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I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I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。
[0025]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。
[0026]装置设计:
外形尺寸:800x850x38mm (宽x长x厚)
蒸发段加热板6:招合金薄板，800x800mm，厚度:0.40mm U形蒸发管3间距:40謹；
U形蒸发管3直径:Φ 3.0 X 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:Cl 100，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:M0000W 最小传热热阻:0.050 °C/W 使用温度:20-300 °C 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I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I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。
[0027]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。
[0028]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。
[0029]本发明与传统的脉动热管相比具有如下特点:
(I)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I和冷凝端螺旋2间接换热。
[0030](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。
[0031](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。
[0032](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。
[0033](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。
[0034](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。
[0035](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。
[0036](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。
【主权项】
1.新型三维螺旋冷凝结构纳米脉动热超导装置，其特征在于，包括:冷却管芯(I)其特征在于，所述冷却管芯(I)的外表面上螺旋缠绕有冷凝管(2)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(3)相连形成相互连通的，由三维冷凝段和蒸发管(3)组合形成的三维平面蛇形管网内充有工质(4)。2.根据权利要求1所述的新型三维螺旋冷凝结构纳米脉动热超导装置，其特征在于，冷却管芯(I)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(I)两端头部设有波纹膨胀节，端头采用直管口或外螺纹连接。3.根据权利要求1或2所述的新型三维螺旋冷凝结构纳米脉动热超导装置，其特征在于，蒸发管(3)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。4.根据权利要求3所述的新型三维螺旋冷凝结构纳米脉动热超导装置，其特征在于，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。5.根据权利要求3所述的新型三维螺旋冷凝结构纳米脉动热超导装置，其特征在于，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(6)。6.根据权利要求1所述的新型三维螺旋冷凝结构纳米脉动热超导装置，其特征在于，螺旋缠绕有冷凝管(2)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(I)上，或通过绝缘保温压紧块(7)粘结后焊接或通过金属膜压紧、粘贴与集热循环核心管(I)上。7.根据权利要求1或6所述的新型三维螺旋冷凝结构纳米脉动热超导装置，其特征在于，冷凝管(2)通过外延导热翅片固定在集热循环核心管(I)上。8.根据权利要求1、3或6所述的新型三维螺旋冷凝结构纳米脉动热超导装置，其特征在于，螺旋缠绕有冷凝管(2)与蒸发管(3)—体成型或分体焊接后成一体。9.根据权利要求1所述的新型三维螺旋冷凝结构纳米脉动热超导装置，其特征在于，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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】F28D15/04
【公开号】CN105651090
【申请号】
【发明人】王亚雄, 丁祥云
【申请人】内蒙古博特科技有限责任公司
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年2月20日