螺旋盤管式非相變取熱裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種螺旋盤管式非相變取熱裝置。該螺旋盤管式非相變取熱裝置包括：取熱部件，其內部形成工質容納腔，其外部形成至少一個與熱源貼合的取熱面；以及螺旋盤管，設置于取熱部件的徑向外圍，沿其軸向延伸呈螺旋狀，其兩端分別通過連通管連接至取熱部件內部的工質容納腔，構成工質的密閉循環(huán)通路。本發(fā)明螺旋盤管式非相變取熱裝置采用螺旋盤管結構，取熱部件設置于螺旋盤狀結構的中間，克服了傳統(tǒng)熱管受重力影響較大的缺點，可以不受重力影響，在任意方位、任意角度的傳熱效果都突出。
【專利說明】螺旋盤管式非相變取熱裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)余熱回收和電子芯片冷卻等熱交換領域，尤其涉及一種螺旋盤管式非相變取熱裝置。
【背景技術】
[0002]熱交換現(xiàn)象廣泛存在于工業(yè)和工程領域，并且與人類生產生活息息相關。熱交換的基本要求是將熱量快速高效地從一個物體轉移到另一個物體，例如工廠的余熱回收是將煙氣或者乏汽的熱量轉移給工質進行再利用，電子器件的散熱是將電子器件產生的熱量迅速轉移到散熱器進而釋放到空氣中。
[0003]在已投運的工業(yè)企業(yè)耗能裝置中，原始設計未被合理利用的顯熱和潛熱稱為余熱。余熱資源普遍存在，各行業(yè)的余熱總資源約占其燃料消耗總量的17%?67%，其中可回收利用的部分約為余熱總資源的60%，因此余熱利用在節(jié)約能源中占有重要地位。通過熱交換器將余熱收集起來是余熱再利用的重要環(huán)節(jié)。
[0004]功耗問題已經成為制約電子器件發(fā)展的重要因素。例如計算機處理器、大功率LED燈等。隨著制造工藝的不斷升級，電子器件體積越來越小，單位體積的發(fā)熱量越來越大，巨大的發(fā)熱量無法得到有效轉移，嚴重限制了其性能發(fā)展。高效散熱設備的開發(fā)始終是需要持續(xù)研究的問題。
[0005]提高換熱效率對于降低能源消耗和促進工業(yè)發(fā)展都具有很重要的意義。在常規(guī)材料導熱性能達到極限時，為達到高效快速換熱目的，熱管技術在各個領域得到廣泛應用。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，內部被抽成負壓狀態(tài)，充入適當?shù)囊后w。管壁有吸液芯，其由毛細多孔材料構成。管的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)。其工作原理是:當熱量自高溫熱源傳入熱管時，處于熱管加熱段內的工質吸熱汽化變成蒸汽，蒸汽瞬間流向熱管另一端，到達另一端時遇冷放出潛熱后凝結成液體，冷凝液體沿吸液芯回流到加熱段，循環(huán)相變而實現(xiàn)熱量傳遞。在熱管導熱過程中，工質的循環(huán)相變換熱是熱管高效傳熱的重要支撐。熱管的到導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。將多根熱管組合排列在換熱器內形成熱管換熱器，冷熱流體均在熱管外部橫向流過，通過熱管軸向傳輸熱量。當加熱段在下，冷卻段在上，熱管呈豎直放置時，工作液體的回流靠重力足可滿足，無須毛細結構的吸液芯，這種不具有多孔體管芯的熱管被稱為熱虹吸管。熱虹吸管結構簡單，工程上廣泛應用。針對計算機處理器等體積小發(fā)熱量大的電子器件，熱管一端與之緊密接觸，快速將熱量傳導至另一端，然后通過與之相連接的翅片進行散熱。
[0006]然而，對于傳統(tǒng)的相變取熱器而言，傳統(tǒng)取熱器-管路-散熱器系統(tǒng)工作時受重力影響較大，無法實現(xiàn)多角度、多方位啟動。常規(guī)熱管的軸向導熱性很強，徑向并無太大的改善。受傳熱機理限制，熱管只能實現(xiàn)熱量從一端到另一端的傳導，無法實現(xiàn)多熱源耦合傳熱，在過載情況下也無法達到平穩(wěn)換熱效果。

