一种兼具热泵功效的高效热管装置设计

2020-09-02范显旺刘佳丽徐亚巍

无线互联科技 2020年11期

范显旺，刘佳丽，王欣，徐亚巍，罗洁

（江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江 212013）

热管顺温度梯度传热的局限性[1]导致传统的热管散热无法满足特殊散热环境下向高温环境的散热需求。近年来，国内外关于热管研究较多，尤其是关于热管和热泵的结合[2]。热管的导热效果不好，不能自发地把热量从高温端传向低温端，其研究原理主要集中于将热管的内外部进行强制对流换热化处理[4]，很少改造热管内部结构。本文拟设计一种兼具热泵功效的高效热管装置，可在逆温度梯度下高效传热，提高热管的功能和实用性，可满足各种特殊散热场合中的恒温状态要求，具有较好的应用前景。

1 新型热管的设计

1.1 设计思路

本文拟设计的新型热管利用热泵原理使其在逆温度梯度下也能传热。对热管的内部进行改装设计，加入压缩与节流部分，即需要热管输入一定的动力实现。但热管内部一旦有压缩机存在，顺温度梯度下工作液的流动阻力增加，即传热极限减小，原热管的最大传热量大大降低。为此，应控制压缩机出气口的压力，使其在顺温度梯度工况下常开，类似风机起到动力源的作用，使热管的传热极限增大，又可强化传热。

理论上，改造过的新型热管在顺、逆温度梯度下均可传热，在某些自身系统产生热量但需要保持恒温状态的特殊环境下，与外界环境相比时，无论处于低温端，还是高温端，都能向外界传递热量。

1.2 工作原理

逆温度梯度传热时，压缩机气体从左侧流出，右侧出口关闭，此为常规压缩机功能；顺温度梯度传热时，压缩机气体从右侧流出，左侧出口常开，单向阀处于工作状态。利用压缩机出气装置的不同来实现压缩机的不同功能，使热管兼具顺、逆温度梯度均可传热的特点。

新型热管的示意如图1所示，其中，实线箭头方向为制冷剂的流动方向，依次是：蒸发段→蒸汽腔→压缩机→冷凝段→高压气体区→高压液体区→液体导流管→节流阀→防气弯头→蒸发段；虚线箭头为制冷剂的流动方向，依次是：蒸发段→蒸汽腔→压缩机→单向阀→冷凝段→高压气体区→高压液体区→吸液芯→蒸发段。

图1 新型热管结构与局部示意

2 新型热管的工作流程分析

2.1 逆温度梯度传热原理

逆温度梯度传热时，压缩机正常运行，压缩机右侧出气口关闭，节流阀前阀门（11）开启，节流阀旁通处吸液芯阀（10）关闭。在管内充注制冷剂，充注时蒸发吸热段（2）为满注式，冷凝放热段（1）为半满注式，目的是为气体冷凝放热提供足够的空间。

当热管工作时，热管蒸发段（2）在低压下吸收环境的热量，工作液受热而蒸发，蒸汽在压差的作用下沿蒸汽腔流向活塞式压缩机，将蒸汽加到一定压力后释放到冷凝段（1），蒸汽在冷凝段凝结放出潜热，冷凝段的液体随着液体导流管（7）流到带感温包的膨胀阀（6），因为高压液体（4）在压缩机的推动力会克服膨胀阀的阻力，所以液体会经过膨胀阀进行膨胀减压，最后流过防气弯头（8）直至回到蒸发段（2）形成一个循环；防气弯头（8）的作用是防止蒸发段产生的气体随着液体导流管进入膨胀阀，影响膨胀阀，故具有一定的弯度，使冷凝端产生的气体顺利进行工作循环。感温包控制膨胀阀的开度，从而控制通过膨胀阀液体的质量流量，实现较稳定的制冷量，凝结液在压缩机推动力的作用下流回节流阀，经节流降压后流回低压蒸发段。反复循环，不断地把热量从低温向高温传递。

2.2 顺温度梯度换热原理

顺温度梯度传热时，压缩机左侧出气口（13）关闭，节流阀前阀门（11）关闭，吸液芯阀（10）开启，压缩机右出气口（14）处单向阀（15）开启。当热管工作时，热管蒸发段（2）在低压下吸收热量，工作液受热而蒸发，蒸汽在压差的作用下沿蒸汽腔流向活塞式压缩机（9）。当压缩机吸气时，压缩机出口单向阀（15）处于关闭状态，气体被吸入，由于压缩机右出气口（14）常开，当压缩机排气时，压缩机出口单向阀（11）处于开启状态，蒸汽不断排出，并推向冷凝段（1），蒸汽在推动力下克服沿程阻力流向热管另一端冷凝段，在冷凝段凝结放出潜热，热量通过冷凝段浸满工作液的吸液芯和管壁传出，完成热量从高温向低温的传递，此时由于节流阀前阀门（11）关闭、节流阀旁通处吸液芯阀（10）开启，凝结液在压缩机推动力的作用下通过吸液芯流回蒸发段（2）。反复循环，不断地把热量从高温向低温传递。

3 新型热管的应用前景

在需要保持恒定温度状态的特殊散热环境下，把冷源直接布置在环境内可能占用空间或者普通热管无法向更低的环境温度散热，不能实现长距离传热，使用本项目设计的新型热管能满足要求。例如，电子器件内的高精密装置维持恒温可用新型热管把高精密装置与新型热管的蒸发段装在一起，仪器外部与外界环境连接起来，利用新型热管可在不同温度梯度下传热的特点，维持电子器件温度湿度的恒定[3]，如图2所示。

图2 特殊散热环境恒温状态控制原理

4 存在的问题

在本设计新型热管中，笔者认为还存在以下问题[4]：（1）可靠性、稳定性有待进一步提升。该系统结构复杂，控制难度大。虽理论上可行，但对压缩机等元件经行改良时，两种工况切换步骤较多。（2）经济性和节能性问题。该系统的经济性分析要根据新型热管能效比、压缩机附加能耗以及用户热负荷特点等各方面因素综合考虑。（3）实用性、自控性问题。热管和热泵联合运行、功能重组，是比较复杂的动态传热传质过程，系统各部件相互耦合使得自控性较复杂。要对其有全面了解，必须进行相应的实验模拟、软件模拟等。