本發(fā)明屬于高效換熱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種將中間高熱流密度區(qū)熱量向兩側(cè)或周向方向分散傳輸?shù)男滦碗p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(huán)高效熱管。

背景技術(shù)：

熱管是一種具有快速均溫特性的特殊換熱器件，其具有質(zhì)輕、高導(dǎo)熱性以及快速均溫的特性，廣泛運用于航天領(lǐng)域，各式熱交換器、冷卻器、電子產(chǎn)品散熱等領(lǐng)域，是現(xiàn)今最普遍高效的導(dǎo)熱(非散熱)元件。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，熱管結(jié)構(gòu)由單支演變?yōu)槎喔鶡峁芙M合成換熱器，由一體熱管演變?yōu)榉蛛x式熱管、毛細泵回路熱管和脈動熱管。但無論熱管換熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(qū)、一個冷凝散熱區(qū)以及之間的流體傳輸區(qū)組成。對于一些需要快速導(dǎo)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，由于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(qū)，同時要求內(nèi)部空腔保持低溫；甚至是太陽能高倍聚焦后熱點高溫快速導(dǎo)離等場合，其高熱流密度點在中間，而熱量需要向兩側(cè)或雙向沿壁面迅速導(dǎo)離。在此場合下，經(jīng)典熱管一端為沸騰高溫區(qū)，另一端為散熱區(qū)的結(jié)構(gòu)已不能滿足應(yīng)用需求；需要設(shè)計中間為沸騰高溫區(qū)，使得高熱流密度迅速沿兩個方向甚至是四周快速導(dǎo)離，以達到中間熱點保護的目的。另一方面，根據(jù)熱管內(nèi)物理相變傳熱過程，沸騰高熱區(qū)負責(zé)吸收環(huán)境熱量，使工質(zhì)發(fā)生沸騰相變；氣相工質(zhì)經(jīng)過流體傳輸區(qū)達到冷凝散熱區(qū)發(fā)生冷凝相變，釋放熱量；冷凝的液體再通過傳輸區(qū)返回至沸騰高熱區(qū)，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(shù)主要為設(shè)計熱管強化微結(jié)構(gòu)并耦合選用具有大表面張力的相變工質(zhì)，使沸騰蒸汽和冷凝液體在管內(nèi)快速循環(huán)，甚至提高工質(zhì)傳輸距離。管內(nèi)微結(jié)構(gòu)的強化思路主要有三種：利用管內(nèi)添加插入式吸液芯；在熱管內(nèi)壁面燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)；壁面加工溝槽。溝槽管的成本一般比燒結(jié)管低，主要缺點是其指向性強，在直線傳導(dǎo)時性能和燒結(jié)管相當(dāng)。但一旦管道彎曲，槽內(nèi)流體不能很好的限制在溝槽內(nèi)使得換熱性能明顯下降；例如，當(dāng)溝槽管彎曲90度，導(dǎo)熱性能幾乎只能達到原來性能的1/2；當(dāng)散熱器彎曲角度大到180度，傳熱效果極速衰減。燒結(jié)管由于利用毛細結(jié)構(gòu)吸液傳輸，壁面彎曲度對傳熱性能影響不大；因此燒結(jié)管適宜設(shè)計成各種彎曲形狀。同時需要指出的是，熱管內(nèi)氣液兩相的循環(huán)傳輸過程，是兩相流體的一種持續(xù)相向運動，氣液界面的相對滑移是循環(huán)中一常態(tài)過程。如何利用燒結(jié)或者機加工微結(jié)構(gòu)控制氣液界面，分流氣液雙向運動，做到固定航道、有序調(diào)控，耦合微結(jié)構(gòu)加快液相回流速度，才能從根本上提高兩相的循環(huán)效率。

