新型三维螺旋冷凝结构纳米脉动热超导装置

摘要

本发明涉及一种热超导装置，特别是涉及一种新型三维螺旋冷凝结构纳米脉动热超导装置。本发明冷却管芯的外表面上螺旋缠绕有冷凝管形成至少一个三维冷凝段，每个三维冷凝段两端分别与蒸发管相连形成相互连通的，由三维冷凝段和蒸发管组合形成的三维平面蛇形管网内充有工质。本发明在冷却管芯上螺旋缠绕有冷凝管，通过向冷却管芯内流通冷却循环流体，移走蛇形蒸发管蒸发段传输过来的热量，达到传热效率可调，增加了输入热量的利用率，可以增加传热面积，起到增加传热效率的作用。

说明书

技术领域：

本发明涉及三维螺旋冷凝结构（纳米）脉动热超导装置，可广泛用于中高温太阳能集 热、多芯片电子元仪器散热、大平面雷达芯片散热、大功率动力电池冷却或恒温加热、LED显 示屏、电磁装置冷却领域。

技术背景

现代先进微电子装置是由大量的芯片和电子元器件组成的，元器件的热量主要来 自自身的阻性载荷，如变压器、集成电路、大功率晶体管、大功率电阻等，它们所产生的热量 大部分以热传导、对流和辐射的形式散发到周围介质中，只有少部分以电磁波的形式散出。 随着电子元器件集成度的提高和制造工艺的完善电子设备的体积越来越小；同时为了满足 用户对高性能的需求，电子装置的功率也越来越大；另外为了美观和防潮、防雨雪等电子设 备都采取了必要的封装措施。基于这三个方面的原因电子装置的热流密度越来越大。如何 对它们进行有效的散热已经成为众多厂家面临的一个难题，因为散热技术的高低决定了电 子产品销售的成败。

电子产品的发展趋势要求散热手段应具有紧凑性、可靠性、灵活性、散热效率高、 不需要维修等特点。电子设备的热耗随功率的增加而增加，这使得单位容积内电子器件的 发热量不断增大，有些电子器件工作时的表面热流度已达数十瓦每平方厘米。当温度升高 到一定温度时，电子元件将无法正常使用，电子设备的可靠性受到影响。电子设备的运行实 践表明:随温度的增加，电子元器件的失效率呈指数增长，对于有些电子器件，环境温度每 升高10℃，失效率甚至会增大一倍以上，这在不同程度上降低了设备的可靠性。此外，由于 设计理念的转变，电子器件的封装度不断提高，小型化、模块化成为电子设备的发展趋势， 这就对电子设备的热设计提出了更高的要求，科学、有效的冷却系统设计就显得尤为重要。 导致电子设备失效的因素中，温度占55%。

世界性的能源消耗增长导致化石能源的消耗殆尽和对地球环境的严重污染，尤其 在中国尤为严重，全国性的持续雾霾，就是最好的见证。利用可再生能源解决人类对能源的 依赖是未来发展的方向。太阳能就是万物取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源。高效吸收 太阳能辐射能量也是亟待解决的问题。

这就迫切需要稳定高效的、小型的换热设备来解决电子器件的散热问题。目前，已 经出现了多种高效的散热技术，较为典型的是热管、微通道和制冷芯片等散热技术，其中传 统的热管技术发展相对比较成熟。20世纪90年代，日本学者Akachi提出了一种不同于传统 热管的新型传输方式热超导技术，利用工质在特殊结构里相变时产生脉冲为驱动力，称为 振荡热管（OscillatingHeatPipe,PHP）或脉动热管（PulsatingHeatPipe,OHP）。近十 年间，随着散热问题的日益突出，振荡热管的研究和开发也变得越来越活跃。

脉动热管具有结构简单、设计灵活、成本低、体积小、极限热流密度高等优点，为实 现高效换热提供了一种新的选择。目前脉动热管的应用主要集中在大规模集成电路芯片和 多芯片模块的热控制。

本专利针对目前国家重点发展的太阳能热发电技术中集热系统存在的温度低、承 压能力差、回收利用率低、不稳定不连续、不易储放等等问题，以及航空航天、军事、微电子 工业等高端装备制造急需的大规模散热冷却技术问题，开发设计新型三维冷凝脉动热超导 装置，以期提高能源利用率，达到高效利用能源的目的，实现节能减排和新能源利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维螺旋冷凝结构脉动热超导装置，该装置能提高能 源利用率，达到高效利用能源的目的，实现节能减排和新能源利用。

