具有稳定单向循环流动的脉动热管.pdf

本发明公开了属于传热元件范围的一种具有稳定单向循环流动的脉动热管。该脉动热管由在两段不同内径的管之间连接一段渐扩管构成。其渐扩管道可以减少流道的对称性和均衡性，合理匹配流动阻力，并且由于汽液表面张力的作用产生微泵效应，引导工质向粗管方向运动，形成单向循环流动。其优点是，结构简单，可靠性好，实现型式多样，采用此新结构可以增强脉动热管运行的稳定性及可控性，提高脉动热管的传热性能。

1.  一种具有稳定单向循环流动的脉动热管，其特征在于，该脉动热管是在两段不同内径的管之间连接一段渐扩管构成。

2.  根据权利要求1所述具有稳定单向循环流动的脉动热管，其特征在于，所述两段不同内径的管，管道内径满足 D i < 2 σ / ( ρ l - ρ g ) g , ]]>式中，D_i为管道内径，σ为表面张力，ρ_l、ρ_g为工质液相和汽相密度。

3.  根据权利要求1所述具有稳定单向循环流动的脉动热管，其特征在于，所述两段不同内径的管，减少了脉动热管流道的对称性和均衡性，使某一方向的流动占优，从而提高了形成单向循环流的可能性。

4.  根据权利要求1所述具有稳定单向循环流动的脉动热管，其特征在于，所述两段不同内径的管，粗管比细管中的流动速度要低，由此造成流动阻力较小，因此能达到合理匹配流动阻力的效果，引导工质向粗管方向运动，形成单向循环流动。

5.  根据权利要求1所述具有稳定单向循环流动的脉动热管，其特征在于，所述脉动热管中，周期性的产生塞状汽泡，由于管道的内径不同，汽泡弯月面的曲率半径也会发生变化，在表面张力作用下，将会产生微泵效应。

