一种非单向中间热点保护的自循环高效热管的制作方法

本发明属于高效换热技术领域，具体涉及一种将中间高热流密度区热量向两侧或周向方向分散传输的新型双向传热高效热管，尤其是涉及一种非单向中间热点保护的自循环高效热管。

背景技术：

热管是一种具有快速均温特性的特殊换热器件，其具有质轻、高导热性以及快速均温的特性，广泛运用于航天领域，各式热交换器、冷却器、电子产品散热等领域，是现今最普遍高效的导热(非散热)元件。经过几十年的发展，热管结构由单支演变为多根热管组合成换热器，由一体热管演变为分离式热管、毛细泵回路热管和脉动热管。但无论热管换热系统结构组成如何变化，其传热的基本相变物理过程决定热管主要由一个沸腾高热区、一个冷凝散热区以及之间的流体传输区组成。对于一些需要快速导热、快速均热的场合；如航空器头部、机翼以及尾翼前缘等位置，由于与空气的快速摩擦使得顶部局部温度高达上千度；或探测器、模型等进入高温区，同时要求内部空腔保持低温；甚至是太阳能高倍聚焦后热点高温快速导离等场合，其高热流密度点在中间，而热量需要向两侧或双向沿壁面迅速导离。在此场合下，经典热管一端为沸腾高温区，另一端为散热区的结构已不能满足应用需求；需要设计中间为沸腾高温区，使得高热流密度迅速沿两个方向甚至是四周快速导离，以达到中间热点保护的目的。另一方面，根据热管内物理相变传热过程，沸腾高热区负责吸收环境热量，使工质发生沸腾相变；气相工质经过流体传输区达到冷凝散热区发生冷凝相变，释放热量；冷凝的液体再通过传输区返回至沸腾高热区，进入下一周期。针对两相传输，近年来强化热管的方法和技术主要为设计热管强化微结构并耦合选用具有大表面张力的相变工质，使沸腾蒸汽和冷凝液体在管内快速循环，甚至提高工质传输距离。管内微结构的强化思路主要有三种：利用管内添加插入式吸液芯；在热管内壁面烧结多孔结构；壁面加工沟槽。沟槽管的成本一般比烧结管低，主要缺点是其指向性强，在直线传导时性能和烧结管相当。但一旦管道弯曲，槽内流体不能很好的限制在沟槽内使得换热性能明显下降；例如，当沟槽管弯曲90度，导热性能几乎只能达到原来性能的1/2；当散热器弯曲角度大到180度，传热效果极速衰减。烧结管由于利用毛细结构吸液传输，壁面弯曲度对传热性能影响不大；因此烧结管适宜设计成各种弯曲形状。同时需要指出的是，热管内气液两相的循环传输过程，是两相流体的一种持续相向运动，气液界面的相对滑移是循环中一常态过程。如何利用烧结或者机加工微结构控制气液界面，分流气液双向运动，做到固定航道、有序调控，耦合微结构加快液相回流速度，才能从根本上提高两相的循环效率。

近年来微结构调控两相流流型以及流动状态、利用多孔结构强化沸腾传热的研究越来越深入；多孔结构不仅可以有效提高沸腾汽化核心数目，同时也可以利用结构尺度差在界面能作用下有效控制气液的分区。本申请的发明人在对多孔结构调控两相流、强化沸腾传热的研究基础上；提出利用烧结多孔结构耦合巧妙结构设计，强化吸热区沸腾相变效率的同时提高壁面沟槽流体在弯曲流道时的可控性，设计适用于中间高热密度急于向两侧甚至四周散热场合的新型双向传热自循环高效热管。本发明是从相变传热的物理机理出发，基于气液两相流流型调控的思想以及实际应用中高热点在中心的重大需求，设计适合双向甚至周向散热的高效热管，用于解决对高热区有效热防护问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种非单向中间热点保护的自循环高效热管，利用多孔微结构设计实现强化相变传热及气液的自循环；双向甚至周向的导热方向；其主要针对航空飞行器头部、机翼、尾翼的前缘，以及高温探测器、太阳能高倍集热光电板等类似具有高热量密度区场合，通过将沸腾区的气相沿双向或周向沟槽通道快速远传至终端冷凝区，从而实现将中间区域高热量快速导离，对中间高热区进行热防护的目的。