【發(fā)明內容】
[0007](一 )要解決的技術問題
[0008]鑒于上述技術問題，本發(fā)明提供了一種螺旋盤管式非相變取熱裝置，以克服傳統(tǒng)熱管受重力影響較大的缺點，提高傳熱效果。
[0009]( 二)技術方案
[0010]本發(fā)明螺旋盤管式非相變取熱裝置包括:取熱部件，其內部形成工質容納腔，其外部形成至少一個與熱源貼合的取熱面；以及螺旋盤管，設置于取熱部件的徑向外圍，沿其軸向延伸呈螺旋狀，其兩端分別通過連通管連接至取熱部件內部的工質容納腔，構成工質的密閉循環(huán)通路。
[0011]優(yōu)選地，本發(fā)明螺旋盤管式非相變取熱裝置中，對于螺旋盤管，其最窄處的螺旋直徑D滿足:D > 2d，其中，d為取熱部件在螺旋盤管內徑向延伸的長度。
[0012]優(yōu)選地，本發(fā)明螺旋盤管式非相變取熱裝置中，對于螺旋盤管，其為以下形狀其中之一:其軸向兩端的直徑和中間的直徑相同；其軸向一端的直徑大于另一端的直徑；或其軸向兩端的直徑大于中間的直徑。
[0013]優(yōu)選地，本發(fā)明螺旋盤管式非相變取熱裝置中，取熱部件位于螺旋盤管軸向的中間位置或者一端。
[0014]優(yōu)選地，本發(fā)明螺旋盤管式非相變取熱裝置中，取熱部件位于螺旋盤管(20)軸向的中間位置
[0015]優(yōu)選地，本發(fā)明螺旋盤管式非相變取熱裝置中，螺旋盤管的整段或某一段的外側面具有散熱翅片。
[0016]優(yōu)選地，本發(fā)明螺旋盤管式非相變取熱裝置中，螺旋盤管的材料為以下材料其中的一種或多種組成的合金:不銹鋼、金、銀、鋁、鈦、鎳和銅。
[0017]優(yōu)選地，本發(fā)明螺旋盤管式非相變取熱裝置中，螺旋盤管的材料為銅或不銹鋼。
[0018]優(yōu)選地，本發(fā)明螺旋盤管式非相變取熱裝置中，螺旋盤管和連通管為一整段中空管或焊接在一起的三段中空管。
[0019]優(yōu)選地，本發(fā)明螺旋盤管式非相變取熱裝置中，連通管呈“L”形或直線形。
[0020]優(yōu)選地，本發(fā)明螺旋盤管式非相變取熱裝置中，螺旋盤管和連通管的內徑介于I?50毫米之間。
[0021]優(yōu)選地，本發(fā)明螺旋盤管式非相變取熱裝置包括多個取熱部件，該多個取熱部件通過并聯(lián)或串聯(lián)的方式連接至螺旋盤管的兩端。
[0022]優(yōu)選地，本發(fā)明螺旋盤管式非相變取熱裝置中，取熱部件的取熱面為平面或弧形面。
[0023]優(yōu)選地，本發(fā)明螺旋盤管式非相變取熱裝置中，取熱部件的取熱面為平面，取熱部件為長方形、正方形、半球形或半橢球形。
[0024]優(yōu)選地，本發(fā)明螺旋盤管式非相變取熱裝置中，工質為以下一種:蒸餾水、酒精、氟利昂、R113制冷劑、丙酮、氨或液態(tài)金屬。
[0025](三)有益效果
[0026]從上述技術方案可以看出，本發(fā)明螺旋盤管式非相變取熱裝置具有以下有益效果:
[0027](I)采用螺旋盤管結構，取熱部件設置于螺旋盤狀結構的中間，克服了傳統(tǒng)熱管受重力影響較大的缺點，可以不受重力影響，在任意方位、任意角度的傳熱效果都突出；
[0028] (2)取熱部件獲取的熱量在螺旋盤狀結構中傳導的過程中，實現(xiàn)了熱量的軸向傳導，同時盤管的螺旋形狀擺脫了傳統(tǒng)熱管單一形狀的束縛，熱量在各個方向同時傳導，導熱效率更聞;
[0029](3)取熱部件可以根據(jù)需要做成各種形狀多面受熱，多個取熱部件相連，實現(xiàn)了多熱源耦合傳熱。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例螺旋盤管式非相變取熱裝置的結構示意圖；
[0031]圖2A和圖2B分別為圖1所示螺旋盤管式非相變取熱裝置中取熱部件在水平面和豎直面的剖視圖；