本发明目的通过下列方式实现：

本发明包括：冷却管芯，所述冷却管芯的外表面上螺旋缠绕有冷凝管形成至少一个三 维冷凝段，每个三维冷凝段两端分别与蒸发管相连形成相互连通的，由三维冷凝段和蒸发 管组合形成的三维平面蛇形管网内充有工质。

所述冷却管芯采用不锈钢、低碳钢、铝合金、铜、铜合金或钛合金材料加工而成，所 述冷却管芯两端头部设有波纹膨胀节，端头采用直管口或外螺纹连接。

所述蒸发管由不锈钢、低碳钢、铝合金、铜、铜合金或钛合金金属材料弯曲成多个U 形管，每相邻的两个U形管的首端及尾端通过三维冷凝段相连通，形成相互连通的三维平面 蛇形管网。

所述三维平面蛇形管网可以是首尾相连形成闭合回路，也可以是两头封死的开式 结构。

所述三维平面蛇形管网可以直接固定到热源上，也可以焊接到加热薄板。

所述螺旋缠绕有冷凝管采用不锈钢、低碳钢、铝合金、铜、铜合金或钛合金弯曲成 三维螺旋形状，紧密缠绕于集热循环核心管上，或通过绝缘保温压紧块粘结后焊接或通过 金属膜压紧、粘贴与集热循环核心管上。

所述冷凝管通过外延导热翅片固定在集热循环核心管上。

所述螺旋缠绕有冷凝管与蒸发管一体成型或分体焊接后成一体。

所述工质采用超纯水、甲醇、乙醇、丙酮、R134a或R22纯物质，或在上述单一流体中 添加金纳米颗粒、碳纳米管、铝纳米颗粒、铜或陶瓷纳米颗粒和均相悬浮剂形成的纳米流 体，按体积比添加的纳米颗粒量占流体总量的1-15%，并在真空状态下，在三维蛇形管网中 充入占管网体积30%-60%的工质，在三维蛇形管网内形成气液固三相共存工质。

本发明优点：

1、本发明在冷却管芯上螺旋缠绕有冷凝管，在冷却管芯形成冷凝段结构，通过向冷却 管芯内流通冷却循环流体，移走蛇形蒸发管蒸发段传输过来的热量。改变了传统脉动热管 的冷凝段结构和冷却方式。

2、螺旋冷凝段结构的螺旋圈数，通过在冷却管芯外部螺旋缠绕不同圈数的螺旋冷 凝管，达到传热效率可调、减小传热面积的目的，改变了传统脉动热管的冷凝管效率单一、 空间占用大的缺点。

3、增加加热板，通过增加加热板，对U形蒸发管进行均匀加热，增加了输入热量的 利用率。

4、螺旋冷凝段结构和冷却管芯通过绝缘保温块压紧和粘结后焊接金属膜的方式 进行连接。通过螺旋缠绕和压紧的方式将冷凝管和冷却管芯管进行连接，再在螺旋冷凝管 和冷却管芯之间通过粘结后焊接金属膜的方式进行连接，即可以增加螺旋冷凝段和冷却管 芯1之间的传热通量，又可以增加传热面积，起到增加传热效率的作用。

本发明主要具有以下特点：

（1）该装置可以在不同的使用角度下启动运行；

（2）该装置被加热流体与热超导装置间接换热，可以使用不同材质组合而成，不仅可以 提高性能，降低制造成本，而且可以增加使用寿命；

（3）该装置采用三维多螺旋结构冷凝管，紧密缠绕在冷却管芯上，显著降低装置总热 阻，从而提高能源利用效率和品质；

（4）装置可以通过金属板对脉动热管蒸发段进行加热，使脉动热管蒸发段均匀受热，易 于形成连续脉冲流；

（5）装置可以设计成首尾相接的闭式环路，也可以首尾不想接的开式环路，便于制造和 使用；

（6）装置结构简单，体积小，制造成本低，传热效率高，可靠性好；

（7）使用范围宽广，本发明可广泛用于中高温太阳能集热、电子元器件散热、大平面热 量雷达面、大功率动力电池冷却或恒温加热、LED照明或显示、电磁体冷却等用途；

（8）功能改造升级：在该发明基础上，可以延伸多方面的先进装置。本发明结构简单，在 保持基本结构不变的条件下，实现外形和功能的改造升级，同时还方便连接其他附属设备。

