一种超临界热波传热元件的制作方法

专利名称：一种超临界热波传热元件的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及传热元件，特别是利用超临界流体，在封闭腔体内部进行 传热的元件。
背景技术：
超临界流钵(SCF)指热力学状态处于"临界点"以上的流体；即在临界温度和 临界压力以上的流体，超临界流体兼有液体和气体的双重特性，密度大、扩散系
数大、粘度小、渗透性好；在临界点附近流体的物理化学性质随温度和压力的 变化极其敏感，在不改变化学组成的条件下，即可通过压力调节流体性质。超 临界流体技术自上世纪70年代开始崭露头角，以其环保、高效等显著优势轻松 超越传统技术，迅速渗透到传统技术，渗透到萃取分离、石油萃取分离、石油 化工、化学工程、材料科学、生物技术化工、化学工程、材料科学、生物技术 与医药、环境工程、纳米技术等诸多领域，并成为这些领域发展的主导之一。 然而，超临界流体的传热性能的研究，仅限于将其作为一种流体进行研究，如 作为一种流体，采用外界的特殊泵提供动力，来实现的流体传热。
1985年10月，Nitsche和Straub在航天飞机内一次实验中意外发现，流 体的主流温度糖壁温改变很快，系统趋于热平衡所用时间远低于原先估计所需 的时间，注意此时的传热过程，导热非常微弱，对流受到抑制，辐射可以忽略， 但热能仍较快地从壁面传给主流，所以这里面蕴涵着一种新的传热机理，此后， 一些实验先后证实了这一奇异的传热现象，该传热现象被称为活塞效应， Z邻poli指出"活塞效应实质上是一种热声效应"，是导热、对流和辐射以外的 第四种传热机理。
将一种工作介质密闭在一个封闭的腔体内部，利用工作介质的气液相变进 行传热的热管技术，利用封闭腔体内部的工作介质气液相变进行导热的原理制 造的热管是目前传热技术中最好的技术方法，然而，热管技术的普及和推广应 用方面还存在根多的技术问题，使得热管技术虽然被发明已经有六十多年，但 还是限于在某个特殊领域进行应用，其关键因素在于
1、热管的制造方法可以分为两大类， 一类为抽真空法,需要真空设备，这样 需要耗费能源以及占用时间,其次为热排法,无法精确的进行工作介质量的控制，
仅限于对工业的热管进行制造。
2、 封口技术对于抽真空法采用冷焊法，能够使用冷焊法进行封口的材料只 有铜,其他金脣不适合于采用此方法，因而限制了热管必须采用高成本的铜作为 壳体材料，因而增加了热管的成本;另外对于热排法，由于釆用销钉打入封口后 外加焊接的技术，工艺上不能保证整体的工作介质的数量，不能保证的质量和性 能，而且,此种方法的主要问题在于只能对大的管件采用此种方法进行生产，小. 的管件根本无法进行生产。
3、 内部的防腐问题所采用的工作介质可能和腔体的材料产生反应，而使 得真空度减少，因而使得热管的性能下降，致使最终无法工作，因而热管的寿 命短，不能适龠于工业化要求。
由于5见有酌热管技术存在此等技术缺陷，障碍了热管技术的发展，使得热 管技术不能被普遍的应用。
利用超临界流体的传热性能，与热管技术的结合，可以利用超临界物质为 工作介质的特性，特别是利用"活塞效应"原理，也可以改善热管技术的不足， 可以形成一种新的传热元件。
发明内容