[0032]圖3A和圖3B分別為根據(jù)本發(fā)明另兩實施例不同螺旋盤管形狀的螺旋盤管式非相變取熱裝置的結構示意圖；
[0033]圖4為根據(jù)本發(fā)明另一實施例取熱部件位于螺旋盤管內不同位置的螺旋盤管式非相變取熱裝置的結構示意圖；
[0034]圖5A和圖5B分別為根據(jù)本發(fā)明另兩實施例具有多個取熱裝置的螺旋盤管式非相變取熱裝置的結構示意圖。
[0035]【主要元件說明】
[0036]10-取熱部件；20-螺旋盤管；
[0037]21、22-端口 ；30-連通管。
【具體實施方式】
[0038]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應了解，參數(shù)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0039]本發(fā)明利用非相變傳熱的原理，運行時循環(huán)工質不存在相變過程，而是通過控制工質隨溫度的形變，使熱量更快地通過各物質單元傳導，實現(xiàn)了更為快速的傳熱，能夠承受很大的瞬態(tài)熱流。
[0040]在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種螺旋盤管式非相變取熱裝置。圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例螺旋盤管式非相變取熱裝置的結構示意圖。請參照圖1，本實施例螺旋盤管式非相變取熱裝置包括:
[0041]取熱部件10，其內部形成工質容納腔，其外部形成至少一個與熱源貼合的取熱面；
[0042]螺旋盤管20，設置于取熱部件10的徑向外圍，沿其軸向延伸呈螺旋狀，其兩端分別通過連通管30連接至取熱部件10內部的工質容納腔，構成工質的密閉循環(huán)通路；[0043]在工作過程中，工質受熱膨脹，熱源的熱量通過取熱部件10的受熱面?zhèn)鬟f至工質，形成的熱波在工質里沿循環(huán)通路傳遞，通過螺旋盤管20散發(fā)出去。
[0044]本實施例中，采用螺旋盤管結構，克服了傳統(tǒng)熱管受重力影響較大的缺點，可以不受重力影響，在任意方位、任意角度的傳熱效果都突出。
[0045]以下分別對本實施例螺旋盤管式非相變取熱裝置的各個組成部分進行詳細說明。
[0046]本實施例中，取熱部件10為內部中空的長方體。外形尺寸范圍為:長15~500毫米，寬15~500毫米，高15~500毫米，壁厚I~20毫米。
[0047]圖2A和圖2B分別為圖1所示螺旋盤管式非相變取熱裝置中取熱部件在水平面和豎直面的剖視圖。請參照圖1、圖2A和圖2B所示，除了連接連通管的頂面和地面之外的四個側面4a、4b、4c、4d均可作為取熱面，兩個端口 21和22位于上下相對的頂面和底面上。
[0048]本領域技術人員應當清楚，取熱部件10外形沒有限制，可以根據(jù)需要設計為任意形狀，如長方形、正方形、半球形、半橢球形，只要其具有一個或多個與熱源貼合的受熱面，并且內部具有容納工質的工質容納腔即可。并且，受熱面不限于平面，其也可以是弧形面或其他形狀。熱源可以是需要散熱的電子器件或者攜帶有工業(yè)余熱的廢氣、乏汽等。
[0049]在取熱部件10的徑向外圍，設置螺旋盤管20。螺旋盤管20在整體上呈沿軸向延伸的螺旋狀，其軸向的長度大于取熱部件10沿該螺旋盤管20軸向的長度，取熱部件10位于該螺旋盤管20軸向的中間位置。該螺旋盤管20的螺旋直徑介于5mm~1000mm之間，螺旋圈數(shù)和間距不限。螺旋 盤管20為銅管，其橫截面為圓形，尺寸范圍是:內徑為I~50毫米，壁厚I~10毫米。
[0050]本實施例中，螺旋盤管20軸向的兩端和中間的直徑相同，如圖1所示。但本發(fā)明并不以此為限，該螺旋盤管20軸向兩端和中間的直徑可以根據(jù)容置空間的需要進行設計，例如，該螺旋盤管10可以是:(1) 一端直徑大，另一端直徑小的螺旋盤狀結構，如圖3A所示；或兩端直徑大，中間直徑小的螺旋盤狀結構，如圖3B所示。