附图说明

图1为本发明闭合式三维冷凝结构脉动热超导管基本结构示意图；

图2为图1的另一种实施方式结构示意图；

图3为本发明开放式三维冷凝结构脉动热超导管基本结构示意图；

图4为图3另一种实施方式结构示意图；

图5为图1的冷凝管带外延导热翅片结构示意图；

图6为图5的侧视图；

图7为图6的蒸发管带吸收加热板结构示意图；

图8为图7的侧视图；

图9为冷凝管带保温压紧结构示意图；

图10为图9的侧视图；

图11为蒸发管带吸收加热板结构示意图；

图12为图11的侧视图。

具体实施方式

实施例1

见图1-2，闭合式三维冷凝结构脉动热超导管或粘结绝缘保温压紧块8

由冷却管芯1、冷凝管2、五个U形蒸发管3、管内工质4、充液管5、蒸发管加热薄板6、焊接 金属膜7，冷却管芯1两端头部设有连接端，靠近两连接端处分别设有波纹膨胀节，冷却管芯 1外表面上分别螺旋缠绕有六组冷凝管2形成六组三维螺旋冷凝管，第一组三维螺旋冷凝管 的首端口与闭合回路首端口连接，第一组三维螺旋冷凝管尾端口与第一个U形蒸发管3的首 端口连接，第一个U形蒸发管3的尾端口与第二组三维螺旋冷凝管的首端口连接；第二组三 维螺旋冷凝管的尾端口与第二个U形蒸发管3首端口连接；按此方式依次连接，第六组三维 螺旋冷凝管的尾端口与闭合回路尾端口连接，闭合回路底部具有充液管5。实现高效热量传 输。发明装置中，冷却管芯1可由10-50mm的不锈钢、低碳钢、铝合金、铜或钛合金金属或陶瓷 材料经过加工波纹膨胀节和两端连接结构（直管、外螺纹、内螺纹或法兰等）而成。冷却管芯 1的主要功能是加热或冷却流过管子的目标流体；螺旋冷凝管2可由1.5-5.0mm的不锈钢、铝 合金或铜（合金）金属管紧密螺旋（三维螺旋结构）缠绕于冷却管芯1外表面上，减小接触热 阻，可以通过焊料焊接、耐温粘结金属膜7缠绕或隔热材料结构件压紧方式处理。三维螺旋 冷凝管的主要功能室将蒸发段脉冲过来的液体工质冷凝，释放出热量有效传到给流过冷却 管芯1的流体；蛇形蒸发盘管3可由1.5-5.0mm不锈钢、铝合金或铜（合金）金属材料经多个U 形弯曲组成相互连通的平面蛇形盘管（可以是首尾相连形成闭合回路，也可以是两头封死 的开式结构），蛇形蒸发盘管3主要功能是吸收加热源的热量，在蛇形蒸发盘管3内工质气 化，形成脉动振荡，把热量传输到冷凝段；蛇形蒸发盘管可以直接固定到热源上使用，也可 以焊接到加热薄板6，用于大平面热源或冷却面；装置加工完毕后，应用脱脂剂、碱洗、酸洗 或超声波水洗过程，在真空状态下通过充液管5充入工质4，并密封装置。工质采用超纯水、 甲醇、乙醇、丙酮或R134a单一工质；或在单一工质内添加金、氧化铝、碳纳米管、铜或陶瓷纳 米颗粒和悬浮剂形成气液固三相共存工质。

本发明三维冷凝结构纳米脉动热超导板，针对高温太阳能集热、电子元器件散热、 大平面热量雷达面、大功率动力电池冷却或恒温加热、LED照明或显示、电磁体冷却用途，设 计新型结构脉动热管。提高能源利用率，节约能源，零排放利用。