一种非单向中间热点保护的自循环高效热管，其特征在于，包括位于中间的吸热沸腾区，位于吸热沸腾区周向位置的气液传输区，以及位于所述气液传输区远端的放热冷凝区，所述吸热沸腾区设置多孔结构。

进一步，所述气液传输区位于吸热沸腾区的双向位置。

进一步，所述吸热沸腾区和气液传输区的形状为平板、圆管或不规则形状。

进一步，所述气液传输区间隔设置微结构吸液芯的多孔通道和介于多孔通道之间的气体沟槽通道。

进一步，所述微结构吸液芯的多孔通道为陶瓷微管堆砌而成，用于将放热冷凝区冷凝的液体快速导回吸热沸腾区。

进一步，所述多孔通道是烧结的多孔填料结构或泡沫金属的多孔结构，其尺寸为毫米级，所述孔的尺寸为微米级。

进一步，所述气体沟槽通道的尺寸为毫米级。

进一步，所述多孔通道的弯曲处，在多孔通道与气体沟槽通道的交界面，沿多孔通道侧壁面设置气体遮挡板。

进一步，所述自循环高效热管内部灌装的工质为水或有机物质。

进一步，所述放热冷凝区的热管壁面设置冷却翅片。

具体来说，所述自循环高效热管的中间为吸热沸腾区1，双向甚至周向导热自循环高效热管；所述热管内部采用多孔结构4强化沸腾吸热区1的相变换热；并耦合多孔吸液功能，适当设计液体吸液芯的多孔通道5和气体沟槽通道6，促进热管内部高效气液回流；从而实现对中间高热流密度区的热保护功能。

本发明中双向甚至周向的导热方向主要针对航空飞行器头部、机翼、尾翼的前缘，以及高温探测器、太阳能高倍集热光电板等具有高热量密度区类似场合，通过将沸腾区的气相沿双向或周向沟槽通道快速远传至终端的放热冷凝区，从而实现将高热区的热量快速导离，对高热区进行热防护的目的。此中间吸热沸腾区1以及气液传输区2可根据应用场合如飞行器头部的形状进行尺寸和弯曲的设计；其形状不局限于平板、圆管以及其他不规则形状。原则是中心热量的分散便于热量的回收利用。

利用微结构同时强化沸腾及冷凝。在中间部位的吸热沸腾区，利用多孔结构降低沸腾气泡的脱离直径，增大沸腾相变换热面积；同时设计多孔结构吸液芯延伸到冷凝散热区，加速冷凝液的脱离，提高冷凝区表面的更新速率，引导冷凝液的快速补充，从而强化沸腾传热性能，利用多孔微结构设计实现强化相变传热。所述气体沟槽通道用于将吸热沸腾区的气体沿气体沟槽通道快速传至放热冷凝区。利用多孔微结构设计实现强化气液自循环，利用多孔结构的间隔排布设计成双向或周向沟槽通道和多孔吸液芯通道。其沟槽通道将沸腾区的气相沿双向或周向沟槽通道快速远传至终端冷凝区，同时多孔吸液芯通道将冷凝的液体快速导回沸腾区，从而加速了气液自循环。所述双向或周向气体沟槽通道6分布在高热密度区两侧或四周。其与液相回吸的多孔通道5间隔排布。气相沟槽通道6尺度在毫米级，多孔液相回吸通道为由微米级多孔结构构成的毫米级导液芯。为避免气相在热管弯曲处的串道逆流，在弯曲处多孔液相导液芯壁面添加气相遮挡板9；或液相导液芯直接选用类似陶瓷微管堆砌而成，从而避免气体在热管弯曲处的串道逆流，保证气液两相各走其道从而提高循环效率。