[0051]本實施例中，取熱部件10位于螺旋盤管20軸向的中間位置。需要說明的是，本實施例僅為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。在本發(fā)明的其他實施例中，該取熱部件10還可以位于螺旋盤管20的上端和下端，如圖4所示。
[0052]在本發(fā)明其他的優(yōu)選實施例中，為了增加螺旋盤管的散熱效率，在螺旋盤管的整段或某一段的外側面還具有散熱翅片。該散熱翅片可以是環(huán)狀或者其他常見翅片形狀。
[0053]此外，本發(fā)明對螺旋盤管橫截面形狀沒有限制，只需滿足當量直徑大于內徑I毫米圓管的當量直徑。螺旋盤管的材料還可以是不銹鋼、金、銀、鋁、鈦、鎳和銅等金屬、合金，或者其他散熱良好的材料。優(yōu)選地，螺旋盤管的材料為銅或不銹鋼。并且，優(yōu)選地，螺旋盤管20最窄處的螺旋直徑D滿足:D ^ 2d，其中，d為取熱部件10在螺旋盤管20內徑向延伸的長度。
[0054]請參照圖1，螺旋盤管20的兩端通過L形的連通管30連接至取熱部件10內部的工質容納腔。螺旋盤管20和連通管30連接處采用普通焊接技術焊接。從而，取熱部件10的工質容納腔、螺旋盤管20、豎直連通管30共同組合成完整的密閉循環(huán)通路。該密閉循環(huán)通路內部抽成真空，填充有蒸餾水作為工質。
[0055]本領域技術人員應當清楚，連通管30的形狀不局限于L形，其同樣可以為直線形，只要實現(xiàn)將取熱部件10內部的工質容納腔連通至外圍的螺旋盤管20即可。此外，除了蒸餾水之外，工質還可以是酒精、氟利昂、R113制冷劑、丙酮、氨或液態(tài)金屬，如鉀、鈉等。
[0056]此外，還需要說明的是，雖然本實施例中對于螺旋盤管和聯(lián)通管采用不同的標號進行表述，事實上，螺旋盤管和連通管可以是一整段中空管彎折為相應的形狀，也可以是分離的多段中空管經焊接而成。
[0057]本實施例中，熱量在取熱器傳遞過程中，自取熱部件沿循環(huán)回路向各個方向傳遞，擺脫了傳統(tǒng)熱管熱量傳遞方向單一的局限性，導熱效率更高。
[0058]以下介紹本實施例螺旋盤管式非相變取熱裝置的工作原理:取熱部件10的一個或者多個受熱面與熱源緊密接觸，吸收來自熱源的熱量之后，將熱量傳給內部的工質，工質受熱膨脹，形成熱波在工質里沿循環(huán)回路傳遞，迅速將熱量傳遞到螺旋盤管，通過螺旋盤管將熱量散發(fā)出去。
[0059]實驗證明，本實施例螺旋盤管式非相變取熱裝置工質為蒸餾水，在其工作范圍20°C?300°C內工作良好。對于氨或R113制冷劑等工質，工作溫度為-60°C?100°C，對于汞等工質，工作溫度為250°C?650°C，對于鈉、鉀等液態(tài)金屬工質，工作溫度為400°C?1000。。。
[0060]至此，本實施例螺旋盤管式非相變取熱裝置介紹完畢。
[0061]在本發(fā)明的其他實施例中，還提供了另外的兩種螺旋盤非相變取熱裝置。該兩種螺旋盤非相變取熱裝置與上述實施例的不同之處在于，其包括多個取熱部件。
[0062]在本發(fā)明的另一實施例中，請參照圖5A，兩個取熱部件呈并聯(lián)方式，通過各自的豎直連通管分別與螺旋盤管連接，各自與螺旋盤管形成回路。
[0063]在本發(fā)明的再一實施例中，請參照圖5B，兩個取熱部件呈串聯(lián)方式，相互連通然后和螺旋盤管連接，共用一個連通回路，共同連通至螺旋盤管。
[0064]本領域技術人員應當清楚，取熱部件數(shù)量可以任意增加，對于任意數(shù)量以及任意連接的取熱部件，只需滿足所有取熱部件都位于螺旋盤管即可，各個取熱部件的相對位置沒有限制。
[0065]至此，已經結合附圖對本發(fā)明多個實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領域技術人員應當對本發(fā)明螺旋盤非相變取熱裝置有了清楚的認識。
