CN1431452A - 集成式热管及其换热方法 - Google Patents

Abstract

一种集成式热管及其换热方法，包括封闭空腔内抽真空并充填热传导介质的壳体，封闭空腔中设置有一组或一组以上的热载体，每组热载体共用同一封闭空腔内的热传导介质，热载体为冷凝端，壳体或者壳体的一部分为吸热端。热交换时，热管壳体吸热端表面接触热源并吸收热量，通过吸热端壁面将热量传递给同一封闭空腔内的同一热传导介质，使热传导介质吸收或汽化快速分散吸收热量，并利用热载体容纳或传递热传导介质所吸收的热量。散热冷凝后的热传导介质重新恢复原有状态循环进行换热。本热管结构具有综合热阻小，散热面积大，换热速率高，能快速均匀等温分散热量等优点，用于快速凝固技术领域可制备快速凝固金属、非晶和准晶金属材料；本热管也可用其它技术领域作为热交换装置。

Description

集成式热管及其换热方法

[技术领域]本发明涉及一种集成式热管及其换热方法，属于热交换技术领域。

[背景技术]常规的热管是将一根管两端封闭、管内壁经特殊处理充填少量传热介质，利用传热介质受热相变或某些无机介质的超导性能进行吸热、放热和传递热量的管状部件。热管工作时，其一端吸热另一端放热。为了克服重力和离心力的影响，热管中可设置管芯结构，利用毛细力引导传热介质使其定向流到吸热端。热管换热器则是由若干上述热管元件组成，吸热为一端，放热为一端，两端之间用隔板隔离组成热管换热器。吸热端流过热流体，放热端流过冷流体。现有热管中的管芯只是具有利用毛细力，引导传热介质并使其定向流动，而不能容纳热量。

目前，为了保证熔化材料进入铸模后能立即快速凝固，并在最短时间内将加热铸模变为冷却铸模，提高铸模的生产效率，有人利用常规热管固有的轴线传热特性，在硬模铸造及喷射模铸方面将多根热管插入到硬模的主体内，利用热管拉平硬模内的温度梯度。同时，将上述热管放热端插入水冷管道内，可以在不增加用水量的前提下，显著地改善铸模的传热效果。这里需要提示一点，尽管热管在硬模铸造及喷射模铸方面已经得到了应用，但是作为常规热管本身结构及其传热方式并没有改变。在热交换过程中，由于铸模与热管壁之间存在着界面热阻，会直接影响铸模的快速凝固效果。

众所周知，自从杜韦兹在1960年创立快速凝固技术以来，这一技术已经不断完善和系统化，并逐步从实验室研究转向工厂化生产。快速凝固材料由于其具有高的力学性能和良好的物理化学性能，已经引起了世界各国材料科学工作者的注意和重视，并投入了大量的人力、物力与财力进行研究。经过近三十年的发展，快速凝固技术及其合金的研究已经成为材料科学和工程的一个重要分支。由于急冷凝固技术主要是通过提高凝固速度的方法来提高凝固过冷度和凝固速度的，因此凝固冷速的大小对快速凝固材料的形成以及其性能的影响是至关重要的。目前应用快速凝固技术制取快速凝固材料的生产方法和设备已有几十种之多，具体生产设备一般包括熔化母合金的熔化装置和传出熔体热量的冷却装置以及在时间上和空间上“分割”熔体的特殊分离装置。根据熔体分离和冷却方式的不同，快速凝固技术又可分成模冷技术、雾化技术和表面熔化与沉积技术三类。无论采用何种快速凝固技术，现有的冷却装置包括旋转或固定冷模(或称基底)部分大多是采用导热性能良好的金属材料制成。换热方法是在冷却装置的基底中设置冷却液体通道，利用冷却液体将基底吸收的热量迅速带走，达到快速凝固材料急冷目的。由于受传统传热方式和基底结构设计方面的限制，基底与冷却液体之间在热交换过程中必然存在界面热阻，熔体凝固时释放出的大量热量无法在瞬间由冷却液体将基底所吸收的热量迅速带走。因此，对于进一步提高凝固过程中传热速度有很大影响。而且，工作时冷却装置的基底热平衡点温度较高，导致设备生产能力较低，不可能在现有凝固技术的基础上，生产出更多高品质的快速凝固材料产品。到目前为止，发明人还没有发现将热管技术应用到快速凝固技术方面的相关报道。

