具有单向循环流动特性的三维脉动热管制造技术

本实用新型专利技术提供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。本实用新型专利技术脉动热管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。本实用新型专利技术采用非对称加热方式来促进单向流动的形成，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可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。提升脉动热管的传热性能。提升脉动热管的传热性能。

【技术实现步骤摘要】
具有单向循环流动特性的三维脉动热管


[0001]本技术涉及传热元件
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]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。本技术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。
[0005]本技术采用的技术手段如下：
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]本技术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：
[0017]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；
[0018]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；
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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。
[0022]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＝ΔP
G
+ΔP
S
+ΔP
B
，其中ΔP
G
为重力压降；ΔP
S
为剪切力压降；ΔP
B
为弯头压降。
[0023]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；L
c
为冷却段的长度；L
e
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为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有单向循环流动特性的三维脉动热管，其特征在于，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；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；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。2.根据权利要求1所述的具有单向循环流动特性的三维脉动热管，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的具有单向循环流动特性的三维脉动热管，其特征在于，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。4.根据权利要求1
‑
3任意一项所述的具有单向循环流动特性的三维脉动热管，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪玉龙，褚李林，杨云霄，刘章，庾春荣，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：新型
国别省市：