6.  根据权利要求1所述具有稳定单向循环流动的脉动热管，其特征在于，所述脉动热管的导热和流动管道，功效类似于一个单向阀。

具有稳定单向循环流动的脉动热管
技术领域
本发明属于传热元件范围，特别涉及可以使脉动热管内两相流动具有方向性，有助于实现单向循环流的一种具有稳定单向循环流动的脉动热管。
背景技术
脉动热管是一种高效传热元件，脉动热管利用相变产生汽泡驱动工质流动，虽然结构比较简单，但其内部机理非常复杂，涉及多学科、多参数的汽液两相流系统，实验和理论研究都还处于初级阶段。
脉动热管内部的流动属于微细通道内的汽液两相流动，运行过程中其内部工质的压力、温度和速度均呈现脉动性，存在许多热力不平衡现象，因此，其运行特性带有很大的随机性和复杂性。从流动方向来看，脉动热管内工质的流动可分为脉动流和循环流。工质在管内的单向循环流动，可以改善由蒸发段到冷凝段的工质输送，强化热量传递，提高脉动热管的传热性能。但是，实际运行中，稳定的单向循环流是难以维持的，通常和局部脉动、停滞、反向倒流等流态交错出现，运行现象十分复杂。因此，脉动热管运行的稳定性及传热的可控性有待提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有稳定单向循环流动的脉动热管，其特征在于：该脉动热管是在两段不同内径的管之间连接一段渐扩管构成。
所述两段不同内径的管，管道内径满足 D i < 2 σ / ( ρ l - ρ g ) g , ]]>式中，D₁为管道内径，σ为表面张力，ρ_i、ρ_g为工质液相和汽相密度。
所述两段不同内径的管，减少了脉动热管流道的对称性和均衡性，使某一方向的流动占优，从而提高了形成单向循环流的可能性。
所述两段不同内径的管，粗管比细管中的流动速度要低，由此造成流动阻力较小，因此能达到合理匹配流动阻力的效果，引导工质向粗管方向运动，形成单向循环流动。
所述脉动热管中，周期性的产生塞状汽泡，由于管道的内径不同，汽泡弯月面的曲率半径也会发生变化，在表面张力作用下，将会产生微泵效应。
所述脉动热管的导热和流动管道，功效类似于一个单向阀。
本发明的有益效果是，有助于实现脉动热管内工质的单向循环流动，改善由蒸发段到冷凝段的工质输送，提高脉动热管的传热性能，增强脉动热管运行的稳定性及可控性。
附图说明
图1是本发明的原理示意图。
图2是采用新结构的改进型脉动热管。
图3是新结构的微泵效应示意图。
图4是普通脉动热管和改进型脉动热管的热阻比较图。
图5是改进型脉动热管的流型实拍图片。
图中1.细管，2.渐扩管，3.粗管，4.改进型脉动热管，5.汽泡。
具体实施方式
本发明提供一种具有稳定单向循环流动的脉动热管。下面结合附图和实施例予以说明。
实施例1：
如图1所示，该脉动热管是在两段不同内径的管之间连接一段渐扩管构成。即在细管1和粗管3之间连接一段渐扩管道2构成，形成一段完整的流动通道。
实施例2：
如图2所示为改进型脉动热管。管道被弯曲成多个弯头，管内的液体被加热和冷却，产生相变，通过相变过程和工质流动传递热量，脉动热管可对电子器件进行冷却。在管道的左下部安装了一段长100mm，内径2mm的粗管；其它部分保持内径为1.6mm。这种结构改进相当于在最右端管道应用了本发明所述的新结构。
安装的一段粗管破坏了脉动热管流道的对称性和均衡性，其功效类似于一个单向阀，使脉动热管内工质某一方向的流动占优，从而提高了形成单向循环流的可能性。
流体在管道中流动需要克服流动压降。其中，摩擦压降为： - ( dp dz ) f = τ w P A = 4 τ w D , ]]>管内壁表面状况和工质物性相同时(即τ_w相同)时，粗管比细管中的摩擦压降要变小，这有利于工质向粗管方向运动；重力压降为： - ( dp dz ) g = [ αρ v + ( 1 - α ) ρ l ] g sin θ , ]]>相同质量的工质在粗管中液柱更短，重力压降更小，这也有利于工质向粗管方向运动。可见，对于改进型脉动热管，粗管中的摩擦压降和重力压降较小，流动阻力较少，因此能达到合理匹配流动阻力的效果，引导工质向粗管方向运动，形成单向循环流动。
实施例3：
图3是微泵效应示意图。在渐扩管道2中，如果周期性的产生汽泡5，由于管道形状呈渐扩特征，汽泡弯月面的曲率半径发生强制性变化，在表面张力作用下，将会产生微泵效应。
表面张力作用使汽泡内部和外部液体之间产生压差，
p v - p 1 = 2 σ R 1 ]]>  p v - p 2 = 2 σ R 2 ]]>
因此有， p 1 - p 2 = - 2 σ ( 1 R 1 - 1 R 2 ) < 0 ]]>
式中，p_v为汽泡内蒸汽压力；p₁和p₂分别为汽泡外部细管和粗管一侧的液体压力；R₁和R₂分别为汽泡在细管和粗管侧弯月面的曲率半径，由于管道形状呈渐扩特征，R₁<R₂；σ为表面张力系数。
可以看出，为了维持压力平衡，汽泡外测上游较细管道的液体压力必须小于下游较粗管道的液体压力，也就是说，毛细渐扩管道内的汽泡提供了一个压头，产生微泵效应。改进型脉动热管4在蒸发段存在毛细渐扩管道。汽泡在毛细渐扩管道内不断生成，长大，离开，这就产生了微泵效应，驱动工质向较粗的管道运动。
图4比较了两种脉动热管的热阻在不同传热量时的大小，工质为无水乙醇，充液率为50％，。改进型脉动热管4有利于循环流的形成和维持，改善由蒸发段到冷凝段的工质输送，强化热量传递，从而减小热阻，提高脉动热管的传热性能。Q<30W时，两种脉动热管热阻大小相近；在Q>30W的情况下，改进型脉动热管4的热阻要低。
图5是出现循环流时，改进型型脉动热管四根相邻管道绝热段的实拍图片。此时，工质为无水乙醇，充液率为50％，加热功率为60W。四根管道内，塞状流和环状流交错分布，管壁温度也随之冷热交替，工质的整体单向流动趋势明显。A管内，塞状流往下运动进入蒸发段，由于加热功率较大，通过U型管后，液柱蒸发出来的蒸汽向冷凝段高速流动，在蒸汽的冲击下，在B管绝热段很难形成液柱，流型呈环状流；到冷凝段后部分蒸汽冷凝，蒸汽速度降低，得以发展成液柱，在C管中形成塞状流。同样，C管中的塞状流进入U型蒸发段，高速蒸汽流经D管形成环状流。
本发明实现型式多样，可根据需要在脉动热管整个长度内布置多个新结构。本发明上述实施例仅用来说明本发明的技术方案，其不应限定本发明的保护范围，若对上述实施例中技术方案做出的等效变换，均应属于本发明保护的范围。