一种基于热压转换效应的传热方法及传热系统与流程

本发明涉及一种高效传热技术，具体涉及一种基于热压转换效应的在普通热管基础上发展起来的具有封闭循环回路的被动式传热技术。

背景技术：

随着现代高新技术的发展，新能源技术、节能减排、先进制造技术及新兴科学技术的快速发展使传热传质学不断面临着全新的挑战与难关，解决高热流密度散热与高效热传输问题已经突显出其重要性。许多设备单位面积上的热负荷越来越高，如：大型计算机、功率电子器件、电力设备、光电子元件的散热，反应堆传热，航天器、航空发动机和燃气轮机的热防护，大功率微型动力机械、兆瓦级磁控管、微小型燃气轮机的传热等等，而在这些承受高热负荷的场合，又常常要求器件安装紧凑，冷却温度要求严格，这对散热技术和设备提出很高的要求，散热问题也成为制约此类行业发展的瓶颈。

现有技术中，有一些较先进的主动式传热技术，包括喷雾冷却、冲击射流冷却、微通道流动相变冷却技术等。由于主动式冷却技术皆需要配置外加驱动装置，在系统复杂度、可靠性、运行成本和便利性方面存在不利因素。微通道液体强制对流冷却方式的冷却能力很强，热阻很小，且不受重力和方向的影响，但由于流动通道的尺寸微小，系统存在压降大、温度梯度大、易结垢、堵塞等问题，另外该技术对各种微泵的性能要求极高。

热管是一种常用的被动式(自驱动式)高效传热技术，传统热管因相变和回流的内在机制要求，受到方位和长度的限制，受重力和加速度的影响大，在应用中，结构设计的自由度较低，难以做成较为复杂的系统。而脉动式热管的工作范围较窄，存在起动困难、难以适应热负荷变动等问题，应用范围有限。

已知现有热管，尝试使工质达到超临界状态，通过压力波形式进行传热，虽然传热性能好，但是对壳体的耐压要求高，且无法利用潜热。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有热管存在的各种弊端，提供一种基于热压转换效应的传热方法及传热系统，可以实现比普通热管更强更快的热传递，且结构设计自由，受重力过载的影响小。

为实现本发明的目的，采用的技术方案是：

一种基于热压转换效应的传热方法，其包括以下步骤:

步骤1，提供一种传热系统，所述传热系统具有加热端和冷却端，加热端和冷却端之间由至少两条连接通道连通，所述加热端、冷却端和连接通道均为刚性部件，且共同形成一个封闭循环回路；

步骤2，确定一工作温度区间T，根据所述工作温度区间T来选择导热工质，使所述导热工质在所述工作温度区间内对应的工质压力P的变化满足：温差形成的压力差足以驱动流体克服回路的流动阻力而流动，作为优选，使且使所述导热工质在所述温度区间T内处于气液两相共存状态；

步骤3，向所述封闭循环回路内充装所述导热工质，充装所述导热工质的质量由公式m＝ρ₁V₁+ρ_g(V-V₁)确定，

其中，m为导热工质充装质量，单位为kg；

T₁为工作温度，在进行所述充装质量计算时，取工作温度区间T的最高温度和最低温度的平均值作为T₁的温度，单位为℃，

V为封闭循环回路总容积，单位为m³，

V₁为所述工作温度T₁下，所述封闭循环回路内导热工质的液态体积，以使工作时液相能够沿回路流动，或气相部分占比以不阻断液相沿回路流动为准，具体V₁选取为V₁＝(60％～99％)V，单位为m³，使内部液态工质维持60％～99％的状态，作为优选，使V₁＝(75％～90％)V，

ρ₁为在所述工作温度T₁时饱和液态工质的密度，单位为kg/m³，

ρ_g为在所述工作温度T₁时饱和气态工质的密度，单位kg/m³；

步骤4，将所述加热端与热源紧密接触，将所述冷却端与冷源接触或对环境散热，所述加热端的液态导热工质受热产生热膨胀，形成压力波，压力波对液态工质产生挤压作用，驱动液态工质循环流动，流至冷却端散热后再流动至加热端,如此循环,使热压转换效应持续维持。