近年來微結(jié)構(gòu)調(diào)控兩相流流型以及流動狀態(tài)、利用多孔結(jié)構(gòu)強化沸騰傳熱的研究越來越深入；多孔結(jié)構(gòu)不僅可以有效提高沸騰汽化核心數(shù)目，同時也可以利用結(jié)構(gòu)尺度差在界面能作用下有效控制氣液的分區(qū)。本申請的發(fā)明人在對多孔結(jié)構(gòu)調(diào)控兩相流、強化沸騰傳熱的研究基礎(chǔ)上；提出利用燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)耦合巧妙結(jié)構(gòu)設(shè)計，強化吸熱區(qū)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(shè)計適用于中間高熱密度急于向兩側(cè)甚至四周散熱場合的新型雙向傳熱自循環(huán)高效熱管。本發(fā)明是從相變傳熱的物理機理出發(fā)，基于氣液兩相流流型調(diào)控的思想以及實際應(yīng)用中高熱點在中心的重大需求，設(shè)計適合雙向甚至周向散熱的高效熱管，用于解決對高熱區(qū)有效熱防護問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種非單向中間熱點保護的自循環(huán)高效熱管，利用多孔微結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)強化相變傳熱及氣液的自循環(huán)；雙向甚至周向的導(dǎo)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(qū)場合，通過將沸騰區(qū)的氣相沿雙向或周向溝槽通道快速遠傳至終端冷凝區(qū)，從而實現(xiàn)將中間區(qū)域高熱量快速導(dǎo)離，對中間高熱區(qū)進行熱防護的目的。

一種非單向中間熱點保護的自循環(huán)高效熱管，其特征在于，包括位于中間的吸熱沸騰區(qū)，位于吸熱沸騰區(qū)周向位置的氣液傳輸區(qū)，以及位于所述氣液傳輸區(qū)遠端的放熱冷凝區(qū)，所述吸熱沸騰區(qū)設(shè)置多孔結(jié)構(gòu)。

進一步，所述氣液傳輸區(qū)位于吸熱沸騰區(qū)的雙向位置。

進一步，所述吸熱沸騰區(qū)和氣液傳輸區(qū)的形狀為平板、圓管或不規(guī)則形狀。

進一步，所述氣液傳輸區(qū)間隔設(shè)置微結(jié)構(gòu)吸液芯的多孔通道和介于多孔通道之間的氣體溝槽通道。

進一步，所述微結(jié)構(gòu)吸液芯的多孔通道為陶瓷微管堆砌而成，用于將放熱冷凝區(qū)冷凝的液體快速導(dǎo)回吸熱沸騰區(qū)。

進一步，所述多孔通道是燒結(jié)的多孔填料結(jié)構(gòu)或泡沫金屬的多孔結(jié)構(gòu)，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(cè)壁面設(shè)置氣體遮擋板。

進一步，所述自循環(huán)高效熱管內(nèi)部灌裝的工質(zhì)為水或有機物質(zhì)。

進一步，所述放熱冷凝區(qū)的熱管壁面設(shè)置冷卻翅片。

具體來說，所述自循環(huán)高效熱管的中間為吸熱沸騰區(qū)1，雙向甚至周向?qū)嶙匝h(huán)高效熱管；所述熱管內(nèi)部采用多孔結(jié)構(gòu)4強化沸騰吸熱區(qū)1的相變換熱；并耦合多孔吸液功能，適當(dāng)設(shè)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(nèi)部高效氣液回流；從而實現(xiàn)對中間高熱流密度區(qū)的熱保護功能。

本發(fā)明中雙向甚至周向的導(dǎo)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(qū)類似場合，通過將沸騰區(qū)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(qū)，從而實現(xiàn)將高熱區(qū)的熱量快速導(dǎo)離，對高熱區(qū)進行熱防護的目的。此中間吸熱沸騰區(qū)1以及氣液傳輸區(qū)2可根據(jù)應(yīng)用場合如飛行器頭部的形狀進行尺寸和彎曲的設(shè)計；其形狀不局限于平板、圓管以及其他不規(guī)則形狀。原則是中心熱量的分散便于熱量的回收利用。

