专利名称：无相变传热装置及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传热装置，特别是指一种在容置在密封体空腔中的工作介质处在 适当的工况下，不需经由工作介质的相变来传递热能的一种非相变传热装置，以及其制作 方法。
背景技术：
传热即为传递热能的意思，为无数产业中的重要程序之一，例如化学工业程序、航 天航空产业、以及电业的热管理程序，无论任何工业设施，都需加热、移热、或阶段性加热或 移热的程序。传热可分为三大类，即传导、对流、以及辐射，基本上传热是热能从较高温的一 端向教低温的一端移转的过程，换言之，任何含有温度或压力梯度的系统，不论是在介质内 或介质间，都会产生热传递。热管为一高导热性的被动式传热装置，热管内的两相传热结构，将传热效能从铜 的一百倍提升至几千倍。热管一般包含一密封管，填充有工作流体，作为传热的介质，在工 况下，当将热管的一端加热时，即蒸发器，工作流体经汽化，在热管内产生温度以及压力梯 度，所述的温度以及压力梯度迫使气体延热管流向热管的冷凝端，即为冷凝器，释放出潜 热，进而使工作流体流回蒸发器吸热。热管内工作流体两相(液体以及气体)循环的传热 效能较固态金属好。现今，已有不少众所都知的热管，例如毛细式热管、脉动式热管、以及重力式热管， 虽然已证明上述热管都具有杰出的传热效能，也仍有些缺陷。毛细式热管为热管中的一类，可凭借毛细力将液体以及气体从热管的一边传递的 另一边，所述的热管是以金属管件组成，金属管件内壁布满毛细结构，而毛细结构则填充有 工作流体，根据设计以及应用的不同，当利用毛细结构内部压力来将液体传递到一边的情 况下，毛细结构得仅需将液体传递到另一边。脉动式热管包含有一毛细管，毛细管上有许多回转以及连接端形成的连续动路， 其中，回路以及连接端以交替排列方式设置在蒸发器以及冷凝器处。先将毛细管清空，将部 分填充一液体，经加热后，所述的液体以汽液态块状或气泡状形式分布在毛细管内，所述的 热管需维持在非平衡工况状态下，凭借连续管内经受热所引起的压力脉动，来传递汽液块 或汽液气泡。重力式热管则为相对简单的结构，包含有一内部填充有工作流体的密封管。在运 作的情况下，位于蒸发器端的液体经加热汽化，在密封管内微小的压力差下，所述的气体流 至冷凝器、释放热、并液化，所述的液体则凭借重力流回蒸发器。重力式热管分别设置有气 体流容室以及液体流用的容室，所述的蒸发器需设置在低于冷凝器处，当热管内的气体呈 饱和状态时，热管内的压力相对非常微小，使热管内的温度得以保持一致。到目前为止，热管的传热效能仍有一些限制，粘滞力即为其中一个限制，当热管在 低于建议运作温度下的温度运作时，粘滞力会妨碍热管内气体的流动，而这种情况是在蒸 发器与冷凝器两区域间的压力差过在微小时，才会发生。为提升热管的运作温度，针对不同应用需求，需选择适当的工作流体，而特定地需求应用，限制了工作流体的种类。另一个限制因素为音速限制，音速限制发生在当气流达到音速时，气体以音速的 速度流动，使热管内产生阻塞。而，另一个限制因素为飞散限制，当气体流速过高时，过高的气体流速阻止冷凝返 回蒸发器，进而在冷凝器产生滴液飞散的情况，并使蒸发端干涸。而，另一个限制因素为毛细限制，当热管内的气压大于热管内工作流体所产生的 毛细驱动力和/或重力时，则会发生毛细限制，毛细限制阻碍工作流体流回蒸发器，进而使 热管干涸。再者，另一个限制因素为沸腾限制，在热量到达足以产生核沸腾的情形下发生，使 毛细结构内形成气泡，阻挡工作流体，并进一步使蒸发器干涸，产生巨大热阻。另一个限制因素为长径比限制，长径比限制在热管长度过长，产生高长径比的情 况下发生，在此情况下，有工作流体无法流回蒸发器的倾向，产生热管干涸的现象，此种限 制大部分仅对利用毛细作用传递工作流体的热管有影响。此外，热管内的热传递对于重立场极的敏感，脉动式热管即为受限于此限制的热管之一。