本发明的技术方案基于热压转换效应实现高效的热传递，由于热压转换效应的发生需要满足特定的条件，如果系统是开放的、或是封闭循环回路的刚性不足，压力波将无法在流体回路内反复传播，热压效应不能引起热化效果，因此也不能形成传热能力。而本发明采用封闭循环回路结构，且形成封闭循环回路的部件为刚性部件，足够承受导热工质的工作压力，以便液体导热工质产生的压力波能反复传播形成热化效应。

而本发明采用封闭循环回路结构，且形成封闭循环回路的部件为刚性部件，其对压力波传递影响小，不会出现压力波传递受阻的情况。

如果对加热端持续加热，液体可能远离饱和状态进入过热状态，就会脱离高效热压转换状态，只有在工作温度区间，液态导热工质占整个封闭循环回路总体积的60％～99％的范围内，热压转换效应才会得以持续。本发明根据实际的工作温度区间选用合适的导热工质，使所述导热工质在所述工作温度区间内对应的工质压力P的变化满足：即要求所采用的导热工质在较小的温度变化下能产生较大的压力差,温差形成的压力差足以驱动流体克服回路的流动阻力而流动。在系统形成封闭循环回路时，加热端的热压波对流体有挤压作用，在回路内形成压力梯度，可以驱动液体做循环流动，加热部位的液体被带走，从而避免因长期驻留形成过热汽化，同时，补充过来的液体接近饱和，可以很快进入高效的热压转换状态。如此循环往复，持续的热压转换效应得以维持。越大，压力梯度越大，自循环效果越好，热压转换超强传热现象也越明显。

同样，由于气相能对压力波产生很强的衰减作用，如果回路内液体占比不大，气相空间较多，也不会形成热化效果，本发明为了使导热工质在工作温度区间时，内部液态导热工质维持60％～99％的状态，从而使液态导热工质基本处于满液状态，在根据计算公式进行计算时，选取V₁＝(60％～99％)V，保证热压转换传热系统正常工作。在液态工质占比所选的范围内，液态工质体积占比越高，热压转换超强传热现象越明显。

在工作温度下，各种常见的无机液体、有机液体、制冷剂和液态金属均可以作为导热工质，可以是单一导热工质，也可以是互溶的混合导热工质，根据工作温度、工作场合进行选用；在选用混合导热工质时，充装质量的计算公式中，ρ₁和ρ_g为混合导热工质在所述工作温度T₁时，饱和液态混合工质的密度和饱和气态混合工质的密度；

优选的，所述导热工质选自水、丙酮、甲醇、乙醇、制冷剂(R134a，R410A等)、氨、导热姆、NaK合金、钾、钠、锂中的其中一种。

优选的，当所述工作温度区间在-40℃到100℃范围内时，选取的导热工质为R134a。

优选的，当所述工作温度区间在80℃到360℃范围内时，选取的导热工质为水。

为实现本发明的目的，还提供一种基于热压转换效应的传热系统，用于实现所述的传热方法，传热系统包括与热源接触的加热端、与冷源接触或对环境散热的冷却端；所述加热端和所述冷却端之间由至少两条连接通道连通，所述加热端、冷却端和连接通道均为刚性部件，且共同形成一个封闭循环回路。