利用微結(jié)構(gòu)同時強化沸騰及冷凝。在中間部位的吸熱沸騰區(qū)，利用多孔結(jié)構(gòu)降低沸騰氣泡的脫離直徑，增大沸騰相變換熱面積；同時設(shè)計多孔結(jié)構(gòu)吸液芯延伸到冷凝散熱區(qū)，加速冷凝液的脫離，提高冷凝區(qū)表面的更新速率，引導(dǎo)冷凝液的快速補充，從而強化沸騰傳熱性能，利用多孔微結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)強化相變傳熱。所述氣體溝槽通道用于將吸熱沸騰區(qū)的氣體沿氣體溝槽通道快速傳至放熱冷凝區(qū)。利用多孔微結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)強化氣液自循環(huán)，利用多孔結(jié)構(gòu)的間隔排布設(shè)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(qū)的氣相沿雙向或周向溝槽通道快速遠傳至終端冷凝區(qū)，同時多孔吸液芯通道將冷凝的液體快速導(dǎo)回沸騰區(qū)，從而加速了氣液自循環(huán)。所述雙向或周向氣體溝槽通道6分布在高熱密度區(qū)兩側(cè)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(jié)構(gòu)構(gòu)成的毫米級導(dǎo)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(dǎo)液芯壁面添加氣相遮擋板9；或液相導(dǎo)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(huán)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(huán)區(qū)，長方形熱管的兩端方形區(qū)或其他形狀的段側(cè)形狀。其內(nèi)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(qū)，占據(jù)少量換熱面積。同時，延伸到冷凝散熱區(qū)的吸液芯有利于冷凝液的快速回流，加速冷凝液的脫離，提高冷凝區(qū)的冷凝效率。同時，熱管冷凝區(qū)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(cè)的換熱性能，與管內(nèi)強化同時耦合作用。

所述熱管中間部位的吸熱沸騰區(qū)1，利于多孔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)引導(dǎo)冷凝液的快速補充，從而強化沸騰傳熱性能。

所述熱管內(nèi)部灌裝工質(zhì)可為水、有機工質(zhì)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(zhì)。所述熱管內(nèi)的多孔結(jié)構(gòu)可以是燒結(jié)多孔填料結(jié)構(gòu)、泡沫金屬等一般通用的多孔結(jié)構(gòu)。

因此本發(fā)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(shè)計大大提高了熱管的導(dǎo)熱效率。同時其吸熱點在實際應(yīng)用中需要熱保護的高熱區(qū)；導(dǎo)熱方向為非單一性，管內(nèi)流體流動方向不受重力影響。蒸發(fā)氣體在管內(nèi)氣相壓力的推動力作用下從沸騰段傳輸?shù)嚼淠?，而冷凝液則通過為微細結(jié)構(gòu)的毛細芯作用快速吸回沸騰端。

本發(fā)明的效果和有益效果是：(1)本發(fā)明提出雙向或周向自循環(huán)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。是基于實際高溫?zé)岜Ｗo的實際應(yīng)用提出的，具有重大的實際應(yīng)用價值。(2)本發(fā)明從熱管三個主要過程入手，各自采取了相應(yīng)的強化傳熱手段；沸騰吸熱表面利用多孔結(jié)構(gòu)強化氣泡脫離，加快液相補充；冷凝放熱端利用管內(nèi)少量分布的吸液芯快速導(dǎo)離冷凝液，加快冷凝面的更新頻率；氣液傳輸區(qū)域利用分區(qū)結(jié)構(gòu)調(diào)控氣液兩相分別流動；提出一種新型高效熱管的設(shè)計理念，建立了一種高效熱點保護型熱管的設(shè)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(huán)高效熱管結(jié)構(gòu)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(huán)高效熱管結(jié)構(gòu)圖。

圖3是不帶冷卻翅片的彎曲兩向傳熱自循環(huán)高效熱管結(jié)構(gòu)圖。

圖4是無冷卻翅片的探測觸頭熱保護套狀熱管。

圖中標(biāo)號：1吸熱沸騰區(qū)；2氣液傳輸區(qū)；3放熱冷凝區(qū)；4多孔結(jié)構(gòu)；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(jié)合附圖對本發(fā)明進行說明，但不以任何方式限制本發(fā)明。

