專利名稱：微小通道蒸發(fā)導熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱管領(lǐng)域，具體是涉及一種微小通道的蒸發(fā)導熱裝置，可適用于各種 場合的冷卻、加熱或熱回收處理。
背景技術(shù)：
分離式熱管是一種蒸發(fā)段與冷凝段分離的熱傳導裝置，它主要有熱源在下冷源在 上的重力型分離式熱管、熱源在上冷源在下的動力型分離式熱管(包括設(shè)升液裝置的分離 式熱管、泵驅(qū)動水環(huán)路分離式熱管、泵或風機驅(qū)動的動力型分離式熱管(俗稱熱環(huán)))。其 中，設(shè)升液裝置的分離式熱管工作原理是通過高溫流體加熱，使循環(huán)工質(zhì)在升液裝置中形 成氣液混合物，氣液混合物再通過蒸發(fā)器進一步完全蒸發(fā)成蒸汽，這種設(shè)升液裝置的分離 式熱管增加了換熱設(shè)備的復雜性和設(shè)備投資，且對于低品位余熱的回收利用效果不理想。 水環(huán)路分離式熱管循環(huán)工質(zhì)為水，利用了水的顯熱傳熱，其驅(qū)動水泵耗功較多。因此發(fā)明一 種類似分離式熱管的流動方向單一且結(jié)構(gòu)簡單熱傳導能力強的類似熱管裝置成為需要。微通道換熱器具有高效的熱傳導能力，已有研究結(jié)果表明，當流道尺寸小于3mm 時，氣液兩相流動與相變傳熱的規(guī)律將不同于常規(guī)大尺寸，通道越小，這種尺寸效應越明 顯；當管內(nèi)徑小到0.5 Imm時，對流換熱系數(shù)可增大50% 100%。如果能利用相變工質(zhì) 在微通道中受熱蒸發(fā)的氣泡泵效應，將熱量從熱源處轉(zhuǎn)移到冷源處，則可以拓展傳統(tǒng)熱管 的應用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的旨在提出一種不同于傳統(tǒng)熱管、閉式循環(huán)振蕩熱管和分離式熱管的微 小通道蒸發(fā)導熱裝置，該導熱裝置結(jié)構(gòu)簡單，它利用工質(zhì)在微小通道內(nèi)的高效熱傳導和氣 泡泵效應，將熱量從熱端向冷端轉(zhuǎn)移，傳熱效率高。一種微小通道蒸發(fā)導熱裝置，包括蒸發(fā)段、冷凝段以及將蒸發(fā)段和冷凝段連成導 熱循環(huán)回路的氣體連接段和液體連接段，所述的導熱循環(huán)回路還包括設(shè)于蒸發(fā)段與氣體連 接段之間的集氣段、設(shè)于蒸發(fā)段與液體連接段之間的集液段以及設(shè)于集氣段與集液段之間 的回液段；所述的集氣段位于蒸發(fā)段的上面；所述的集液段位于蒸發(fā)段的下面，以實現(xiàn)循 環(huán)工質(zhì)的單向流動；所述的蒸發(fā)段內(nèi)包括若干并聯(lián)設(shè)置的微小通道管束，微小通道管束上端的出氣口 與集氣段下部的進氣口連通，集氣段的出氣口通過氣體連接段與冷凝段的進氣口連通；微 小通道管束下端的進液口與集液段上部的出液口連通，集液段下部的進液口通過液體連接 段與冷凝段的出液口連通；所述的回液段上端的進液口與集氣段的下部出液口連通，回液段下端的出液口與 集液段上部的進液口連通；所述的導熱循環(huán)回路內(nèi)充有易發(fā)生氣液相變的循環(huán)工質(zhì)，循環(huán)工質(zhì)的充注量為導 熱循環(huán)回路內(nèi)的不完全充滿，即循環(huán)工質(zhì)的充注量小于導熱循環(huán)回路內(nèi)總?cè)莘e。
氣體連接段和液體連接段的設(shè)置，可以根據(jù)實際需要靈活調(diào)整蒸發(fā)段和冷凝段的 安裝位置，實現(xiàn)蒸發(fā)段和冷凝段的分離設(shè)置，可以滿足多種場合的使用要求。冷凝段內(nèi)冷凝 的循環(huán)工質(zhì)液體流入到蒸發(fā)段微小通道管束內(nèi)的主要驅(qū)動力是微小通道管束內(nèi)具有的毛 細作用力。所以本發(fā)明的導熱裝置即可用于冷凝段在上蒸發(fā)段在下的場合也可用于冷凝段 在下蒸發(fā)段在上的場合。