本发明的目的是了提供一种无相变传热系统的方法，以及一利用此方法制造的传 热装置，以克服传统传热装置的限制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种在适当的工况下传热的传热装置，此传热 装置包含有一密封体，所述的密封体空腔中填充有工作介质，作以传热用，工作介质依据适 当地工况，在温度以及压力下载入填充空腔中，其中，工作介质载入空腔中时，凭借控制温 度以及压力，将工作介质的温度在适当工况下、适当相位，维持在适当地温度，工作介质因 而在适当地工况下，以适当地相位以及温度传热。传热装置内的热传是取决于系统压力对温度改变的反应，而非取决于系统压力对 相变的反应，也非如传统热管般，取决于传热量对温度改变的反应。凭借提升温度，改变工 作介质的压力，有效抑制相变，并伴随液相扩张以及气相收缩，使工作介质得在无任何相变 的情况下传热。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种无相变传热装置，其特征在于，此传热装置在需要的工况下传热，其包含一密封体，其具备一空腔体；以及所述的密封体空腔中填充结构，至少包含一工作介质，其容置在该空腔体中以传热，工作介质依据需要的工况的温度以及 压力下载入填充空腔中；其中，工作介质载入空腔体中时，凭借控制温度以及压力，将工作介质的温度在所 需工况下、所需相位，维持在所需的温度，工作介质因而在所需的工况下，以所需的相位以 及温度传热。依据其中一个实施例，当工作介质在传热时，工作介质与载入空腔中的工作介质， 在适当的工况下，为相同相位。在适当的工况下，当空腔内容纳有相同密度的工作介质，工作介质可在此种温度以及压力下，载入空腔内。依据另外一个实施例，当工作介质维持在适当的相位，可通过工作介质的热扩张， 凭借工作介质传热，压抑热扩张，使工作介质不至相变，进而达到传热的效果。而依据另一个实施例，所述的密封体可为一密封管或一密封板。但是，在另一个实施例中，载入工作介质的温度以及压力可取决于适当工况的工 作温度，而工作介质的温度也有可能与工作温度相同、或与工作温度相差30%。另，在其中一个实施例中，所述的工作介质在适当工况下，可能具高导热性，所述 的工作介质可为一流体，而所述的流体可为一气体或一液体。本发明的另一方面提供一种制造在适当工况下传热用传热装置的方法，此方法包 括依据适当工况提供一温度以及压力，在所述的温度以及压力下；将工作介质载入填充传热装置的空腔体内；以及密封所述的空腔体；其中，在工作介质载入空腔体中时，控制所述的温度以及压 力，以将工作介质，在适当工况下，维持在适当的温度下。依据其中一个实施例，当工作介质在传热时，工作介质与载入空腔中的工作介质， 在适当的工况下，为相同相位。在适当的工况下，当空腔内容纳有相同密度的工作介质，工 作介质可在此种温度以及压力下，载入空腔内。依据另外一个实施例，当工作介质维持在适当的相位，可通过工作介质的热扩张， 凭借工作介质传热，压抑热扩张，使工作介质不至相变，进而达到传热的效果。但是，在另一个实施例中，载入工作介质的温度以及压力可取决于适当工况的工 作温度，而工作介质的温度也与工作温度相同、或与工作温度相差30%。另，在其中一个实施例中，所述的工作介质在适当工况下，具有高导热性，所述的 工作介质可为一流体，而所述的流体可为一气体或一液体。与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是凭借提升温度，改变工作介质的压 力，有效抑制相变，并伴随液相扩张以及气相收缩，使工作介质得在无任何相变的情况下传 热。
图1为根据本发明其中一个实施例所绘示的传热装置；图2为根据本发明另一个实施例绘示制造图1的传热装置的示意图。附图标记说明100-传热装置；101-空腔体；102-工作介质；104-压力；150-热 源；151-箭头；152-箭头；201-步骤；202-步骤；203-步骤。
