一种螺旋振荡热管

1.本实用新型涉及一种电子器件散热装置，具体涉及一种螺旋振荡热管。

背景技术：

2.振荡热管是一种具有复杂两相传热机理的被动散热技术，通常为由直管段和弯头连接形成的蛇形毛细管，具体表现为由冷凝段、绝热段、加热段共同组成。在振荡热管中通入合适工作介质后，对加热段加热，工作介质吸热后产生气泡，加热段压力升高推动工作介质向冷凝段流动，到达冷凝段后气泡遇冷破裂，压力下降，整个过程中的振荡热管无需外部做功，由于加热段和冷凝段压力的不平衡，导致工作介质在两端振荡，完成热量的传递。在该振荡热管作为散热装置应用于解决汽车led大灯散热问题时，由于led大灯散热不佳，车灯连续工作后，灯罩狭窄空间内所产生的环境温度常达70℃，而且车灯内部结构紧凑，直管段采用常规等截面直管结构的振荡热管很难达到理想的散热效果，如授权公告号为cn201973516u的实用新型专利公开的“带有自激振荡流热管的led灯泡”，其振荡热管采用两片金属板拼合而成的常规等截面直管结构，振荡热管内充有传统工作介质（水、丙酮），由于振荡热管为直管结构，传热效果有限，不能达到高环境温度、大功率使用条件的散热需求；即使需完成给定的大功率热负荷，普通振荡热管也需要增加更多的传热面积，从而导致成本增加和有效性降低。
3.公开号为cn1632441a的发明专利申请公开了
ꢀ“
一种变截面强化自激振荡流热管传热的方法”，该方法采用两种大小不同的管径，交替布置来构成变截面的自激振荡流热管，同时该热管采用异形断面结构型式来使流体在管内流动过程中因回流扰动，增强热管的内振荡机制，达到强化传热的目的。但是这种结构的热管存在以下不足之处：（1）流动阻力大；（2）对热管内的强化传热更多限于管壁附近，无法产生更长距离的纵向涡流，汽液传质和掺混不够强烈，热质传递提升幅度有限；（3）抗干烧能力不够强，特殊情况下需要重力辅助启动。