當用于冷凝段在上的場合時，液體從冷凝段回流至微小通道管束 內(nèi)的動力為微小通道管束內(nèi)的毛細作用力和冷凝段與微小通道管束之間的液位差作用力 的總和。當用于冷凝段在下的場合時，液體從冷凝段回流至微小通道管束內(nèi)的動力為微小 通道管束內(nèi)的毛細作用力，當此毛細作用力提供的驅(qū)動力不足時，優(yōu)選的技術(shù)方案中，可選 擇在所述的液體連接管上設(shè)置液體泵或其他液體工質(zhì)驅(qū)動裝置，以加強總的驅(qū)動力。當冷 凝段內(nèi)的液位低于微小通道管束的液位時，微小通道管束內(nèi)的毛細作用力和液體泵共同提 供循環(huán)工質(zhì)回流驅(qū)動力，以實現(xiàn)循環(huán)工質(zhì)的循環(huán)流動。所述的微小通道管束可平行設(shè)置，也可交叉設(shè)置，需要根據(jù)實際需要確定；所述的 微小通道管束一般是指當量直徑在5mm以下的微小通道管，實際使用時，一般需要根據(jù)實 際使用的循環(huán)工質(zhì)的不同確定其實際當量直徑大小，以微小通道管能使循環(huán)工質(zhì)在蒸發(fā)段 內(nèi)形成穩(wěn)定的氣泡泵為依據(jù)；在循環(huán)工質(zhì)確定后，在靜止絕熱狀態(tài)，優(yōu)選的微小通道管束的
最大當量直徑不超過2q式中σ為該循環(huán)工質(zhì)的表面張力；P liq為該液態(tài)循
環(huán)工質(zhì)的密度，Pvap為該氣態(tài)循環(huán)工質(zhì)的密度，g為重力常數(shù)。在家用及其他中小型建筑中 使用時，常用的微小通道管的當量直徑為200 μ m 5mm。用于電子冷卻領(lǐng)域，微小通道管的 當量直徑為3 μ m 200 μ m。較小的當量直徑，有利于進一步增加傳熱或?qū)嵝?。循環(huán)工質(zhì)的充注量的確定以微小通道管能使循環(huán)工質(zhì)在蒸發(fā)段內(nèi)形成穩(wěn)定的 氣泡泵為依據(jù)；優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述的循環(huán)工質(zhì)的充注量為導熱循環(huán)回路內(nèi)容積的 10% 90% ；所述的循環(huán)工質(zhì)的熱物性需要滿足(dP/dT)sat值要高、動力黏度要低、在平板 集熱器的集熱溫度范圍(如彡100°C)內(nèi)容易汽化和冷凝的條件，且凝固點大于-40°C，常 用的循環(huán)工質(zhì)包括四氟乙烷、甲醇、乙醇、25%的乙二醇溶液、一氟三氯甲烷或丙酮等。為降低熱量損失，所述的集氣段和氣體連接段均與外界絕熱，可采用在集氣段外 套設(shè)絕緣材料或者直接選用由絕緣材料制成的集氣段或氣體連接段。為便于裝配及適用于 不同場合的需要，所述的微小通道管束的管斷面形狀為矩形、圓形、三角形或橢圓形以及其 他不規(guī)側(cè)形狀。微小通道管束可平行設(shè)置，也可交叉設(shè)置；微小通道管束可單層設(shè)置于蒸 發(fā)段內(nèi)，也可多層設(shè)置于蒸發(fā)段內(nèi)；另外，設(shè)置的微小通道管束當量直徑可以相等也可以不寸?；匾憾我话憧蛇x用大通徑管，以保證集氣段內(nèi)形成的液體順利回流至集液段內(nèi)； 常用的回液段的當量直徑為5mm 100mm。所述的集氣段的下部出液口位于集氣段底平面 的最低位置處，以便于在集氣段冷凝的液體及時回流至集液段內(nèi)。在滿足實際需要的前提下，為安裝方便可選擇將所述的氣體連接段和集氣段為一 體設(shè)置，將所述的液體連接段和集液段為一體設(shè)置?；蛘吒鶕?jù)實際需要，可將所述的集氣段 分別與多個支路連接，以滿足不用形式的加熱或制冷需要。為防止集氣段內(nèi)的液體回流至微小通道管束內(nèi)，優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述的微小 通道管束的上端端部插入集氣段內(nèi)腔且其出氣口端面高于集氣段內(nèi)腔底面；為便于集液段