所述高效热管的冷凝散热端形状由整体散热场所及热能再利用需求决定，可为圆形热管的周边圆环区，长方形热管的两端方形区或其他形状的段侧形状。其内壁壁面主要为光滑壁面；吸液的多孔通道5头部延伸到冷凝区，占据少量换热面积。同时，延伸到冷凝散热区的吸液芯有利于冷凝液的快速回流，加速冷凝液的脱离，提高冷凝区的冷凝效率。同时，热管冷凝区3的热管壁面8可以利用翅片7等通用强化措施强化冷凝壁面外侧的换热性能，与管内强化同时耦合作用。

所述热管中间部位的吸热沸腾区1，利于多孔结构降低沸腾气泡的脱离直径，增大沸腾相变换热面积，同时利用多孔结构引导冷凝液的快速补充，从而强化沸腾传热性能。

所述热管内部灌装工质可为水、有机工质或其他高相变温度的媒介，其主要针对气液相变换热的工质。所述热管内的多孔结构可以是烧结多孔填料结构、泡沫金属等一般通用的多孔结构。

因此本发明是针对热管中吸热沸腾过程、放热冷凝过程以及气液传输过程各自特点均进行了强化的一种高效热管，其设计大大提高了热管的导热效率。同时其吸热点在实际应用中需要热保护的高热区；导热方向为非单一性，管内流体流动方向不受重力影响。蒸发气体在管内气相压力的推动力作用下从沸腾段传输到冷凝端，而冷凝液则通过为微细结构的毛细芯作用快速吸回沸腾端。

本发明的效果和有益效果是：(1)本发明提出双向或周向自循环高效热管，能针对航空飞行器头部、飞机机翼尾翼的前缘及其他一些中间高热，需要快速降温的场合使用。是基于实际高温热保护的实际应用提出的，具有重大的实际应用价值。(2)本发明从热管三个主要过程入手，各自采取了相应的强化传热手段；沸腾吸热表面利用多孔结构强化气泡脱离，加快液相补充；冷凝放热端利用管内少量分布的吸液芯快速导离冷凝液，加快冷凝面的更新频率；气液传输区域利用分区结构调控气液两相分别流动；提出一种新型高效热管的设计理念，建立了一种高效热点保护型热管的设计原则。

附图说明

图1是带冷却翅片的板式双向传热自循环高效热管结构图；其中(a)是俯视图，(b)是a-a向的气相沟槽通道与液相吸液芯通道的截面图。

图2是带冷却翅片的周向传热自循环高效热管结构图。

图3是不带冷却翅片的弯曲两向传热自循环高效热管结构图。

图4是无冷却翅片的探测触头热保护套状热管。

图中标号：1吸热沸腾区；2气液传输区；3放热冷凝区；4多孔结构；5多孔通道；6气体沟槽通道；7冷却翅片；8热管壁面；9气体遮挡板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行说明，但不以任何方式限制本发明。

图1是带冷却翅片的板式双向传热自循环高效热管结构图；其中(a)是俯视图，(b)是a-a向的气相沟槽通道与液相吸液芯通道的截面图。

此结构主要由吸热沸腾区1、气液传输区2以及带冷却翅片7的放热冷凝区3组成的板式中间高热表面的热保护热管。进行热保护操作时，将热管中心的吸热沸腾区1与高热表面接触良好，在多孔结构4的强化作用下高热表面的热量通过工质的沸腾相变很快传递到热管内的工质；并使得工质在沸腾区1内转变为汽体状态。伴随着高热表面与沸腾区1之间热量的传递，液相转变的汽相在后续生成的汽相的推动力下沿沟槽通道6抵达放热冷凝区3。热管外壁冷却翅片7能够加快放热冷凝区3的相变换热，使得到达冷凝区3的汽相很快被冷凝成液相。液相一旦接触吸液多孔通道5，在表面张力的作用下，液体迅速进入微通道内并被非能动的运输回高热沸腾区1。从图1(b)a-a面气相沟槽通道与液相吸液芯通道的截面图可知，此板式双向传热自循环高效热管的气相和液相通道6、5均为方形界面，其中通道5是由金属纳米颗粒烧结而成的多孔通道。