本实用新攀的目的就是提供一种超临界传热元件，将超临界物质作为一种 工作介质，将其密闭在一个腔体中，腔体的至少一部分为吸热端(部件)，腔体 的至少另一部分为放热端(部件)，传热元件从吸热端吸收热量，当腔体工作介 质处于亚临界和/或超临界状态时，由于超临界工作介质在临界点和/或拟临界点 附近具有较低的热扩散率和较高的热膨胀率，超临界流体在腔体内部主要以热 波的形式将热置从吸热端传递到散热端，实现热能的传递。利用"活塞效应" 原理，超临界工作介质在传热过程中"导热非常微弱，对流受到抑制，辐射可 以忽略"，而是采用导热、对流和辐射以外的第四种传热机理，以热波的形式进 行传热，这样实现了利用超临界流体的性质，结合热管技术的制造、设计、结 构等特性，制造出一种高效、低成本、易于制造和生产的传热元件。本发明同 时提供了对超临界流体进行强化传热的技术方法，采用增加颗粒类物质或增添 多相化相变物质的方法实现对超临界工作介质的强化传热。
本实用新癱另外的目的，发明了此种传热元件的灌装方法以及封闭方式。
该传热元件不同与传统的热管，因为热管是依靠液气相变原理实现的传热， 而在本发明的传热元件，内部的工作介质在正常的工作过程中处于超临界的状 态，超临界状态传热过程中，传热物质始终处于单相的超临界状态，因而不属
于传统的热管传热。
该传热元件不同与利用超临界流体进行的传热，普通的超临界的流体需要 泵为动力来实现传热。
具体发明肉容如下-
一种超临界热波传热元件，至少含有一个可以封闭的腔体，以及至少一种 工作介质，工作介质灌装到可以封闭的腔体后将腔体进行密闭，所灌装的工作
介质液态体积之和不超过所有腔体体积；
腔体的至少一部分为吸热端(部件)，腔体的至少另一部分为放热端(部件)， 在有些传热元件中，还设置有绝热端，即传热元件至少有一个吸热端，吸热端 可以为一个吸热端，也可以是一个吸热部件或设备，也可以是一个吸热区域； 同时，还至少有一个放热端，放热端可以为一个放热端，也可以是一个吸热部 件或设备，也可以是一个吸热区域；同时还可以有一个绝热端，绝热端可以为 一个绝热端，也可以是一个绝热部件或设备，也可以是一个绝热区域。绝热端 不是必须的部分，但是否设置绝热端，需要根据要求需要进行处理。在吸热区 域，可以由腔体的一个吸热端或多个吸热端位于同一个吸热区域，放热以及绝 热区域同样可以由一个或多个不同的放热端、绝热端位于该区域。
传热元件从吸热端吸收热量，当腔体工作介质处于亚临界和/或超临界状态 时，由于超临界工作介质在临界点和/或拟临界点附近具有较低的热扩散率和较 高的热膨胀率，趨临界流体在腔体内部主要以热波的形式将热量从吸热端传递 到散热端，实现热能的传递。
传热过程包括换热、集热、散热、蓄热的热量的传递、交换、收集、储存、 应用、控制、管理的所有过程，在本发明中，传热的概念包括以上所述的所有 的过程。
所灌装的工作介质液态体积之和不超过所有腔体体积；所有的工作介质的 液态体积之和，指所有的工作介质在常压下处于液态时的体积，通常所有的液 体体积为腔体体积的5%-100%,对于不同的工作介质，工作介质的灌入量是不 同的，但通常情况下，其体积可以按照20%进行，对于特殊的情况，也可以按 照不超过腔体体积进行。对于其常压常温下为气体的工作介质，可以在气态下 进行灌装，但是，其灌装的数量，以其灌装的重量进行计算，工作介质的总量， 以其相对的液态时的总体积进行计算，其体积不超过腔体的体积。