[发明内容]本发明的目的之一在于提供一种集成式热管，该热管封闭空腔中设置有一组或一组以上的热载体作为冷凝端

本发明的目的之二在于提供一种集成式热管换热方法，该方法利用设置在封闭空腔中热载体为冷凝端，由热载体容纳或传递热传导介质所吸收的热量。

本发明上述目的是通过以下技术手段实现的。

一种集成式热管，包括封闭空腔内抽真空并充填热传导介质的壳体，其特征在于所说的集成热管封闭空腔中设置有一组或一组以上的热载体，每组热载体共用同一封闭空腔，并共用同一封闭空腔内的热传导介质，热载体为冷凝端，壳体或者壳体的一部分为吸热端。

上述设置在封闭空腔内的热载体可以采用导热性能好、热容量大的热容体容纳热量；或者采用流体通道结构用冷却流体传递热量。上述流体通道的流体进出端或者贯穿封闭空腔两端，或者穿过封闭空腔相邻端，或者穿过封闭空腔同一端；流体通道的截面可以加工成任意形状，如圆形、方形、长方形、齿形或者其它几何形状；流体通道的内壁上可以设置有翼翅。

本热管用作单件生产块状快速凝固材料或连续生产快速凝固线材时，热管壳体的吸热端应设置有贯穿壳体的吸热腔体，热流体通过吸热腔体快速凝固。

为了克服重力和离心力对热管的影响，利用毛细力引导传热介质使其流到吸热端，上述壳体的封闭空腔对应壳体的吸热端内表面设置有热管管芯结构。

上述用于包裹封闭空腔的壳体可以加工成任意立体形状，如圆柱体、正方体、长方体、球体、椭圆体或者其它多面体。壳体的周围设置有与上述流体通道相连通的辅助流体通道，该辅助流体通道设有流体进出口。

一种集成式热管换热方法，该方法利用热管壳体的吸热端表面接触热源吸收热量，通过壳体吸热端壁面将热量传递给同一封闭空腔内的同一热传导介质，使热传导介质吸收或汽化快速分散吸收热量，并利用设置在封闭空腔中热载体为冷凝端，由热载体容纳或传递热传导介质所吸收的热量。该方法可以根据快速凝固材料的不同生产条件，利用设置在封闭空腔的流体通道作为热载体，用流体通道中的低温流体传递热传导介质所吸收的热量。

本发明所提供的集成热管对于有限组热载体来说，每组热载体都共用同一封闭空腔和共用同一热传导介质。封闭空腔内任何一点热传导介质工作都可以使所有空腔内的热载体都会迅速、均匀、等温的吸收足够的热量。这种联合统一的、同步集成化的热交换方式构成了集成化热管的传热机理。该集成式热管利用热载体作为冷凝端，壳体或者壳体的一部分作为吸热端。热交换时，热管壳体吸热端表面接触热源并吸收热量，通过吸热端壁面将热量传递给同一封闭空腔内的同一热传导介质，使热传导介质吸收或汽化快速分散吸收热量，并利用热载体容纳或传递热传导介质所吸收的热量。散热冷凝后的热传导介质重新恢复原有状态循环进行换热。本热管改变了常规热管自身结构及其换热方式，具有综合热阻最小，热扩散系数和散热面积最大、传热速度极快等优点，尤其适用于高温差，高热流密度，高传热速率的热传导场合。本热管可用于快速凝固技术领域制备快速凝固金属、非晶和准晶金属材料，也可用其它技术领域作为热交换装置。