具体实施例方式由下述所提供与上述说明相符合的一些具体以及可供选择的实施例，将可更清楚 地明了本发明的新颖性特征，而所属技术领域的人士应可在无提供此特定细节的情况下， 顺利完成此发明的应用。为了不模糊本案发明焦点，有些细节并不会加以详述，为使图文易 于参考，所有图示中的元件将会以相同说明符号标示。图1为根据本发明其中一个实施例所绘示的传热装置100。所述的传热装置100包含有一空腔体101以及一工作介质102，所述的空腔体101为一容纳有工作介质102的 密封的壳体或容器。所述的空腔体101以及所述的工作介质102两者都为导热材质。所述 的传热装置可在工况下适当地运作，凭借工作介质102，将热从空腔体101的一边传递到另 一边。在运作的情况下，对传热装置100的空腔体101的一部分以热源150加热(朝箭头 151所示的方向)，热能凭借工作介质102散布整个传热装置，由于传热装置100以及工作 介质102的其他部分的温度较受热源150加热的那一部分低，热能因此传递到温度较低的 地方。由于空腔体101内的温度上升，工作介质102因此扩张，直至工作介质102的温度达 到工况的温度。因空腔体101为一密封体故其内部压力也相应的上升。当工作介质102的 温度以及压力达到工况的程度，传热装置100所散发的热能则以最佳速度传递。当传热装 置100周围的温度较传热装置低，热能则散至(朝箭头152所示方向)传热装置周围。仍参阅图1，当将传热装置101加热时，传热装置会进行启动程序，其中，当工作介 质102受到自然对流的作用产生相变以及脉动状况简言之热扩张(热的体积变动)程序。 当热流增加时发生次冷沸腾气泡自相变中不断产生。工作介质吸收热量而扩张渐渐充塞在 饱和的气泡的上部空间。在热流更高时，于相变的同时将产生气泡破裂现象。气泡块与液 体块相继出现并发生脉动现象。当气泡的空间进一步缩小时，整体系统由轻波动、脉动、轻 哨鸣到超音波振动。在这些程序中，来自工作介质102的压力104施加在空腔体101，这增 加了空腔体的内部压力。当工作介质102的温度与压力达到平衡状态时，工作介质102达到 最佳工况。在平衡状态下，传热装置100内的工作介质102以实质上在整个空腔体101内 为相同密度充满整个空腔体101。当密封空腔体101内的热扩张被压制时，相变传热大大的 减少且最后完全消失。于是工作介质102被维持与控制在同相且无相变产生，也就是说无 相变。在此阶段下，施加在工作介质102的一部分的新增的热能经由工作介质102的热力 效用的扩张与收缩而传播至另一部分。因为热传播效率高，传热装置100的施热部分及其 它部分维持低热差，典型的为1°C下。换句话说在传热装置中有3个显著不同的传热模式， 即是自然对流传热、相变与脉动传热、以及无相变传热。由自然对流传热转变为相变与脉动 传热是以工作介质102的沸点为标记。由自然对流传热转变为相变与脉动传热是以工作介 质102的实际完全充满状态。要达成传热装置102内的热传播，工作介质102要在所需工 况下的温度与压力下装入空腔体101。工作介质102的对流是由传热装置100的蒸发器与冷凝器的压力差所引起。此对 流有能力维持无相变传热模式。在无相变传热模式下，传热是经由封闭系统中的热输入与 压力变动的互动而实现。一个微小的温度变动将导致系统中的重大压力变动。例如，温度 增加10°C将导致压力增加1至IOObar压力。此对于温度的反应压力也依工作介质102的 种类与传热装置100的几何结构而定。因此，当温度在蒸发器中持续增加与冷凝器中减少 时，巨大的压力差将在传热装置100的两端产生。在蒸发器的压力升高与冷凝器的压力减 少的混合效果使传热得以发生。此工作机制与相变传热模式不同，例如重力热管中工作介 质的流通是依重力或毛细力；且传热是凭借介质的热量与体积的变动的互动而产生。理想中，当空腔体101为密封，工作介质102 —直以相同密度充满了整个空腔体 101。在某情况下，不论如何，依所用的工作介质102，工作介质102以平衡的液态以及饱合 蒸气，在室温或非工作状态存在于密封的空腔体101中。图1中的工作状态是以有效的工作温度或某范围内的工作温度为据。其是基于传热装置100的一目标应用而选的。