圖1是帶冷卻翅片的板式雙向傳熱自循環(huán)高效熱管結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)主要由吸熱沸騰區(qū)1、氣液傳輸區(qū)2以及帶冷卻翅片7的放熱冷凝區(qū)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(qū)1與高熱表面接觸良好，在多孔結(jié)構(gòu)4的強化作用下高熱表面的熱量通過工質(zhì)的沸騰相變很快傳遞到熱管內(nèi)的工質(zhì)；并使得工質(zhì)在沸騰區(qū)1內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槠w狀態(tài)。伴隨著高熱表面與沸騰區(qū)1之間熱量的傳遞，液相轉(zhuǎn)變的汽相在后續(xù)生成的汽相的推動力下沿溝槽通道6抵達放熱冷凝區(qū)3。熱管外壁冷卻翅片7能夠加快放熱冷凝區(qū)3的相變換熱，使得到達冷凝區(qū)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(nèi)并被非能動的運輸回高熱沸騰區(qū)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(huán)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(jié)而成的多孔通道。

圖2是帶冷卻翅片的周向傳熱自循環(huán)高效熱管結(jié)構(gòu)圖。如圖所示，中間吸熱沸騰區(qū)1為圓形區(qū)，此結(jié)構(gòu)適用于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(qū)3，設(shè)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(qū)3。耦合熱管冷凝區(qū)外壁的翅片強化傳熱，氣相在冷凝區(qū)3處冷凝為液相；并在吸液芯多孔通道的導(dǎo)引作用下，快速返回吸熱沸騰區(qū)，進入下一個循環(huán)。

圖3為不帶冷卻翅片的彎曲兩向傳熱自循環(huán)高效熱管結(jié)構(gòu)圖。此結(jié)構(gòu)設(shè)計為彎曲板式熱管。應(yīng)用背景主要為飛機頭部、機翼尾翼的前緣高溫區(qū)的熱保護應(yīng)用設(shè)計而成。將吸熱沸騰區(qū)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(dǎo)給吸熱沸騰區(qū)1內(nèi)的工質(zhì)。在多孔結(jié)構(gòu)4的強化作用下，液相快速轉(zhuǎn)變?yōu)槠嗖⑼ㄟ^溝槽通道6進入冷凝區(qū)3。冷凝區(qū)3表面通過與環(huán)境換熱或者其他熱能回收利用方式，汽相冷凝為液相，并通過吸液芯多孔通道5非能動傳輸回沸騰區(qū)1。此結(jié)構(gòu)中由于熱管存在彎曲，為避免沸騰產(chǎn)生的氣相在通道彎曲處沖擊進入多孔通道5內(nèi)與回流的液相發(fā)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(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)用于高溫探頭進入高溫場，而內(nèi)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(shè)備頂端，與端點接觸的熱管頂端為具有多孔結(jié)構(gòu)4的吸熱沸騰區(qū)1。經(jīng)過導(dǎo)熱換熱過程，高溫區(qū)熱量轉(zhuǎn)變?yōu)橄嘧儞Q熱的潛能，工質(zhì)在多孔結(jié)構(gòu)強化沸騰的過程中快速轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?，沿管道環(huán)隙方向上的溝槽通道6傳輸?shù)椒艧崂淠齾^(qū)3。此冷凝區(qū)3可根據(jù)需求設(shè)置延伸到什么位置，若所需距離遠可適當(dāng)減小汽相溝槽通道。冷凝換熱后，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(qū)1，從而自循環(huán)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(huán)高效熱管對高聚光倍數(shù)的光電轉(zhuǎn)換板進行快速冷卻。對于5m²大小的集熱器，利用雙曲面聚光，整體聚光倍數(shù)約62倍；使得在30mm*30mm的光電板上溫度達到1000℃。由于光電材料的發(fā)電性能受溫度的影響較大，溫度升高，發(fā)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(huán)高效熱管的吸熱沸騰區(qū)的大小設(shè)計為與光電板大小相同，30mm*30mm，內(nèi)部利用200μm的金屬銅粉燒結(jié)的多孔結(jié)構(gòu)強化沸騰區(qū)1的沸騰傳熱性能。伴隨工質(zhì)水快速轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗖_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并被氣相多孔通道吸回沸騰區(qū)1，再次循環(huán)。經(jīng)測定整個熱管的功率可達到130kw/m2。同時在發(fā)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(yīng)用的可行性。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。