[发明专利]一种非单向中间热点保护的自循环高效热管

说明书

本发明公开了一种非单向中间热点保护的自循环高效热管，其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。本发明利用微结构设计实现自循环，采用多孔结构强化沸腾吸热区的沸腾相变换热，并耦合多孔吸液功能适当设计多孔液相通道和沟槽气相通道，加快气液在相变过程中的输送和传输；同时利用多孔液相通道的吸液作用加快放热冷凝区冷凝液的脱离，强化冷凝相变换热；实现对中间高热流密度区的热保护功能，具有重大的实际应用价值。

技术领域

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。

发明内容

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。