4內(nèi)的液態(tài)循環(huán)工質(zhì)快速的進入到微小通道管束內(nèi)，所述的微小通道管束下端端部插入集液 段內(nèi)腔且其進液口端面靠近集液段內(nèi)腔底面。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果為(1)與傳統(tǒng)分離式熱管相比，本發(fā)明中蒸發(fā)段內(nèi)采用微小通道管束，提高了蒸發(fā)段 的傳熱效率，有利于導熱裝置充分利用蒸發(fā)段相變工質(zhì)所攜帶的熱量。(2)與傳統(tǒng)熱管相比，本發(fā)明中蒸發(fā)段不需要吸液芯，避免了傳統(tǒng)熱管管芯帶來的 加工及維護問題；氣體流道與液體流道分離，避免了傳統(tǒng)熱管的攜帶極限問題(3)與傳統(tǒng)熱管、熱虹吸管、分離式熱管相比，其液體回流驅(qū)動力可以利用冷凝段 與蒸發(fā)段的液位差和蒸發(fā)段的毛細吸力，也可以是外在的動力裝置(如液體泵)，避免了傳 統(tǒng)熱管的毛細極限問題，拓寬了熱管的應用范圍。(4)與閉式環(huán)路型振蕩熱管相比，只要充液量合適，蒸發(fā)段就不會出現(xiàn)干燒，且循 環(huán)工質(zhì)流動方向單一，導熱效果穩(wěn)定。(5)微通道管束蒸發(fā)段不是依靠增加材料消耗量而是結(jié)合微小通道的尺寸效應來 提高換熱效率，因此，作為蒸發(fā)段的材料耗量少重量輕，可以減少循環(huán)工質(zhì)的充注量，具有 一定的成本優(yōu)勢。


圖1為本發(fā)明的微小通道蒸發(fā)導熱裝置的第一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的微小通道蒸發(fā)導熱裝置的第二種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式實施例1 如圖1所示，一種微小通道蒸發(fā)導熱裝置，包括蒸發(fā)段1、集氣段2、氣體連接段3、 冷凝段4、液體連接段5以及回液段7 ；蒸發(fā)段1、集氣段2、氣體連接段3、冷凝段4、液體連 接段5以及回液段7相互連通形成封閉的導熱循環(huán)回路；其中，集氣段2位于蒸發(fā)段1的上 面，集液段6位于蒸發(fā)段1的下面，以實現(xiàn)循環(huán)工質(zhì)的單向流動；其中，蒸發(fā)段1內(nèi)包括若干平行并聯(lián)設(shè)置的微小通道管束，微小通道管束上端的 出氣口與集氣段2下部的進氣口連通，且其出氣口端面高于集氣段內(nèi)腔底面，集氣段2的出 氣口與氣體連接段3的進氣口連通，氣體連接段3的出氣口與冷凝段4上部的進氣口連通； 微小通道管束下端的進液口與集液段6上部的出液口連通且其進液口端面靠近集液段6內(nèi) 腔底面，集液段6的進液口通過液體連接段5與冷凝段下部的出液口連通；回液段7上端的進液口與集氣段2下部的出液口連通，回液段7下端的出液口與 集液段6的上部進液口連通，集氣段2下部的出液口位于集氣段2底面的最低位置處，用于 將集氣段2形成的液體及時回流到集液段6內(nèi)。導熱循環(huán)回路內(nèi)充有循環(huán)工質(zhì)，循環(huán)工質(zhì)的充注量為導熱循環(huán)回路內(nèi)總?cè)莘e的 10% 90% ；循環(huán)工質(zhì)一般選用低沸點的有機溶劑，常用的循環(huán)工質(zhì)包括四氟乙烷、甲醇、 乙醇、25%的乙二醇溶液、一氟三氯甲烷或丙酮等。微小通道管的內(nèi)徑大小需要根據(jù)實際使用的循環(huán)工質(zhì)的性質(zhì)確定，以微小通道管 能使循環(huán)工質(zhì)在蒸發(fā)段內(nèi)形成穩(wěn)定的氣泡泵為依據(jù)，在靜止絕熱狀態(tài)，微小通道管的最大當量直徑不超過)式中σ為循環(huán)工質(zhì)的表面張力；Plitl為液態(tài)循環(huán)工質(zhì)的