技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是：提供一种传热性能好的螺旋振荡热管，以便在降低成本的同时达到高环境温度、大功率使用条件的散热需求，并能解决现有技术存在的流动阻力大、热质传递提升幅度有限的不足之处。
5.解决上述技术问题的技术方案是：一种螺旋振荡热管，包括热管本体，该热管本体为由直管段和弯头连接形成的单匝或多匝毛细管，热管本体从上至下分为冷凝段、绝热段ⅰ、加热段、绝热段ⅱ，热管本体的管道内充有工作介质；所述冷凝段的直管段、绝热段ⅰ、加热段中任意一段或几段的内外表面为沿着热管本体轴线旋转的螺旋结构。
6.本实用新型的进一步技术方案是：所述热管本体的管道横截面为椭圆形状。
7.本实用新型的进一步技术方案是：所述的工作介质为纳米自湿润流体。
8.本实用新型的进一步技术方案是：所述纳米自湿润流体的充液率为40%～70%。
9.本实用新型的更进一步技术方案是：所述毛细管的材质为铜管或铝管或石英管。
10.由于采用上述结构，本实用新型之一种螺旋振荡热管与现有技术相比，具有以下有益效果：
11.1. 传热性能好
12.本实用新型包括热管本体，该热管本体为由直管段和弯头连接形成的单匝或多匝毛细管，热管本体从上至下分为冷凝段、绝热段ⅰ、加热段、绝热段ⅱ，其中冷凝段的直管段、绝热段ⅰ、加热段中任意一段或几段的内外表面为沿着热管本体轴线旋转的螺旋结构；所述热管本体的管道内充有纳米自湿润流体工作介质。由于螺旋结构的诱导，热管内可以产生长距离的纵向涡流，提升近壁区和主流区的流体混合能力，提高局部流速，减薄热边界层，加快液柱和汽塞的流动，使其传热系数比直管结构高；同时由于径向和切向流速的增加，还能增加汽液两相流的聚并和破碎即热质传递；另外，相比普通圆直管，随着螺旋结构圈数的增加，在相同的空间里可以得到更大的传热面积。所以本实用新型将冷凝段的直管段、绝热段ⅰ、加热段中的任一段或几段的内外表面设计为沿着热管本体轴线旋转的螺旋结构以后，既能够增加传热系数和传热面积，又能够保持管内毛细力，加快液柱和汽塞的流动，减薄汽液两相流边界层，提升管内局部流速，增加汽液两相热质传递性能。
13.进一步地，由于本实用新型的管道内充有纳米自湿润流体作为工作介质，在本实用新型使用时，加热段受热，管道内的纳米自湿润流体受热后沸腾蒸发产生气体，使加热段的压力大于冷凝段，在毛细力、液体的表面张力和压力的驱使下，热蒸汽向冷凝段流动，热蒸汽在冷凝段遇冷后，汽泡破裂压力降低，又会使低温的液体流向加热段，如此往复运动形成振荡的液柱和汽塞。由于纳米自湿润流体的自湿润特性，相对其它工作介质具备自湿润和防干烧能力，其表面张力会随着温度的升高先减小后增大，在浓度差和温度差的驱动下，能使流体从低温区向高温区流动；纳米自湿润流体的导热系数比传统介质（比如水、丙酮等）和普通自湿润流体的大；纳米自湿润流体作为工作介质可以充分发挥前两者的协同效应，进一步增加热管的传热性能。
14.因此，本技术的传热性能较好。
15.2. 可达到高环境温度、大功率使用条件的散热需求
16.由于本实用新型不仅能够增加传热系数和传热面积，还能提升汽液两相流热质传递性能，相对传统振荡热管能更加快速的振荡流体和提升散热性能，可达到高环境温度、大功率使用条件的散热需求，完成在较高环境温度下对电子器件的快速冷却，从而可延长电子器件的使用寿命。
17.3.成本低
18.本实用新型的结构简单，而且振荡热管在相同长度和横截面积的情况下，其螺旋结构的外表面传热面积更大，传热系数更大，在同样的工作条件下，螺旋振荡热管的传热效果更好，相比较于传统热管，汽液相在螺旋振荡热管的振荡过程中会更容易聚并和破碎，加速热质传递，提升散热性能。因此，本实用新型可节省振荡热管的用料，降低生产成本。
19.另外，本实用新型整个散热过程不需要外力做功，也可有效降低运行成本。
20.4.管内工作介质流动阻力小
21.本实用新型的整个管道横截面均为椭圆形状，不存在大直径和小直径的组合，截面不存在突然扩大和突然缩小的情况，管内工作介质压差阻力会低很多，从而使总体流动
阻力相对要小。
22.5.热质传递提升幅度大
23.本实用新型的冷凝段直管段、绝热段ⅰ、加热段中任意一段或几段的内外表面为沿着热管本体轴线旋转的螺旋结构，由于螺旋结构的诱导，热管本体内可以产生长距离的纵向涡流，提升近壁区和主流区的流体混合能力，能增加汽液两相流的聚并和破碎，加强了热质传递。
24.6.抗干烧能力强
25.由于本实用新型的工作介质采用了纳米自湿润流体，抗干烧能力和导热率得到加强，在水平模式下的启动特性得到较大幅度提升。
26.7.适用范围广
27.由于本实用新型将振荡热管的冷凝段直管段、绝热段ⅰ、加热段中任意一段或几段内外表面设计成螺旋结构，既能够增加传热系数和传热面积，还能提升汽液两相流热质传递性能。因此，本实用新型可以在电子元器件冷却时表现出较强的强化传热效果，使其不仅仅应用于汽车led大灯，还能够在更多电子器件散热场合应用，值得大范围推广。
28.下面，结合附图和实施例对本实用新型之一种螺旋振荡热管的技术特征作进一步的说明。
附图说明
29.图1：实施例一所述本实用新型之一种螺旋振荡热管的主视图（单匝结构），
30.图2：图1的俯视图，
31.图3：图1的右视图，
32.图4：实施例一所述本实用新型之一种螺旋振荡热管的立体图；
33.图5：实施例一所述加热段的主视图，
34.图6：图5的左视图，
35.图7：图5的俯视图，
36.图8：实施例一所述加热段的立体图；
37.图9：实施例一所述热管本体的横截面结构示意图；
38.图10：实施例二所述本实用新型之一种螺旋振荡热管的主视图（四匝结构），
39.图11：图10的俯视图，
40.图12：图10的右视图，
41.图13：实施例二所述本实用新型之一种螺旋振荡热管的立体图；
42.在上述附图中，各附图标记说明如下：
43.1-冷凝段，2-绝热段ⅰ，3-加热段，4-绝热段ⅱ，5-充液口和抽真空口，
44.6-热管本体的管道横截面，7-内部椭圆腔体，8-热管本体的壁厚，
45.z-直管段，w-弯头。
具体实施方式
46.实施例一：
47.图1至图4中公开的是一种螺旋振荡热管，包括热管本体，该热管本体为由直管段z
和弯头w连接形成的单匝毛细管，毛细管的材质为铜管。热管本体从上至下分为冷凝段1、绝热段ⅰ2、加热段3、绝热段ⅱ4（图1中的虚线为各段的分界线）；所述冷凝段1的上端设有充液口和抽真空口5，该冷凝段1的直管段内外表面，以及绝热段ⅰ2、加热段3的内外表面均为沿着热管本体轴线旋转的螺旋结构；图5至图8中示出的是加热段3的部分螺旋结构；所述热管本体的管道横截面为椭圆形状（如图9所示），椭圆尺寸计算公式为：
[0048][0049]
其中，d为椭圆长轴，d/2为椭圆短轴，分别表示液体表面张力、液体密度、汽体密度和重力加速度。
[0050]
所述热管本体的管道内充有纳米自湿润流体作为工作介质，纳米自湿润流体为现有技术产品，其充液率为50%。
[0051]
实施例二
[0052]
图10至图13中公开的是另一种螺旋振荡热管，包括热管本体，该热管本体为由直管段z和弯头w连接形成的四匝毛细管，毛细管的材质为铜管。热管本体从上至下分为冷凝段1、绝热段ⅰ2、加热段3、绝热段ⅱ4（图10中的虚线为各段的分界线）；所述冷凝段1的上端设有充液口和抽真空口5，该冷凝段1的直管段内外表面，以及绝热段ⅰ2、加热段3的内外表面均为沿着热管本体轴线旋转的螺旋结构；所述热管本体的管道横截面为椭圆形状，椭圆尺寸计算公式为：
[0053][0054]
其中，d为椭圆长轴，d/2为椭圆短轴，分别表示液体表面张力、液体密度、汽体密度和重力加速度。
[0055]
所述热管本体的管道内充有纳米自湿润流体作为工作介质，纳米自湿润流体为现有技术产品，其充液率为60%。
[0056]
在本实施例一或实施例二中，螺旋结构的长度和匝数可以随振荡热管的实际运用场合而改变，匝数可以是两匝、三匝、五匝、六匝
……
。
[0057]
作为实施例一或实施例二的一种变换，可以根据实际运用场合将冷凝段1、绝热段ⅰ2、加热段3中的任一段或几段的部分或全部内外表面设计为螺旋结构。
[0058]
作为实施例一或实施例二的又一种变换，所述纳米自湿润流体的充液率还可以为40%、45%、50%、70%
……
等位于40%～70%中的任意百分比。
[0059]
作为实施例一或实施例二的再一种变换，所述毛细管的材质可以为铜管或铝管或石英管或其他材质中的任意一种。
[0060]
本实用新型在使用时，加热段3受热，管道内的纳米自湿润流体受热后沸腾蒸发产生气体，使加热段的压力大于冷凝段，在毛细力和压力的驱使下，热蒸汽向冷凝段流动，热蒸汽在冷凝段遇冷后，气泡破裂压力降低，又会使低温的液体流向加热段，如此往复运动形成振荡的液柱和汽塞。由于本实用新型将冷凝段1的直管段内外表面，以及绝热段ⅰ2、加热段3的内外表面设计为沿着热管本体轴线旋转的螺旋结构，可以减薄热边界层，提高局部流
速，加快液柱和汽塞的流动，导致螺旋管传热系数比直管高；同时由于径向和切向流速的增加，还能增加汽液两相流的聚并和破碎即热质传递，在相同的空间里还可以得到更大的传热面积。
[0061]
进一步地，由于纳米自湿润流体的自湿润特性，相对其它工作介质具备自湿润和防干烧能力，其表面张力会随着温度的升高先减小后增大，在浓度差和温度差的驱动下，能使流体从低温区向高温区流动；纳米自湿润流体的导热系数比传统介质（比如水、丙酮等）和普通自湿润流体的大；纳米自湿润流体可以充分发挥自湿润流体和纳米流体的协同效应，能进一步增加热管的传热性能。
[0062]
因此，本实用新型可以在电子元器件冷却时表现出较强的强化传热效果，使其能够在较多场合得到广泛应用。当本实用新型应用于汽车led大灯时，按现有技术将本螺旋振荡热管的加热段即蒸发段安装在汽车led大灯的灯头上即可。