优选的，所述刚性部件的材料为金属材料，选自铜、铜合金、铝、铝合金、钛合金、镍基高温合金、钢中的任意一种。

优选的，所述加热端或冷却端分别做成蛇形管形式、管排形式、板状通道形式中的任意一种。

优选的，所述连接通道选自椭圆式通道、弯曲式通道、吹胀式通道中的任一种。

优选的，所述封闭循环回路可以是单通道回路，也可以是多通道并联的回路。

本发明采用的封闭循环回路结构对压力波传递影响小，不会出现压力波传递受阻的情况。

优选的，由于液体的热膨胀特性，为了适应不同温度条件下的传热需求，需要调整充液率，以使在相应温度下工作时，液体为高充液率甚至接近充满状态，由于“过满”的液体会导致一旦工作“超温”，则可能发生通道破裂的情形，因此可以在所述连接通道上设置一个储液装置，通过开闭阀门调节所述封闭循环回路内的充液量。

优选的，在某些条件下，重力驱动回路内对流的能力减弱，为了形成稳定的对流循环，可以在连接通道上装设辅助泵送装置，这种传热系统可以用于水平放置、热源位置高于冷源位置或微重力、加速度过载频繁变化等情况。

本发明所带来的有益效果是，本发明的传热方法及系统是在热管基础上发展起来的一种新型的被动式传热系统，利用液体工质在特定热力学状态下的急剧膨胀效应将热能转换为压力波进行传递，称之为热压转换效应。由于压力波传播速度大，热化效应迅速，使得热压转换传热系统比普通的热管传热更快，响应更迅速。

在这种传热系统中，热压转换效应还与其他传热效应结合，热压转换传热系统内通常有三重传热效应叠加，即热压转换、局部相变、对流传热，因此无论传递热负荷的能力，还是当量导热系数等都优于普通热管,普通热管的当量导热系数一般不超过20kW/m·K，而本发明的传热系统实现的当量导热系数达到50～150kW/m·K。

由于加热端的膨胀作用可以在封闭循环回路内形成压力梯度，驱动流体产生对流，热压转换传热系统比单纯依靠重力作用的热管适应重力变化的能力更强一些，因此，即使以较大角度倾斜或水平放置，仍能较好地工作。

同时，由于压力波具有较强的驱动对流的作用，使得热压转换传热回路具有更大的自由度，可以是复杂的多回路、并列回路或长回路。

附图说明

图1是本发明实验测得的流体内压力波的图；

图2是本发明通过可压缩流体计算机仿真得到的过热区液体的热压转换效应的图；

图3是本发明实验测得的当量导热系数的图；

图4是R134a的饱和曲线图；

图5是本发明的热压转换传热系统图；

图6是本发明的加热端和冷却端的结构图；

图7是本发明的连接通道的形状图；

图8是本发明的具有储液装置的热压转换传热系统；

图9是本发明的具有辅助泵送装置的热压转换传热系统。

图中各附图标记为：连接通道11，加热端12，冷却端13，阀门14，储液装置15，辅助泵送装置16，蛇形管形式加热端/冷却端21，管排形式加热端/冷却端22，板状通道形式加热端/冷却端23，椭圆形构件本体310，椭圆式通道31，长方体形构件本体320，弯曲式通道32，钣金构件本体330，吹胀式通道33。

具体实施方式

本发明提供一种传热系统和方法，该系统和方法采用热压转换原理传热，利用原理：

可压缩流体能量传输方程：

根据热力学关系式转化为以下形式

其中α_v为热膨胀系数，λ为导热系数。当α_v较大时，在介质内由于温度变化会产生较大的压力变化，可利用此压力变化进行能量传递，即热能的传递。导热工质的液体占整个封闭循环回路的60～99％的情况下，即所述满液状态，即可实现热能与压力波的高效转换，从而实现高密度热能的传递。

加热部位边界层内的液体因受热产生膨胀，对周围液体产生挤压效应，形成压力波，压力波再以音速在回路内的流体中迅速传播，沿途被流体吸收转化为热能，液体温度被整体提升，形成所谓活塞效应(piston effect)，又叫流体热化效应(Thermolization),在冷端形成温差，使液体热量被冷端带走。

以R134a为导热工质，实验测得的压力波波形如图1所示，通过可压缩流体数值计算可以捕捉到该压力波的形成和传播过程如图2所示，其波形呈台阶状。

基于以上热压转换效应原理，本发明提供一种传热方法，其包括以下步骤:

步骤1，提供一种如图5所示的传热系统，所述传热系统具有加热端12和冷却端13，加热端和冷却端之间由至少两条连接通道11连通，所述加热端、冷却端和连接通道共同形成一个封闭循环回路，形成所述封闭循环回路的部件为刚性部件；

步骤2，确定一工作温度区间T，如果工作的温度区间T在-40℃≤T≤100℃范围内，可选取R134a为导热工质，如图4所示，此时R134a在所述工作温度区间内对应的工质压力P的变化可满足：并且R134a在所述温度区间T内还处于气液两相共存状态，温差形成的压力差足以驱动流体克服回路的流动阻力而流动；如果工作的温度区间T在80℃≤T≤360℃范围内，则可选取导热工质为水，且水在所述温度区间T内还处于气液两相共存状态，温差形成的压力差足以驱动流体克服回路的流动阻力而流动；

步骤3，向所述封闭循环回路内充装所述导热工质，充装所述导热工质的质量由公式m＝ρ₁V₁+ρ_g(V-V₁)确定，

其中，m为导热工质充装质量，单位为kg，

T₁为工作温度，在进行所述充装质量计算时，取工作温度区间T的最高温度和最低温度的平均值作为T₁的温度，单位为℃，

V为封闭循环回路总容积，单位为m³，

V₁为所述工作温度T₁下，所述封闭循环回路内导热工质的液态体积，以使工作时液相能够沿回路流动，或气相部分占比以不阻断液相沿回路流动为准，具体V₁选取为V₁＝(60％～99％)V，单位为m³，使内部液态工质维持60％～99％的状态，

ρ₁为在所述工作温度T₁时饱和液态工质的密度，单位为kg/m³，

ρ_g为在所述工作温度T₁时饱和气态工质的密度，单位kg/m³；

步骤4，将所述加热端与热源紧密接触，将所述冷却端与冷源接触或对环境散热，此时，所述加热端的液态导热工质受热产生热膨胀，形成压力波，压力波对液态工质产生挤压作用，驱动液态工质循环流动，流至冷却端散热后再流动至加热端,如此循环，使热压转换效应持续维持。

本发明的技术方案基于热压转换效应实现高效的热传递，由于热压转换效应的发生需要满足特定的条件，如果系统是开放的、或是封闭循环回路的刚性不足，压力波将无法在流体回路内反复传播，热压效应不能引起热化效果，因此也不能形成传热能力。而本发明采用封闭循环回路结构，且形成封闭循环回路的部件为刚性部件，足够承受导热工质的工作压力，以便液体导热工质产生的压力波能反复传播形成热化效应。刚性部件一般为金属材料，选自铜、铜合金、铝、铝合金、钛合金、镍基高温合金、钢等材质。

如果对加热端持续加热，液体可能远离饱和状态进入过热状态，就会脱离高效热压转换状态，只有在工作温度下、液态导热工质占整个封闭循环回路总体积的60％～99％的范围内，热压转换效应才会得以持续。本发明选用合适的导热工质，使所述导热工质在所述工作温度区间内对应的工质压力P的变化满足：即要求所采用的导热工质在较小的温度变化下能产生较大的压力差,温差形成的压力差足以驱动流体克服回路的流动阻力而流动。在系统形成封闭循环回路时，加热端的热压波对流体有挤压作用，在回路内形成压力梯度，从而可以驱动液体做循环流动，加热部位的液体被带走，从而避免因长期驻留形成过热汽化，同时，从冷端散热后补充过来的液体接近饱和，可以很快进入高效的热压转换状态。如此循环往复，持续的热压转换效应得以维持。越大，压力梯度越大，自循环效果越好，热压转换超强传热现象也越明显。