下面结合附图详细介绍本发明具体实施例。

[附图说明]图1为本发明生产单件块状快凝金属冷漠结构示意图。

          图2为本发明连续生产快凝金属线材冷漠结构示意图。

          图3为本发明板式旋转雾化器结构示意图。

          图4为本发明筒形辊轮结构示意图。

          图5为本发明熔体旋转辊轮结构示意图。

[具体实施例]实施例一参见图1所示结构。本集成式热管用于作为生产单件块状快凝金属冷漠，该热管的圆柱体壳体1的封闭空腔2内抽真空并充填热传导介质，封闭空腔2中设置有24组导热性能好、热容量大的铜制实心热容体3作为热载体，每组热容体3共用同一封闭空腔2内的热传导介质，热容体3为冷凝端，壳体1设置有贯穿壳体1的吸热腔体5作为吸热端，热管壳体1的吸热腔体5表面接触热源吸收热量，通过腔体5吸热端壁面将热量传递给同一封闭空腔2内的同一热传导介质，使热传导介质吸收或汽化快速分散吸收热量，由热容体容纳导介质所吸收的热量，使金属热流体在吸热腔体5快速凝固成块状。为了克服重力对热管的影响，利用毛细力引导传热介质使其流到吸热端，上述壳体1的封闭空腔2对应壳体1的吸热端内表面设置有热管管芯6。

实施例二，参见图2所示结构，该集成式热管可用于制作连续生产快凝金属线材冷漠，包裹封闭空腔2的壳体1可以加工成任意立体形状，如圆柱体、正方体、长方体、球体、椭圆体或者其它多面体。壳体1的封闭空腔2内抽真空并充填热传导介质，封闭空腔2中设置有60组流体通道4作为热载体，用冷却流体传递热量。流体通道4共用同一封闭空腔2，并共用同一封闭空腔2内的热传导介质，流体通道4为冷凝端，壳体1设置有贯穿壳体1的吸热腔体5作为吸热端，热管壳体1的吸热腔体5表面接触热源吸收热量，通过腔体5吸热端壁面将热量传递给同一封闭空腔2内的同一热传导介质，使热传导介质吸收或汽化快速分散吸收热量，用流体通道4中的低温流体带走热传导介质所吸收的热量，使金属热流体穿过吸热腔体5时快速凝固成线材。上述壳体1的封闭空腔2对应壳体的吸热端内表面设置有热管管芯6。上述流体通道4的流体进出端贯穿封闭空腔2两端，通道4的截面可以加工成任意形状，如圆形、方形、长方形、齿形或者其它几何形状；通道4的内壁上设置有翼翅，用于增加流体换热效果。壳体1的周围设置有与流体通道4相连通的辅助流体通道7，该辅助流体通道7设有流体进出口8。

施例三，参见图3所示结构，该集成式热管可用于制作板式旋转雾化器，包裹封闭空腔2的壳体1加工成圆柱体。壳体1的封闭空腔2内抽真空并充填热传导介质，封闭空腔2中设置有100组流体通道4作为热载体，用冷却流体传递热量。流体通道4共用同一封闭空腔2内的热传导介质，流体通道4为冷凝端，壳体1上端面为吸热端接触热源吸收热量，通过吸热端壁面将热量传递给同一封闭空腔2内的同一热传导介质，使热传导介质吸收或汽化快速分散吸收热量，用流体通道4中的低温流体带走热传导介质所吸收的热量，使金属热流体快速凝固。上述壳体1的封闭空腔2对应壳体的吸热端内表面设置有热管管芯6。上述流体通道4的流体进出端穿过封闭空腔2同一端，通道4的截面可以加工成任意形状，如圆形、方形、长方形、齿形或者其它几何形状；通道4的内壁上设置有翼翅，用于增加流体换热效果。壳体1的下面设置有与上述流体通道4相连通的辅助流体通道7，该辅助流体通道7设有流体进出口8。壳体1装配在旋转轴9上，使热管成为旋转体。