在此工作状态下传热装置100调整为维持空腔体中 的工作介质102维持无相变状态下提供最佳热传播。例如，当加热中传热装置100调整至 SOO0C (工作介质的温度)下作用，而当温度在低于800°C的下传热装置100将比较下比普 通传统热管较无效能。然而，当工作介质达到800°c或更高，传热装置100的热传输效能比 传统热管可依指数方式提升。依一实施方式，流体选为适用的工作介质。流体可为气体或液体。以图1的例，热源150所发出的热量可在所有的温度下导去传热。依一实施方式，液体如水可用为工作介质102以自传热装置100的一边传热至另 一边。当传热装置100的一边接受到外部的热量，空腔体102中的液体受热而开始扩张。液 体中的分子受热开始传输所受到的热量到连接的温度较低的分子。因此，空腔体101中的 液体逐渐且平均的增加压力。当液体的温度达到工作状态或者工作温度，液体的工作压力 实质上等于将工作介质102装入空腔体101时所用的压力。在此阶段，热量开始从一边传 播至另一边。要注意到所述的液体是控制与维持为液体没有蒸发。空腔体101中的液体密 度通常具有与在室温与压力下的不同密度。依另一实施方式，使用气体介质为传热装置的工作介质102以传冷。其以一与上 述传热类似但相反的方法作用。在传冷中，气体是控制与维持为气体在传冷中不液化。依本发明，热量是在密封体内传播，因此，没有方向或方位的限制。进一步说，传热 装置100的设计简单，不需提供任何使传热装置的设计复杂的毛细结构。再者，传热装置 100的尺寸，因简化的设计而比传统热管较小。其内径可小于1mm。依本发明，任何材料可用于空腔体101与工作介质102。为了安全之故，用于空腔 体101的材料必需够坚固以抑制工作介质在工况与非工况下的温度与压力。进一步说，工 作介质102的选择，需依材料在工况下的导热性为特定的工作温度与压力范围选择。除一 些已知的高导热材料如水银(mercury)与钠(sodium)，其它材料如酒精(ethylalcohol)、 乙醚(ether)、苯(benzene)、丙酮(acetone)、氨(ammonia)、氟利昂(Freon)、氩(argon)、 二氧化碳(carbondioxide)等，也可适用。空腔体适用的材料包含铜、铝、不锈钢、钢、 铁……等等。图2显示，依本发明的一实施例的传热装置100的制造方法。所述的方法包含步 骤201的清洗空腔体101 ；步骤202的安装适用的工作介质102 ；以及步骤203的密封空腔 体101。在步骤201，空腔体101被清洗以移除污染或任何不需要的其它物体。在步骤202， 工作介质102被安装在空腔体101。工作介质102是在一传热装置预计使用的工况的温度 与压力下安装在此工况的扩张或收缩状态。当空腔体101充满了工作介质102，密封空腔体 101以保持工作介质102在内部。依本发明，在无相变传热装置中不需要相变的循环。因此，不需毛细效果且毛细限 制不存在。初始状况的传热动力是依赖温度差而产生的工作介质的对流。依本发明，在要 求的工况下传热系统是使用空腔体101中的温度以及压力差以达成热传播。可以了解到，在非要求工况下或当传热装置101在非使用状态下的工作介质102， 可以2相存在于空腔体101中。然而，依本发明，当传热装置是在工况下时空腔体101中的 介质是以特定作用条件范围内存在为液体或者气体之一，非同时存在。当工作介质102达到特定温度与压力时传热装置100达到最佳效能。例如，使用正常的水为工作介质流体在40-500°C下效能最佳。在无相变热管的哨鸣为上传热量相同的 水在150-1800°C中有好的效能，且需达到约2500°C以达到其最佳下传热量的最佳效能。基于需要的工况选择温度与压力环境将工作介质102安装在空腔体101中。依本 发明的一实施例，依一需要的实施例，选择的温度可为高于需要工况的温度约30%或更高。 例如，假如需要的工况为1500°C，选择的温度可为约2000°C。