同样，由于气相能对压力波产生很强的衰减作用，如果回路内液体占比不大，气相空间较多，也不会形成热化效果，本发明为了使导热工质在工作温度区间内，内部液态导热工质维持60％～99％的状态，从而使液态导热工质基本处于满液状态，在根据计算公式进行计算时，选取V₁＝(60％～99％)V，保证液压转换传热系统正常工作。在液态工质占比所选的范围内，液态工质体积占比越高，热压转换超强传热现象越明显。

除了热膨胀，高压下的加热部位也会出现局部沸腾现象而产生微小沸腾气泡，微小沸腾气泡通过相变潜热带走热量的同时，长大过程中也产生压力波，形成热压转换效应。因此，热压转换系统正常工作时的传热效果一般由热压转换、局部相变和环路对流三种效应叠加而成。

普通环路热管的充液率小于50％，与之相比，热压转换传热系统基本处于满液状态，其相变效应不明显，取而代之的是较强的热压转换效应和局部膨胀压力驱动的对流效应。

因此无论传递热负荷的能力，还是当量导热系数等都优于普通热管。

图3是一种热压转换传热器件以R134a为导热工质的实验测试结果，从图中可以看出，随着充液量的提高，只需要很小的热量供应，传热系统的当量导热系数就能达到很高，如在充液量达到91％时，即使热量输入在100W以下，该传热系统的当量导热系数达到150kW/m·K左右。该传热系统的传热性能明显高于普通热管。普通热管的当量导热系数一般不超过20kW/m·K，而本发明的传热系统实现的当量导热系数达到50～150kW/m·K。

在工作温度下，各种常见的无机液体、有机液体、制冷剂和液态金属均可以作为导热工质，可以是单一导热工质，也可以是互溶的混合导热工质，根据工作温度、工作场合进行选用；在选用混合物导热工质时，充装质量的计算公式中，ρ₁和ρ_g为混合物导热工质在所述工作温度T₁时，饱和液态混合工质的密度和饱和气态混合工质的密度；

优选的，所述导热工质选自水、丙酮、甲醇、制冷剂(R134a，R410A等)、NaK合金、氨、导热姆、钾、钠、锂中的其中一种。

热压转换传热系统的加热端和冷却端，可以在封闭循环回路的任一位置，可以有多个加热端和多个冷却端。一般无需做成特殊的形状，但为了增加换热面积或与热源形状配合，如图6所示，可以做成蛇形管形式加热端/冷却端21、管排形式加热端/冷却端22等盘管形式，还可以做成板状通道形式加热端/冷却端23，或其他内部带有回路的刚性结构，只要能与整体回路联通，壁面允许热量的传入传出即可。外表面可以有翅片、肋片、套管或其他强化换热的结构。

如图7所示，本发明传热系统的连接通道无需限定形状，只要形成封闭循环回路即可工作。因此可以是椭圆式通道31、弯曲式通道32、吹胀式通道33或其它变种，分别可以用椭圆形构件本体310、长方体形构件本体320、钣金构件本体330制作成型。

本发明的传热系统可以是单通道回路，也可以是多通道并联的回路，或其变种，如树枝状分叉回路。回路的长短或变形不受限制。本发明采用的封闭循环回路结构对压力波传递影响小，不会出现压力波传递受阻的情况。

参见附图8，由于液体的热膨胀特性，为了适应不同温度条件下的传热需求，需要调整充液率，以使在相应温度下工作时，液体为高充液率甚至接近充满状态，由于“过满”的液体会导致一旦工作“超温”，则通道破裂的情形发生。为此，可以在回路上设置一个储液装置15，通过开闭阀门14调节回路内的充液量，具有储液装置的热压转换传热系统可以实现在较大的温度范围内正常工作。

再参见附图9，在某些条件下，重力驱动回路对流的能力减弱，为了形成稳定的对流循环，可以装设辅助泵送装置16，这种传热系统可以用于水平放置、热源位置高于冷源位置或微重力、加速度过载频繁变化等情况。