超临界热被传热元件，在腔体的吸热部位吸收热量后，由于热扩散的作用， 一个极薄的热雄界层迅速在加热壁面附近形成，因为超临界流体在临界点附近 具有较高的热磨胀率和压缩率，于是热边界层犹如一个活塞，迅速膨胀压縮主流，该过程可泰作是绝热过程，热边界层膨胀的同时产生压力波，它以声速在 主流中传播，并在系统的对面边界处反射，热能正是以压力波作为载体从边界 传给主流，在活塞效应的作用下，主流温度快速均匀上升，从而大大减少了系 统趋于热平衡所霈的时间，同样，活塞效应也存在于冷却过程中，此时主流膨 胀，压縮热边界层，塞效应是一个瞬态现象，在系统趋于热平衡的过程中，活 塞效应逐渐减弱，当系统达到热平衡后，活塞效应便消失，活塞效应传热现象 的实质是，热边界层的膨胀，收縮，产生压力波，热能以压力波为载体，在边 界与主流之间传递，使主流快速均匀升温、或降温，从而极大程度加快了系统 趋向热平衡，活塞效应传热过程不同于导热、对疯和辐射，因此是一种新的传 热机理，活塞效应不仅在临界点附近存在，而且在温度和压力已远离临界点处 ^^然作用明显，它归因于流体，临界点附近具有较低的热扩散率和较高的热膨 胀率，热压縮率，定压比热与定容比热之比可以用来衡量不同参数时的活塞效 应强度，其比值越大，其活塞效应越明显。
任何具备超條界的压力和温度的物质都可以作为工作介质，但是从成本、 使用温度、安全性等因素来对工作介质进行选择，通常下可以选用下列一种或 其混合物氦、氢、氮、氨、氧、氟利昂(卤代烃)、碳氢化合物(烃类)、甲 醇、二氧化碳、二氧化氮、戊烷、己垸、庚烷、丁烷、乙垸、辛烷、环戊烷、 环己烷、十氢化萘、四氯化碳、对二甲苯、甲苯、间二甲苯、乙苯、苯乙烯、 邻二甲苯、二硫化碳、a —蒎烯、四氢化萘、碳酸二乙酯、丁酸、二丁醚、丙
酸、三氯乙烯、二丙醚、二异丙醚、丁酸丁酯、丁酸丁酯、乙醚、丁酸丙酯、 丙酸丁酯、乙酸戊酯、氯仿、乙酸异戊酯、甲酸异戊酯、乙酸丁酯、丁酸乙酯、 丙酸丙酯、氯苯、甲酸戊酯、丙酸乙酯、丁酸甲酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、乙 酸、乙酸乙酯、乙酸甲酯、四氢呋喃、2-辛醇、甲酸甲酯、甲酸甲酯、2-甲基吡 啶、l-辛醇、二氯乙烷、l-庚醇、甲基环己酮、3-戊醇、乳酸乙酯、甲基环己醇、 吡啶、吡啶、苯甲醇、l-己醇、2-戊醇、l-戊醇、环已酮、2-丁醇、环己醇、1-丁醇、糠醇、丁酮、丙醇、丙酮、乙醇、硝基乙垸、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、
硝基苯、硝基甲烷、喹啉、甜菜碱、乙二醇、甘油、糠醛、甲酸、水、甲酰胺、 二甲基甲酰胺、萘、导热油、联苯、导热姆、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、 全氟碳化物、六氟化硫。
优选的超賴界传热介质为氦、氢、氮、氨，氟利昂、碳氢化合物、甲醇、 二氧化碳、二氧化氮、水、CFC、 HCFC、 HFC、 CFCs、 HFCFs、 HFCs。
优选温室汽体为超临界的传热介质为二氧化碳，甲垸，氧化亚氮，氢氟 碳化物，全氟驟他物，六氟化硫。
温室气体可以作为一种超临界传热介质，如最常使用的二氧化碳为工作介 质进行使用。
其工作介质可以是一种，也可以是两种或多中的混合物。
为强化传热能力，还在工作介质内加入强化传热物质，强化传热物质为至 少下列一类物质-.