假设水是选为工作介质，水在 16标准大气压(atm)下加热并在水温达2000°C时密封入空腔体101中。在此阶段水维持 为液态。依本发明，在本发明中没有干涸限制因空腔体为工作介质所充满，也可能为同材 料的饱和蒸气，因此，在传热状态中不会发生相变。再回来参阅图1，将传热装置100调整为两端封闭的长管或长容器。可了解到所显 示的只做为例子，无意做为本发明范围的限制。依另一实施例，可能传热装置100为薄的平 面状(未显示)具有空腔体以容置工作介质102。依另一实施例，工作介质102是基于需要的工况的温度与压力下装入空腔体101， 其中工作介质102的温度与压力是控制在需要的传热工况相位所需的温度。当工作介质 102传热时，工作介质102维持相同的相位与合乎需要工况下装入空腔体101以容置工作介 质102在需要工况下的密度。在作业中，工作介质102的传热是经由压抑工作介质102的 热量扩散且工作介质102维持在相同相位以免工作介质102产生相变。再者，装入工作介 质102的温度与压力是基于需要的工况的温度其中工作介质102所需温度是实质上为工作 温度或实质上与工作温度有30%的差异。工作介质102在需要的工况下具有高导热性。再依另一实施例，工作介质102可以相同的温度与压力比率装入空腔体以便工作 介质102可达到需要的工况所需相位所需的温度。虽然特定实施例已说明与阐述如上，可以了解到对于本发明可做许多变更、修改、 变化以及组合并不会脱离本发明的范围。例如，传热装置可连接导热良好材料的散热片以 改进热量(热或冷)的消散。以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解， 在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落 入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种无相变传热装置(100)，其特征在于，此传热装置(100)在需要的工况下传热， 其包含一密封体，其具备一空腔体(101)；以及所述的密封体空腔中填充结构，至少包含一工作介质(102)，其容置在该空腔体(101)中以传热，工作介质(102)依据需要的工 况的温度以及压力下载入填充空腔中；其中，工作介质(102)载入空腔体(101)中时，凭借控制温度以及压力，将工作介质 (102)的温度在所需工况下、所需相位，维持在所需的温度，工作介质(102)因而在所需的 工况下，以所需的相位以及温度传热。
2.根据权利要求1所述的无相变传热装置(100)，其特征在于当工作介质(102)传热 时，工作介质(102)温度维持在工作介质(102)在所需工况下的所需相位的需要温度。
3.根据权利要求1所述的无相变传热装置(100)，其特征在于工作介质(102)在一温 度与压力下装入空腔，以使工作介质(102)在所需工况下以相同密度容置在空腔体中。
4.根据权利要求1所述的无相变传热装置(100)，其特征在于工作介质(102)的作用 是凭借在同一相位下的工作介质(10 的热扩张
5.根据权利要求1所述的无相变传热装置(100)，其特征在于是通过控制所需工况下 的温度来抑制工作介质(102)的相变。
6.根据权利要求1所述的无相变传热装置(100)，其特征在于是以蒸发器与冷凝器的 压力差所产生的力来驱动工作介质(102)
7.根据权利要求1所述的无相变传热装置(100)，其特征在于该密封体是密封管。
8.根据权利要求1所述的无相变传热装置(100)，其特征在于该密封体是密封平板。
9.根据权利要求1所述的无相变传热装置(100)，其特征在于装入工作介质(102)时 的温度与压力是基于所需工况的工作温度。
10.根据权利要求9所述的无相变传热装置(100)，其特征在于工作介质(102)所需 温度为实质上的工作温度。
11.根据权利要求9所述的无相变传热装置(100)，其特征在于工作介质(102)所需 温度与实质上的工作温度有30%的差异。
