以银-水纳米流体为工质的并联式脉动热管

摘要

本发明的以银-水纳米流体为工质的并联式脉动热管，包括有由液塞与汽塞相间分布的多条支管和由液塞与汽塞相间分布的两条总管，所述的多条支管与两条总管相垂直的连接在两条总管之间，所述的多条支管和两条总管之间相互连通，其中，一条总管构成加热端，另一条总管构成冷凝端，所述的构成冷凝端的总管上通过连通管依次连接充液截止阀和三通阀，所述三通阀的第二端口连接充液口，所述三通阀的第三端口通过抽气截止阀连接抽气口，从充液口所充入的液体工质是银-水纳米流体。本发明能够稳定启动，传热良好，运行状态稳定。本发明采用银-水纳米流体作为工质，从工质热物性的角度实现了降低启动功率，提高传热上限，并且运行稳定的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉动热管。特别是涉及一种启动功率低，传热上限高的以银-水纳米流体为工质的并联式脉动热管.

背景技术

脉动热管(pulsating heat pipe)是一种新型热管，具有结构简单，成本低等优点。最早由Akachi于上世纪90年代提出，现在已经成功用于电子设备冷却。脉动热管内工质受表面张力影响，在槽道内形成随机分布的汽、液塞。在蒸发段，工质蒸发形成汽泡，随之迅速膨胀和升压，推动工质流向低温冷凝段，汽泡冷凝并收缩破裂，压力下降。由于两段存在压差以及相邻槽道之间压力不平衡，工质在蒸发段和冷凝段之间振荡流动，从而实现热量传递。

众多影响脉动热管运行特性的参数中，工质的选择是重要的一类。近年来不少研究学者在工质对脉动热管传热性能的影响方面进行了广泛研究。主要的工质包括超纯水(或蒸馏水)、乙醇、丙酮，含有铜纳米颗粒的流体等。对于乙醇和丙酮，它们的启动功率相对水来说较低，但是传热极限不高，而水的传热极限相对乙醇和丙酮来说较高但是启动功率也高。中国专利ZL200710026286.0介绍了采用微胶囊相变蓄热流体为工质的脉动热管式散热板。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够从工质热物性的角度实现了降低启动功率，提高传热上限，并且运行效果稳定的以银-水纳米流体为工质的并联式脉动热管。

本发明所采用的技术方案是：一种以银-水纳米流体为工质的并联式脉动热管，包括有由液塞与汽塞相间分布的多条支管和由液塞与汽塞相间分布的两条总管，所述的多条支管与两条总管相垂直的连接在两条总管之间，所述的多条支管和两条总管之间相互连通，其中，一条总管构成加热端，另一条总管构成冷凝端，所述的构成冷凝端的总管上通过连通管依次连接充液截止阀和三通阀，所述三通阀的第二端口连接充液口，所述三通阀的第三端口通过抽气截止阀连接抽气口，从充液口所充入的液体工质是银-水纳米流体。

所述的构成冷凝端的总管上通过连通管连接真空表。

所述的多条支管和两条总管的管径满足：

$0.7\sqrt{\frac{\sigma }{({\rho }_{\mathrm{lip}}-{\rho }_{\mathrm{vap}})·g}}\le D\le 1.83\sqrt{\frac{\sigma }{({\rho }_{\mathrm{lip}}-{\rho }_{\mathrm{vap}})·g}}$

式中，σ为工质表面张力，ρ_lip为工质的液相密度，ρ_vap为工质的气相密度，D为管径。所述的多条支管和两条总管采用铜质毛细管。

采用双级旋片式真空泵通过抽气口进行抽真空。

本发明的以银-水纳米流体为工质的并联式脉动热管，竖直情况下，加热功率为63.5W就能够稳定启动，传热上限能达到600W。与水平夹角60°时，当加热功率为425W-567W之间时，脉动热管的热端温度脉动稳定，传热良好，从80℃附近上升至90℃附近。当功率上升至641W时，热端有一根热电偶开始骤然升温至115℃附近，出现局部过热，随着加热功率为695W而升至120℃，但是壁面温度仍然在高温状态下脉动，运行状态稳定。本发明采用银-水纳米流体作为工质，从工质热物性的角度实现了降低启动功率，提高传热上限，并且运行稳定的效果。

附图说明

图1是以银-水纳米流体为工质的并联式脉动热管结构示意图；

图2是加热功率63.25W时以水为工质启动时热端温度变化曲线；

图3是加热功率为104.3W以水为工质启动时热端温度变化曲线；

图4是加热功率为61.56W纳米流体启动时壁面温度的变化曲线；

图5是采用水为工质在竖直状态高功率下的热端温度曲线；

图6是采用纳米流体为工质在竖直状态高功率下的热端均温曲线；

图7是倾角60°时采用水为工质在高功率下的热端温度曲线；

图8是倾角60°时采用纳米流体为工质在高功率下的热端温度曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的以银-水纳米流体为工质的并联式脉动热管做出详细说明。