A、 颗粒类物质，工作介质与颗粒类物质的重量比为1: 0.001-5000;
B、 相变类物质，工作介质与相变类物质的重量比为1: 0.001-8000。 所述的颗糠物质可以为金属颗粒物和/或非金属颗粒，金属颗粒物可以为金
属，例如为铜、铁、铝、锌、钢、金、银、锡颗粒中的一种或多种，其中以铜、
铝的传热系统较高所以其强化传热效果较好；金属颗粒物质还可以为佥属氧化
物，例如为四氣化三锰、氧化钴、氧化钽、四氧化三铁、三氧化锆、氧化钇、
氧化铍、氧化镰、氧化镝、氧化硼、氧化硅、氧化铝颗粒中的一种或多种；金
属颗粒物还可以为盐类颗粒，例如硼酸钩镉、钛酸钾、碳化硼、铬酸锶、偏铝 酸锂、重铬酸盐(重铬酸钾、重铬酸钠)中的一种或多种。
非金属颗粒物可以为塑料颗粒、玻璃颗粒、陶瓷颗粒、沙石颗粒；其中沙
石颗粒可选用SiCb或绿柱石。
所述的辅助相变物质可以为固固相变物质或固液相变物质、液气相变物质 或其中两种或两种以上的混合物。
所述的液气相变物质可以为钠、萘、钾、铯、导热油、水、汞、联苯、导
热姆、丙酮、氣、甲醇、乙醇、乙烷、氮、CFC、 HCFC、 HFC、 CFCs、 HFCFs、 HFCs、氨、碳氣化合物、二氧化碳中的一种或多种，但具体选用时不能与所用 的基础传热物质相同。
所述的固豳相变物质可以为多元醇、PE (季戊四醇)、PG (2， 2—二羟甲 基丙醇)、NPG (新戊二醇)、TMP (三甲基丙垸)、TAM 、无机盐、层状.钩钛 矿、硫氰化铵(NH4SCN)、高分子聚合物、高分子交联树脂、接枝共聚物、聚 乙烯中的一种或一种以上的物质。
所述的固壤相变物质可以为无机水合盐、石蜡、脂肪酸、碱金属及碱土金 属的卤化物、裔温融化盐、混合盐、金属、合金、高级脂肪烃、醇、多烃基化
合物中的一种或一种以上的物质。
所述的无机水合盐可以为硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐、醋酸盐中的一种或多种。
所述的高温融化盐可以为氟化盐、氯化物、硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐中的 一种或多禾中。
所述的多燈基化合物可以为多元醇、季戊四醇、新戊二醇中的一种或多种。 对于颗粒物质来说，在超临界流体中的加入量，综合各因素考虑，工作介
质与颗粒类物质的重量比为1: 0.001 5000。
辅助相变物质在超临界流体中的加入量，工作介质与相变类物质的重量比
为1: 0.001~8000。
可以封闭的腔体是承载内部的工作介质进行工作的载体，需要根据传热性 能、强度、防腐性能、成本等因素选择合适的空腔形状，只要符合上述要求， 可以采用^壬何形状的腔体，最为普通的腔体为金属或非金属的管，从最基本的 一个直管到复杂的由多个分支的管件，只要其没有构成一个闭环的回路，将其 称为树；其次对于其形状构成至少一个闭环回路的系统，其腔体是可以沟通成 为一个闭环的回路的结构，称为环；对于由多个相互交叉形状的腔体，称为网 络；其中树、环、网络的概念和拓扑学中的树、环、网络概念基本一致，因而 可以封闭的腔体的至少为下列一种腔体
A、 至少含有一个树；
B、 至少含有一个环；
C、 至少含有一个网络。
可以封闭的腔体的材质只要符合设计的要求，在原则上是没有限制的，通常 的可以采用下列一种
A、 金属物；
B、 一^金累物；
C、 金属与非金属的复合物。
可以封闭腔体，可以是圆形、方形、椭圆型、三角形、四边形等任意形状, 对于圆形采用盡径来衡量，对于旋转体可以用高度衡量，对于特殊的物体，采 用在空腔中的荣小长度作为空腔的高来度量，可以封闭的腔体的直径或高为 0.01纳米 100米，对于气态或超临界态，适合于微尺度的腔体，如微通道结构 的腔体，以及采用光刻技术成型的微通道技术，其高可以小至0.01纳米，而对 于大型的物体，其高可以到100米，此时应用于大型的发电设备、化工设备、
电力设备、冶金设备中。