12.根据权利要求1所述的无相变传热装置(100)，其特征在于工作介质(10 在所 需工况下具备高导热性。
13.根据权利要求1所述的无相变传热装置(100)，其特征在于工作介质(102)为流体。
14.根据权利要求13所述的无相变传热装置(100)，其特征在于该流体为气体。
15.根据权利要求13所述的无相变传热装置(100)，其特征在于该流体为液体。
16.根据权利要求1所述的无相变传热装置(100)，其特征在于工作介质(10 进行 自然对流热传输模式、相变以及脉动热传输模式、以及无相变热传输模式。
17.根据权利要求16所述的无相变传热装置(100)，其特征在于是以工作介质(102) 的沸点温度来操纵工作介质(102)由自然对流热传输模式转为相变以及脉动热传输模式。
18.根据权利要求16所述的无相变传热装置(100)，其特征在于是以工作介质(102) 充满整个空腔体(101)的状况来操纵工作介质(10 由相变以及脉动热传输模式转为无相变热传输模式。
19.一种无相变传热装置(100)的制造方法，以在所需的工况下传热，其特征在于，包含基于所需工况提供温度以及压力；在所述的温度与压力下将工作介质(10 装入充满传热装置的空腔体(101)；以及 密封空腔体(101)；其中，控制温度与压力以维持工作介质(102)在所需相位的所需温度装入空腔体 (101)。
20.根据权利要求19所述的制造方法，其特征在于当工作介质(102)传热时，工作介 质(102)维持在与工作介质(102)在所需工况下装入空腔体(101)时的相同相位。
21.根据权利要求19所述的制造方法，其特征在于工作介质(102)在一温度与压力 下装入空腔体(101)以使工作介质(102)在所需工况下以相同密度容置在空腔体(101)中。
22.根据权利要求19所述的制造方法，其特征在于凭借工作介质(102)的热扩张操 作，工作介质(102)维持在所需的相位下。
23.根据权利要求19所述的制造方法，其特征在于是以控制所需工况时的温度与压 力来压抑工作介质(102)的相变。
24.根据权利要求19所述的制造方法，其特征在于是以蒸发器与冷凝器的压力差产 生的力量来驱动工作介质(102)。
25.根据权利要求19所述的制造方法，其特征在于装载工作介质(10 时的温度与 压力是基于所需工况时的工作温度。
26.根据权利要求25所述的制造方法，其特征在于工作介质(102)所需温度实质上 与工作温度相同。
27.根据权利要求25所述的制造方法，其特征在于工作介质(102)所需温度实质上 与工作温度有30%差异。
28.根据权利要求19所述的制造方法，其特征在于工作介质(102)在所需工况下具 有高导热性。
29.根据权利要求19所述的制造方法，其特征在于工作介质(102)为流体。
30.根据权利要求四所述的制造方法，其特征在于该流体为气体。
31.根据权利要求四所述的制造方法，其特征在于该流体为液体。
32.根据权利要求19所述的制造方法，其特征在于工作介质(102)进行自然对流传 热模式、相变与脉动传热模式、与无相变传热模式。
33.根据权利要求32所述的制造方法，其特征在于是以工作介质(102)的沸点温度 来操纵工作介质(102)由自然对流热传输模式转为相变以及脉动热传输模式。
34.根据权利要求32所述的制造方法，其特征在于是以工作介质(102)充满整个空 腔体(101)的状况来操纵工作介质(10 由相变以及脉动热传输模式转为无相变热传输模 式。
全文摘要
本发明提供一无相变传热装置及其制作方法，其不经过相变循环传热，也即为无相变传热。据此，提供一在所需工况下工作的传热装置，所述的传热装置具备一密封体其限定一空腔体，以及工作介质其容置在空腔体内，其是以基于所需工况时的温度与压力装入在空腔体。本发明也提供其制造方法。
文档编号F28D15/00GK102042775SQ20101015814
公开日2011年5月4日 申请日期2010年4月27日 优先权日2009年10月16日
发明者李居强 申请人:海鸥能源(马)有限公司