密度，Pvap為氣態(tài)循環(huán)工質(zhì)的密度，g為重力常數(shù)。在常規(guī)換熱器的加熱或冷卻使用時，常 用的微小通道管的當量直徑為200 μ m 5mm。用于微電子冷卻領(lǐng)域，微小通道管的當量直 徑為3 μ m 200 μ m。較小的當量直徑，有利于進一步增加傳熱或?qū)嵝?。為便于裝配及 適用于不同場合的需要，微小通道管的管斷面形狀為矩形、圓形、三角形或橢圓形以及其他 不規(guī)側(cè)形狀。微小通道可單層或多層設(shè)置于蒸發(fā)段1內(nèi)，以滿足不同場合的需要。氣體連接段3和液體連接段5的設(shè)置，可以實現(xiàn)蒸發(fā)段1和冷凝段4的分離設(shè)置， 可以滿足多種場合的使用要求。冷凝段4的高度高于蒸發(fā)段1的高度，液位差的存在促使 液體從冷凝段4回流至微小通道管束內(nèi)。為降低熱量損失，集氣段2和氣體連接段3均與外界絕熱，可采用在集氣段2外套 設(shè)絕緣材料或者直接選用由絕緣材料支撐的集氣段2或氣體連接段3。上述微小通道蒸發(fā)導熱裝置的實際運行過程為首先對導熱循環(huán)回路抽真空，然 后充入部分循環(huán)工質(zhì)，直至集液器6和液體連接管5內(nèi)全部充滿液態(tài)循環(huán)工質(zhì)，充注量為導 熱循環(huán)回路內(nèi)容積的10% 90%。由于微小通道管的毛細吸力，蒸發(fā)段1內(nèi)的微小通道管 束將通過下部進液口從集液器6中吸入循環(huán)工質(zhì)，在外部熱源的加熱下，循環(huán)工質(zhì)受熱氣 化蒸發(fā)，產(chǎn)生氣泡的泵效應，將循環(huán)工質(zhì)從蒸發(fā)段1的下部進液口逐步輸送到蒸發(fā)段1上 部的集氣段2中，氣化的循環(huán)工質(zhì)在壓力推動下沿著氣體連接段3進入冷凝段4中，由冷凝 段4外部的冷卻流體冷卻后，再次變成液體工質(zhì)，由于冷凝段4與微小通道管之間存在液位 差，冷凝段4內(nèi)的循環(huán)工質(zhì)液體會沿著液體連接管5和集液器6重新流回蒸發(fā)段1的下部 進液口，構(gòu)成一個循環(huán)。集氣段2內(nèi)沒有氣化完全的工質(zhì)沿著集氣段2的下坡度方向流入 回流段7，通過回流段7，循環(huán)工質(zhì)重新回到集液段6，再次進入蒸發(fā)段1下部進液口，開始再 次蒸發(fā)氣化循環(huán)。實施例2 如圖2所示，其結(jié)構(gòu)與實施例1所述的微小通道蒸發(fā)導熱裝置結(jié)構(gòu)基本相同，不同 之處在于，蒸發(fā)段1的高度高于冷凝段4的高度，同時在液體連接管5上設(shè)有液體泵8，液體 泵8前后可以裝閥門，也可以不安裝閥門，根據(jù)實際需要確定。本實施例的微小通道蒸發(fā)導 熱裝置實際運行過程中，液體泵8提供驅(qū)動力，驅(qū)使冷凝段4形成的液體流入到集液段6進 而進入到蒸發(fā)段1下端的進液口內(nèi)進行循環(huán)流動。
權(quán)利要求
1.一種微小通道蒸發(fā)導熱裝置，包括蒸發(fā)段(1)、冷凝段⑷以及將蒸發(fā)段⑴和冷凝 段(4)連成導熱循環(huán)回路的氣體連接段C3)和液體連接段(5)，其特征在于，所述的導熱循 環(huán)回路還包括設(shè)于蒸發(fā)段(1)與氣體連接段C3)之間的集氣段( 、設(shè)于蒸發(fā)段(1)與液體 連接段( 之間的集液段(6)以及設(shè)于集氣段( 與集液段(6)之間的回液段(7)；所述 的集氣段( 位于蒸發(fā)段(1)的上面；所述的集液段(6)位于蒸發(fā)段的下面；所述的蒸發(fā)段(1)內(nèi)包括若干并聯(lián)設(shè)置的微小通道管束；微小通道管束上端的出氣口 與集氣段( 下部的進氣口連通，集氣段O)的出氣口通過氣體連接段C3)與冷凝段(4) 的進氣口連通；微小通道管束下端的進液口與集液段(6)上部的出液口連通，集液段(6)下 部的進液口通過液體連接段( 與冷凝段(4)的出液口連通；所述的回液段(7)上端的進液口與集氣段( 下部的出液口連通，回液段(7)下端的 出液口與集液段(6)上部的進液口連通；所述的導熱循環(huán)回路內(nèi)充有循環(huán)工質(zhì)，循環(huán)工質(zhì)的充注量小于導熱循環(huán)回路內(nèi)總?cè)莘e。