施例四，参见图4所示结构，该集成式热管可用于制作筒形辊轮，包裹封闭空腔2的壳体1加工成筒形或杯形。壳体1的封闭空腔2内抽真空并充填热传导介质，封闭空腔2中设置有200组流体通道4作为热载体，用冷却流体传递热量。流体通道4共用同一封闭空腔2内的热传导介质，流体通道4为冷凝端，壳体1的筒形或杯形边缘内表面为吸热端接触热源吸收热量，通过吸热端壁面将热量传递给同一封闭空腔2内的同一热传导介质，使热传导介质吸收或汽化快速分散吸收热量，用流体通道4中的低温流体带走热传导介质所吸收的热量，使金属热流体快速凝固。上述壳体1的封闭空腔2对应壳体的吸热端内表面设置有热管管芯6。流体通道4的流体进出端贯穿封闭空腔2两端，通道4的截面可以加工成任意形状，如圆形、方形、长方形、齿形或者其它几何形状。壳体1的上下两面设置有与上述流体通道4相连通的辅助流体通道7，该辅助流体通道7设有流体进出口8。壳体1装配在旋转轴9上，使本筒形辊轮成为旋转体。为了提高熔体流与辊轮接触时的相对速度，可将石英管支架10固定在一个可与辊轮反向同轴旋转的圆盘11上。

施例五，参见图5所示结构，该集成式热管可用于制作熔体旋转辊轮，包裹封闭空腔2的壳体1加工成圆柱体。壳体1的封闭空腔2内抽真空并充填热传导介质，封闭空腔2中设置有120组流体通道4作为热载体，用冷却流体传递热量。流体通道4共用同一封闭空腔2内的热传导介质，流体通道4为冷凝端，壳体1圆柱体外表面为吸热端接触热源吸收热量，通过吸热端壁面将热量传递给同一封闭空腔2内的同一热传导介质，使热传导介质吸收或汽化快速分散吸收热量。用流体通道4中的低温流体带走热传导介质所吸收的热量，使接触圆柱体壳体1外表面的金属热流体快速凝固。流体通道4的流体进出端贯穿封闭空腔2两端，通道4的截面可以加工成任意形状，如圆形、方形、长方形、齿形或者其它几何形状。壳体1的左右两面设置有与上述流体通道4相连通的辅助流体通道7，该辅助流体通道7设有流体进出口8。壳体1装配在旋转轴上，使本熔体旋转辊轮成为旋转体。

Claims (10)

1、一种集成式热管，包括封闭空腔[2]内抽真空并充填热传导介质的壳体[1]，其特征在于所说的集成热管封闭空腔[2]中设置有一组或一组以上的热载体，每组热载体共用同一封闭空腔[2]，并共用同一封闭空腔[2]内的热传导介质，热载体为冷凝端，壳体[1]或者壳体[1]的一部分为吸热端。

2、根据权利要求1所述的热管，其特征在于所说的设置在封闭空腔[2]内的热载体采用导热性能好、热容量大的热容体[3]容纳热量；或者采用流体通道[4]结构用冷却流体传递热量。

3、根据权利要求2所述的热管，其特征在于所说的流体通道的流体进出端或者贯穿封闭空腔[2]两端，或者穿过封闭空腔[2]相邻端，或者穿过封闭空腔[2]同一端。

4、根据权利要求1所述的热管，其特征在于所说的壳体[1]吸热端设置有贯穿壳体[1]的吸热腔体[5]。

5、根据权利要求1、2、3或4所述的热管，其特征在于所说的壳体[1]的封闭空腔[2]对应壳体[1]吸热端内表面设置有热管管芯[6]结构。

6、根据权利要求1、2、3或4所述的热管，其特征在于包裹封闭空腔[2]的壳体[1]的立体形状为圆柱体、正方体、长方体、筒体、杯体、球体、椭圆体或者其它多面体。

7、根据权利要求2或3所述的热管，其特征在于所说的流体通道的截面为圆形、方形、长方形、齿形或者其它几何形状。

8、根据权利要求1、2、3或4所述的热管，其特征在于所说的壳体[1]的周围设置有与上述流体通道[4]相连通的辅助流体通道[7]，该辅助流体通道[7]设有流体进出口[8]。

9、一种集成式热管换热方法，该方法利用热管壳体[1]的吸热端表面接触热源吸收热量，通过壳体吸热端壁面将热量传递给同一封闭空腔[2]内的同一热传导介质，使热传导介质吸收或汽化快速分散吸收热量，并利用设置在封闭空腔[2]中热载体[3]为冷凝端，由热载体[3]容纳或传递热传导介质所吸收的热量。

10、根据权利要求9所述的换热方法，该方法利用设置在封闭空腔[2]的流体通道中的低温流体传递热传导介质所吸收的热量。

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