础上将脉动热管上下两部分按中线旋转180
°
所得，形如“8”字形。
[0115]
实施例2
[0116]
实施例中采用图6所示结构类型的8弯头脉动热管，以水为工质，充液率为50％进行对比实验。具体实施例参数如表1所示(表1为实施例a、b、 c三种管型脉动热管的详细结构参数)。实施例中采用温度分布法判断单向流动的形成，如图12所示。脉动热管没有达到工作条件时，热端温度会因热量的输入逐渐升高，如图12(a)所示。当冷热端温差达到启动条件后，脉动热管吸热端、放热端和绝热段温度会出现明显波动，如图12(b)所示。脉动热管形成单向流动后，吸热端、放热端和绝热段的温度分布会出现明显分层，如图12(d)所示，即三端的温度会趋向于分成4组。如果输入功率不能维持工质的单向流动，脉动流动和单向流动会交替出现，三端的温度分布如图12(c)所示。因此根据各类型脉动热管在功率区间上的温度分布情况，可对单向流动的情况进行统计，如表2所示(表2为各实施例流动状态统计结果)。对比a可知，单一减小上弯头曲率半径b有利于单向流动在更低的输入功率下出现。另外，通过增大管径c同样有利于单向流动的形成。各实施例热阻如图13所示，结果表明通过上述手段提升单向流动性，可以进一步提升脉动热管的传热性能。
[0117]
表1各实施例的结构参数
[0118][0119]
表2各实施例流动情况统计
[0120][0121]
注：x为不工作；ou为不稳定单向流动；u为稳定单向流动。
[0122]
综上可知，采用非对称加热方式可以促进单向流动的形成，并且减小上弯头曲率半径、同时减小两端弯头的曲率半径或增大管径可以进一步促进单行循环流动的形成，提升脉动热管的传热性能。
[0123]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。