技术特征：

1.一种螺旋振荡热管，包括热管本体，该热管本体为由直管段和弯头连接形成的单匝或多匝毛细管，热管本体从上至下分为冷凝段（1）、绝热段ⅰ（2）、加热段（3）、绝热段ⅱ（4）；热管本体的管道内充有工作介质；其特征在于：所述冷凝段（1）的直管段、绝热段ⅰ（2）、加热段（3）中任意一段或几段的内外表面为沿着热管本体轴线旋转的螺旋结构。2.根据权利要求1所述的一种螺旋振荡热管，其特征在于：所述热管本体的管道横截面为椭圆形状。3.根据权利要求1所述的一种螺旋振荡热管，其特征在于：所述的工作介质为纳米自湿润流体。4.根据权利要求3所述的一种螺旋振荡热管，其特征在于：所述纳米自湿润流体的充液率为40%～70%。5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的一种螺旋振荡热管，其特征在于：所述毛细管的材质为铜管或铝管或石英管。

技术总结

一种螺旋振荡热管，涉及一种电子器件散热装置，包括热管本体，该热管本体为由直管段和弯头连接形成的单匝或多匝毛细管，热管本体从上至下分为冷凝段、绝热段Ⅰ、加热段、绝热段Ⅱ；其中冷凝段的直管段、绝热段Ⅰ、加热段中任一段或几段的内外表面为沿着热管本体轴线旋转的螺旋结构；所述热管本体的管道内充有纳米自湿润流体工作介质。本实用新型具有较好的传热性能，不仅能够增加传热系数和传热面积，还能提升汽液两相流热质传递性能，相对传统振荡热管能更加快速的振荡流体和提升散热性能，完成在较高环境温度下对电子器件的快速冷却，从而可延长电子器件的使用寿命，还具有结构简单、成本低、适用范围广的特点。适用范围广的特点。适用范围广的特点。