在腔体的内表面和/或外表面还设置有至少下列一种物质 A、防腐材料；
B、增加导热性能的材料。该材料为一种表面层，被加工在内和或外表面， 以增强传热能力。
由于超临界物质一般具有腐蚀性，如果不对内表面进行处理，应该对腔体 的材料的厚度进行效核，除了需要考虑强度外，还需要考虑腐蚀对于厚度的影 响，从而增加腔体的厚度，但是通常情况下，还是采用防腐的办法，采用对材 料进行防腐处理，对于碳钢类材料，可以采用镀锌或镀铝实现防腐，对于采用 镀锌或镀铝优选在其中添加入稀土材料进行防腐。除内表面进行防腐处理外， 一般根据换热的环境，还将对外表面进行防腐处理。
由于超临界工作介质达到超临界状态时通常具有较高的压力，因而选择的 可以封闭的腔体壳体强度应至少超过临界压力的强度。为了安全还应设置一定 的安全余量，这种关于强度的计算，可以根据材料力学的理论进行设计以及校 核。
为了增加换热能力，在传热元件的外表和/或腔体内表面设置有翅片。通常 可以在传热元件的吸热端和/或放热端的内表面和/或外表面上，加工上翅片用于 增加换热面积，从而增强换热能力。
本实用新型所提供的超临界传热元件， 一方面可以实现低成本高效能的传 热，与传统热管相比，降低了生产成本，不需要抽真空设备，不需要密闭腔体， 即使有微泄露，传热元件仍可进行传热。同时采用多种的强化传热的技术方法， 增强了传热元件的传热能力。同时采用多种的腔体结构，可以满足不同的行业 和环境的使用，大大的增加了传热元件的使用范围，可以利用此技术，实现广 泛的热能的传导。
超临界工作介质中最常使用的就是二氧化碳，而二氧化碳正式一种最为主 要的温室气体，由于在自然界中含量增加，使得地球出现温度增加，为地球带 来了危害，全球都在寻求处理二氧化碳的技术方法，但是将其进行变费为宝的 利用的技术方法就是釆用本发明的方法。
本使用新魁利用超临界流体的特性，可以将二氧化碳等温室气体进行封装， 既实现了有效的利用，将二氧化碳等温温室气体进行有效的利用，可以完美的 解决温室气体的利用问题，为有效的解决温室气体问题，提出了具备商业开发 价值的技术方法。


图l:基本树形传热元件;
图2:计算机散热器用传热元件； 图3:太阳能用传热元件；
图4:树形结构传热元件(建筑供暖用传热元件)；
图5:环形结构传热元件(工业换热器用传热元件)；
图6:网络结构传热元件(电子散热用微通道平板传热元件)。
其中
1:传热元^^吸热端(部件)，2:传热元件放热端(部件)，
3:传热元件绝热端(部件)，4:传热介质，
5:灌状管和/或灌状阀门，6:树形腔体结构，
7:环形腔体结构， 8:网络腔体结构，
9:防腐材料， 10:导热材料。
具体实施方式
基本超临界热波传热元件
请参照图1， 一个直径为38MM的碳钢管，长度为1M，将管的上下两端密 闭构成为一个腔体，在腔体的表面，釆用镀稀土铝进行防腐，并在管件的外表 面，加工上进行镀铝，其厚度比内部的稀土铝后，主要用于防腐和导热，铝比 碳钢具有更高的导热性能；在腔体的内部，在管的一个封口面上，加工上一个 单向阀，采用单向阀将气体的二氧化碳气体充入到腔体内部，其充入的重量为 300克，这样枸成基本的超临界导热元件。
计算机散热器用超临界热波传热元件
请参照图2，采用直径为32MM，高度为58MM的铜金属管，首先在其腔 体灌装水10克，然后再充入R134a超临界工作介质30克，其吸热端与计算机 CPU相连接，只有铜管的地面，其放热端为整个的铜管的侧面，这是一个吸热 端是一个i也面，而放热端为一个柱体的应用示例。
太阳能用超临界热波传热元件-
请参照图3，釆用直径为18MM，长度为1800MM的无缝铁管，釆用镀稀 土锌进行防腐，内部灌装有二氧化碳30克，氨10克，加入的相变类强化传热 介质为甲醇30克，汽化温度为64.7°C;乙醇40克，汽化温度为78.3 °C;加入的颗粒类物质为0. OOlmm的铜100克、颗粒度为0. Olmm的氧化铜30 克，其吸热端为1600MM，放热端长200MM，此实施例中，吸热端的长度大于放 热端的长度。