[0066]此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換。
[0067]綜上所述，本發(fā)明提供一種螺旋盤管式非相變取熱裝置。該螺旋盤管式非相變取熱裝置采用螺旋盤管結構，取熱部件設置于螺旋盤狀結構的中間，克服了傳統(tǒng)熱管受重力影響較大的缺點，熱量同時向各個方向傳導，導熱效率更高。
[0068]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種螺旋盤管式非相變取熱裝置，其特征在于，包括: 取熱部件(10)，其內部形成工質容納腔，其外部形成至少一個與熱源貼合的取熱面；以及 螺旋盤管(20)，設置于所述取熱部件(10)的徑向外圍，沿其軸向延伸呈螺旋狀，其兩端分別通過連通管(30)連接至所述取熱部件(10)內部的工質容納腔，構成工質的密閉循環(huán)通路。
2.根據(jù)權利要求1所述的螺旋盤管式非相變取熱裝置，其特征在于，對于所述螺旋盤管(20)，其最窄處的螺旋直徑D滿足:D ^ 2d，其中，d為所述取熱部件(10)在所述螺旋盤管(20)內徑向延伸的長度。
3.根據(jù)權利要求1所述的螺旋盤管式非相變取熱裝置，其特征在于，對于所述螺旋盤管(20)，其為以下形狀其中之一: 其軸向兩端的直徑和中間的直徑相同； 其軸向一端的直徑大于另一端的直徑；或 其軸向兩端的直徑大于中間的直徑。
4.根據(jù)權利要求1所述的螺旋盤管式非相變取熱裝置，其特征在于，所述取熱部件(10)位于所述螺旋盤管( 20)軸向的中間位置或者一端。
5.根據(jù)權利要求4所述的螺旋盤管式非相變取熱裝置，其特征在于，所述取熱部件(10)位于所述螺旋盤管(20)軸向的中間位置
6.根據(jù)權利要求1所述的螺旋盤管式非相變取熱裝置，其特征在于，所述螺旋盤管的整段或某一段的外側面具有散熱翅片。
7.根據(jù)權利要求1所述的螺旋盤管式非相變取熱裝置，其特征在于，所述螺旋盤管(20)的材料為以下材料其中的一種或多種組成的合金:不銹鋼、金、銀、招、鈦、鎳和銅。
8.根據(jù)權利要求7所述的螺旋盤管式非相變取熱裝置，其特征在于，所述螺旋盤管(20)的材料為銅或不銹鋼。
9.根據(jù)權利要求1所述的螺旋盤管式非相變取熱裝置，其特征在于，所述螺旋盤管(20)和連通管(30)為一整段中空管或焊接在一起的三段中空管。
10.根據(jù)權利要求1所述的螺旋盤管式非相變取熱裝置，其特征在于，所述連通管(30)呈“L”形或直線形。
11.根據(jù)權利要求1所述的螺旋盤管式非相變取熱裝置，其特征在于，所述螺旋盤管(20)和連通管(30)的內徑介于I~50毫米之間。
12.根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的螺旋盤管式非相變取熱裝置，其特征在于，包括多個所述取熱部件，該多個取熱部件通過并聯(lián)或串聯(lián)的方式連接至所述螺旋盤管(20)的兩端。
13.根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的螺旋盤管式非相變取熱裝置，其特征在于，所述取熱部件的取熱面為平面或弧形面。
14.根據(jù)權利要求13所述的螺旋盤管式非相變取熱裝置，其特征在于，所述取熱部件的取熱面為平面，所述取熱部件為長方形、正方形、半球形或半橢球形。
15.根據(jù)權利要求1至11中任一項所述的螺旋盤管式非相變取熱裝置，其特征在于，所述工質為以下一種:蒸餾水、酒精、氟利昂、R113制冷劑、丙酮、氨或液態(tài)金屬。
【文檔編號】F28D15/00GK103954155SQ201410194345
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權日:2014年5月9日
【發(fā)明者】鄭興華, 岳鵬, 李玉華, 邱琳, 唐大偉 申請人:中國科學院工程熱物理研究所