图2是带冷却翅片的周向传热自循环高效热管结构图。如图所示，中间吸热沸腾区1为圆形区，此结构适用于中心高热流表面的形状为圆形。为了保证气相能够在气压作用下快速到达热管外圆周出的散热冷凝区3，设计吸液功能的液相多孔通道5为扇形，从而保证气相沟槽通道较小，气体能够较容易抵达冷凝区3。耦合热管冷凝区外壁的翅片强化传热，气相在冷凝区3处冷凝为液相；并在吸液芯多孔通道的导引作用下，快速返回吸热沸腾区，进入下一个循环。

图3为不带冷却翅片的弯曲两向传热自循环高效热管结构图。此结构设计为弯曲板式热管。应用背景主要为飞机头部、机翼尾翼的前缘高温区的热保护应用设计而成。将吸热沸腾区1的表面与飞行器头部甚至是机翼的前缘接触良好，使得机翼表面热量快速传导给吸热沸腾区1内的工质。在多孔结构4的强化作用下，液相快速转变为汽相并通过沟槽通道6进入冷凝区3。冷凝区3表面通过与环境换热或者其他热能回收利用方式，汽相冷凝为液相，并通过吸液芯多孔通道5非能动传输回沸腾区1。此结构中由于热管存在弯曲，为避免沸腾产生的气相在通道弯曲处冲击进入多孔通道5内与回流的液相发生逆流，使得热管换热效率降低；因此在多孔通道5与气体沟槽通道6的交界面设计了气相挡板9，有效控制气液两相的独立流动，避免了沟槽结构在弯曲时引起传热性能的大幅下降。

图4为无冷却翅片的探测触头热保护套状热管。此热管为一头封闭的管套式热管。其主要应用于高温探头进入高温场，而内部探头传感不能长期高温高热，需端点热保护的场合。使用时，将套状热管套装在高温探头或需要端点保护的设备顶端，与端点接触的热管顶端为具有多孔结构4的吸热沸腾区1。经过导热换热过程，高温区热量转变为相变换热的潜能，工质在多孔结构强化沸腾的过程中快速转变为气相，沿管道环隙方向上的沟槽通道6传输到放热冷凝区3。此冷凝区3可根据需求设置延伸到什么位置，若所需距离远可适当减小汽相沟槽通道。冷凝换热后，汽相又冷凝为液相，在毛细作用下沿吸液多孔通道5返回吸热沸腾区1，从而自循环换热。

实施例1：

利用如图1所示的带冷却翅片的板式双向传热自循环高效热管对高聚光倍数的光电转换板进行快速冷却。对于5m²大小的集热器，利用双曲面聚光，整体聚光倍数约62倍；使得在30mm*30mm的光电板上温度达到1000℃。由于光电材料的发电性能受温度的影响较大，温度升高，发电效率降低；因此该高热流密度下的高温需要快速散热。此时板式双向传热自循环高效热管的吸热沸腾区的大小设计为与光电板大小相同，30mm*30mm，内部利用200μm的金属铜粉烧结的多孔结构强化沸腾区1的沸腾传热性能。伴随工质水快速转变为气相并冲向放热冷凝端3，冷凝段利用冷却水强制对流对其进行换热，使得气相冷凝为液体并被气相多孔通道吸回沸腾区1，再次循环。经测定整个热管的功率可达到130kw/m2。同时在发电的同时，在冷凝段获得60℃的热水，也证明了光电与光热耦合应用的可行性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。