树形结构传热元件
请参照图4,传热元件是用于建筑供暖，其吸热端为一个吸热设备，在该 案例中为一个换热器，该换热器与锅炉进行换热，该传热元件为一个树形结构， 在腔体中，没有构成闭环回路的结构，在放热端，由六个散热器组成，六个散 热器将热能散热，其散热端由六个散热部件构成，该传热元件的吸热端与放热 端都是由部件或设备构成。该传热元件由一个吸热区域，两个放热区域， 一个 绝热区域构成。采用的超临界的工作介质，基础传热介质二氧化碳，5000克， 辅助相变物质为2， 2—二羟甲基丙醇(PG): 10000克，相变温度81.76°C， 转变烚172.458 J/G;工作温度区间30—130'C,工作压力区间8—15MPa。
环形结构传热元件
请参照图5，本传热元件用于工业换热器件，该传热元件由一个吸热区域、
一个绝热区域、 一个放热区域构成，传热元件为一个的结构为一个闭环的回路， 其不同的部分处于传热区域和放热区域，总体构成为一个传热元件。础超临界
传热介质为水，5000克，加入的强化传热物质为纯聚乙二醇(PEG) : 10000克， 相变温度3281C，相变焓185J/G;高密度聚乙烯(HDPE): 500克，相变温度 133°C，相变焓212J/G，传热元件的工作温度374-600'C，工作压力22-50 MPa。 网络结构传热元件
请参照图6，本传热元件为一个网络型的微通道传热板，是在一个铜板上 面加工上的微通道，每个直径为30纳米，其通道的形状如图所示，其传热端， 吸热端以及绝热端分为三个部分构成，其传热工作介质为超临界流体C02为10 克，NH3为30克，加入的形变类物质为CaCl2'6H20， 10克，相变温度58 °C，潜热值250KJ/KG; Na2SO3'10H2O (加入适量氧化纳)，120克，相变温 度17-27°C，潜热值246 KJ/KG;传热元件的工作温度，-10-180°C。工作压 力7.29-25MPa。可用于特殊领域的散热使用。
权利要求1、一种超临界热波传热元件，其特征是至少含有一个可以封闭的腔体，以及至少一种工作介质(4)，工作介质为至少一种超临界流体，工作介质灌装到可以封闭的腔体后将腔体进行密闭，所灌装的工作介质液态体积之和不超过所有腔体体积，腔体的至少一部分为吸热端(1)，腔体的至少另一部分为放热端(2)。
2、 根据权利要求1所述的一种超临界热波传热元件，其特征是可以封闭的 腔体的至少为下列一种腔体A、 至少含有一个树(6);B、 至少含有一个环(7);C、 至少含有一个网络(8)。
3、 根据权利要求1所述的一种超临界热波传热元件，其特征是可以封闭的 腔体的直径或高为0.01纳米 100米。
4、 根据权利要求1所述的一种超临界热波传热元件，其特征是在腔体的内表面和/或外表面设置有防腐材料(9)。
5、 根据权利要求1所述的一种超临界热波传热元件，其特征是在腔体的内 表面和/或外表面设置有增加导热性能的材料(10)。
6、 根据权利要求4或5所述的任意一种超临界热波传热元件，其特征是-腔体的内表面设置有防腐层。
7、 根据权利要求1所述的一种超临界热波传热元件，其特征是在传热元件的外表和/或腔体内表面设置有翅片。
专利摘要本实用新型提供了一种超临界热波传热元件，至少含有一个可以封闭的腔体，以及至少一种工作介质，工作介质灌装到可以封闭的腔体后将腔体进行密闭，所灌装的工作介质液态体积之和不超过所有腔体体积；腔体的至少一部分为吸热端，腔体的至少另一部分为放热端，传热元件从吸热端吸收热量，当腔体工作介质处于亚临界和/或超临界状态时，由于超临界工作介质在临界点和/或拟临界点附近具有较低的热扩散率和较高的热膨胀率，超临界流体在腔体内部主要以热波的形式将热量从吸热端传递到放热端，实现热能的传递。
文档编号F28D15/00GK201187963SQ20072007904
公开日2009年1月28日 申请日期2007年4月9日 优先权日2007年4月9日
发明者李建民 申请人:李建民