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小通道蒸發(fā)導熱裝置，其特征在于，所述的液體連接管(5) 上設(shè)有液體泵(8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微小通道蒸發(fā)導熱裝置，其特征在于，所述的微小通道管束相互平行設(shè)置，且微小通道管束的最大當量直徑不超過-丨，式中ο為循V APlrci -Pvap)環(huán)工質(zhì)的表面張力；P liq為液態(tài)循環(huán)工質(zhì)的密度，P vap為氣態(tài)循環(huán)工質(zhì)的密度，g為重力常 數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微小通道蒸發(fā)導熱裝置，其特征在于，所述的集氣段 O)、回液段(7)和氣體連接段C3)均與外界絕熱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微小通道蒸發(fā)導熱裝置，其特征在于，所述的集氣段(2) 的下部出液口位于集氣段( 底面的最低位置處。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微小通道蒸發(fā)導熱裝置，其特征在于，所述的循環(huán)工質(zhì)包 括四氟乙烷、甲醇、乙醇、25%的乙二醇溶液、一氟三氯甲烷或丙酮。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微小通道蒸發(fā)導熱裝置，其特征在于，所述的循環(huán)工質(zhì)的 充注量為導熱循環(huán)回路內(nèi)容積的10% 90%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微小通道蒸發(fā)導熱裝置，其特征在于，所述的微小通道管 束的管斷面形狀為矩形、圓形、三角形或橢圓形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微小通道蒸發(fā)導熱裝置，其特征在于，所述的回液段(7) 為大通徑管；所述的氣體連接段C3)和集氣段( 為一體設(shè)置，所述的液體連接段( 和集 液段(6)為一體設(shè)置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微小通道蒸發(fā)導熱裝置，其特征在于，所述的微小通道 管束的上端端部插入集氣段O)內(nèi)腔且其出氣口端面高于集氣段O)內(nèi)腔底面；所述的微 小通道管束下端端部插入集液段(6)內(nèi)腔且其進液口端面靠近集液段(6)內(nèi)腔底面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微小通道蒸發(fā)導熱裝置，包括蒸發(fā)段、冷凝段以及將蒸發(fā)段和冷凝段連成導熱循環(huán)回路的氣體連接段和液體連接段，所述的導熱循環(huán)回路還包括設(shè)于蒸發(fā)段與氣體連接段之間的集氣段、設(shè)于蒸發(fā)段與液體連接段之間的集液段以及設(shè)于集氣段與集液段之間的回液段；所述的集氣段位于蒸發(fā)段的上面；所述的集液段位于蒸發(fā)段的下面；所述的蒸發(fā)段內(nèi)包括若干并聯(lián)設(shè)置的微小通道管束；所述的導熱循環(huán)回路內(nèi)充有循環(huán)工質(zhì)，工質(zhì)充注量能使循環(huán)工質(zhì)在微小通道內(nèi)能形成穩(wěn)定的氣泡泵效應。本發(fā)明利用了微小通道的高傳熱效率、特有的氣泡泵效應，提高了蒸發(fā)段的傳熱效率，可用于冷卻、加熱或熱回收用領(lǐng)域。
文檔編號F28D15/02GK102116588SQ20111005216
公開日2011年7月6日 申請日期2011年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月4日
發(fā)明者劉利華, 唐黎明, 姜守忠, 陳光明 申請人:浙江大學, 浙江理工大學