装置设计：

外形尺寸：800x850x38mm（宽x长x厚）

蒸发段加热板6：铝合金薄板，800x800mm，厚度：0.40mm

U形蒸发管3间距：40mm；

U形蒸发管3直径：Φ3.0×0.3mm；

U形蒸发管段长度：800mm

U形蒸发管3数量：20个；

环状形式：闭路；

冷却管芯1：材质：C1100，直径：Φ32.0mm，长度：850mm；

三维螺旋冷凝管：螺旋外径：32mm，螺旋数量：4圈，接触形式：焊接；

工质：丙酮+纳米氧化铝；

技术性能参数：

启动功率：<150W

加热功率：150-30000W

热流密度：50W/cm²

传热极限：>40000W

最小传热热阻：0.050℃/W

使用温度：20-300℃

三维冷凝结构纳米脉动热超导装置(图-1和图-2)的基本原理是：在真空状态下，将工 质4按照设定量充入按照上述结构加工制造的三维脉动热超导装置中，密封后形成一个三 相（气-液-固）共存体，工质4会在表面张力的作用下在细小蛇形蒸发管3内形成无数连续的 气塞和液塞。外界热源通过蒸发管3或焊接到蒸发管3上的金属薄膜7进行加热，热量通过加 热板6均匀传到蛇形蒸发管3管壁上，蛇形蒸发管3管内充入的液相工质吸热气化，使蒸发段 的压力增高，形成气相段，从而推动前面液塞或气塞向螺旋冷凝段移动，临近的液塞也会由 于压力的增大和热量的传输而气化运动。如此在蒸发段的每个管内，形成大量的气液塞运 动，有序的将气相工质推向冷凝段，被加热的流体流经冷却管芯1吸收热量。当气塞连续不 断涌向螺旋冷凝管时，气塞受到来自冷凝管芯1较冷循环流体的冷却，冷凝结成液体，放出 潜热，通过管壁传导给循环冷却流体；在管壁表面张力的作用下冷凝液形成液体塞，在螺旋 冷凝管中形成反向毛细力，形成脉动推动力，流回到蒸发管3的蒸发段，无数气液活塞流就 这样在管中往复运动，进行热量交换。如此反复，蒸发段的热量在毛细力形成的持续不断的 脉动作用下，传递到了冷凝段，进行热量的交换传输，这就是三维冷凝结构纳米脉动热超导 装置的工作原理。该装置利用纳米脉动流体的独特性，在管壁形成扰流，减少液体边界层厚 度，显著强化传热效率。

三维冷凝结构纳米脉动热超导装置的启动（脉动发生）与热源的温度，热流强度， 以及工质4的特性紧密相关。脉动的频率是热量传输功率和热阻的直接反应，装置结构设 计、工质4的选择至为关键。

三维冷凝（纳米）脉动热超导装置在启动前，随着热量不断的输入，蒸发段和冷凝 段的温差不断升高，是一个能量积累的过程，脉动振荡不连续不明显。当能量累积到一定值 后瞬间爆发，产生快速连续振荡，热量在管道快速传输，使得装置螺旋冷凝管段温度骤升， 蒸发段温度骤减，蒸发段与冷凝段温差变小。

本发明与传统的脉动热管相比具有如下特点：

（1）本发明设计开发的冷凝段为三维多螺旋缠绕式结构，以循环冷却管芯为芯体，缠绕 多圈冷凝管，不仅增加了冷却面积，而且还增加了毛细脉动推动力。循环冷却流体通过冷却 管芯1和冷凝端螺旋2间接换热。

（2）传统脉动热管冷凝和蒸发段在同一平面上，冷却装置必须外置，结构复杂，冷 却面积较大，效率低。本发明设计开发冷凝段以任意圈数螺旋缠绕在循环冷却管芯上，形成 三维立体交叉冷却组合，冷却面积可控，及具应用性。

（3）结构用途多样性：螺旋冷凝段和冷却管芯可以通过焊接、紧密缠绕或结构件压 紧方式，不仅能够保证紧密接触传热，减小传热热阻，而且还能启动保温隔热的作用；增加 金属膜缠绕于冷凝管和冷却管芯上，拓展冷凝管面积，提高传热效率。

（4）特殊工质：本发明装置工质既可使用超纯水、甲醇、乙醇、丙酮或R134a单一工 质，也可添加金、氧化铝、碳纳米管、铜或陶瓷纳米颗粒和悬浮剂，在装置内形成气-液-固三 相流体，在脉动过程中，纳米颗粒在管壁扰动边界层，显著强化传热，降低热阻。

（5）高效环保：采用纳米三相流体工质，不仅能够提高传热效率，而且还能降低启 动温度和启动热流，增加最大传热极限。工质无毒无害，与脉动管无化学反应，使用寿命长， 传热性能和可靠性双优。

（6）环路形式：本发明装置可以是首尾相连的闭合环路形式，也可以是首尾各自封 闭的开路结构，根据用途和制造方式选择。

（7）组合集成化：发明装置可以选用不同工质，可以任意选择充入工质的充液率， 而且可以选择不同尺寸以及不同螺旋结构，根据用途，最佳化传热性能。

（8）适用范围广：本发明可广泛用于中高温太阳能集热、电子元器件散热、大平面 热量雷达面、大功率动力电池冷却或恒温加热、LED照明或显示、电磁体冷却等用途。