如图1所示，本发明的以银-水纳米流体为工质的并联式脉动热管，包括有由液塞10与汽塞11相间分布的多条支管2和由液塞10与汽塞11相间分布的两条总管1，所述的多条支管2与两条总管1相垂直的连接在两条总管1之间，所述的多条支管2和两条总管1之间相互连通，其中，一条总管1构成加热端9，另一条总管1构成冷凝端8，其特征在于，所述的构成冷凝端8的总管1上通过连通管依次连接充液截止阀5和三通阀3，所述三通阀3的第二端口连接充液口6，所述三通阀3的第三端口通过抽气截止阀4连接抽气口7，从充液口6所充入的液体工质是银-水纳米流体。所述的构成冷凝端8的总管1上还通过连通管连接真空表12。

所述的多条支管2和两条总管1的管径满足：

$0.7\sqrt{\frac{\sigma }{({\rho }_{\mathrm{lip}}-{\rho }_{\mathrm{vap}})·g}}\le D\le 1.83\sqrt{\frac{\sigma }{({\rho }_{\mathrm{lip}}-{\rho }_{\mathrm{vap}})·g}}---\left(1\right)$

式中，σ为工质表面张力，ρ_lip为工质的液相密度，ρ_vap为工质的气相密度，D为管径。

采用真空度高(可将系统的绝对压力抽至0.2Pa)的双级旋片式真空泵通过抽气口7进行抽真空，通过充液口6进行工质的充注，通过调节抽气截止阀4和充液截止阀5实现管路与外界的通断。

本发明的以银-水纳米流体为工质的并联式脉动热管，首先选用蒸馏水作为工质，按照公式(1)确定选用管径范围在1.73～4.54mm，根据相溶性原则选用铜质毛细管。

用铜质毛细管制作银-水纳米流体并联式脉动热管，进行传热性能研究，按照图1所示的结构提供实验测试条件。先打开抽气截止阀4和充液截止阀5，采用双级旋片式真空泵(可将系统的绝对压力抽至0.2Pa)通过抽气口6抽真空，观察真空表的示数，当达到真空度要求时关闭抽气截止阀4，关闭真空泵。通过真空表12能够显示初始真空度和系统运行中的实时压力变化。然后通过充液口6充入工质，关闭充液截止阀5。

在加热端8的总管1上均匀缠绕包有绝缘玻璃丝的镍铬加热丝，实现均匀加热，并安装电压表和电流表监测加热功率。在冷凝端7装有冷却水箱，通过水域冷却。在加热端8和冷凝端7分别均匀布置温度测点，对热端和冷端的温度实现实时监测，在加热端设有测点111、112、113、114和115(图1中未示出)。

下面，通过在相同的热工条件下进行实验，对采用蒸馏水和银-水纳米流体作为工质的并联式脉动热管性能进行对比。

实验1：选用工作介质为蒸馏水和质量浓度为0.05％的银-水纳米流体，充液率为35％，竖直状态下对低加热功率并联式脉动热管的启动进行研究。

如图2所示，当采用水作为工质加热功率为63.25W时，热端均匀布置的热电偶测点(111、112、113、114和115)显示壁面温度变化剧烈，脉动热管不能稳定启动，温度脉动范围高达20℃。如图3所示，当加热功率为104.3W启动脉动热管，热端温度变化情况有很大改善。起初在0-900s之内脉动较均匀，但是900s以后有两个温度测点开始出现大幅振荡，这说明此时脉动热管的运行仍然不稳定。图4表明，当加热功率为61.56W时，以银-水纳米流体为工质的脉动热管已经可以正常稳定启动，均匀布置在热端的温度测点显示脉动幅度较小，最高振幅约5℃。综合上图说明，采用银-水纳米流体为工质可以有效降低启动功率。

实验2：选用工作介质为蒸馏水和质量浓度为0.05％的银-水纳米流体，充液率为35％，竖直状态下对不同加热功率并联式脉动热管的传热上限进行研究。

从图5可知，当加热功率约416W时，采用水作为工质的热端温度能达到90℃，继续提高加热功率出现了局部烧干状态。从图6可知，采用纳米流体作为工质，在427W附近热端均温在80℃附近脉动，脉动热管正常运行，不存在局部烧干。并且通过实验证实，当加热功率高达600W时，脉动热管可以运行传热，局部会存在过热现象。

实验3：选用工作介质为蒸馏水和质量浓度为0.05％的银-水纳米流体，充液率为35％，与水平夹角为60°状态下对不同加热功率并联式脉动热管的传热上限进行研究。

从图7可知，脉动热管在低充液率下有倾角时运行工况不稳定，当加热功率为275W时还不能稳定运行，加热功率为423W时壁面温度变化剧烈，随着加热功率的继续升高，不能实现有效的脉动。从图8可知，当加热功率为425W-567W之间时，脉动热管的热端温度脉动稳定，传热良好，从80℃附近上升至90℃附近。当功率上升至641W时，热端有一根热电偶开始骤然升温至115℃附近，出现局部过热，随着加热功率为695W而升至120℃，但是壁面温度仍然在高温状态下脉动，运行状态较好。综合以上说明，在有倾角运行时纳米流体脉动热管能有效提高传热上限。