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集成热管
集成热管
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集成热管——把热管技术带入快速凝固领域的先锋
集成热管是一种新型热管,它利用封闭真空腔内饱和液体介质吸热汽化,凝结放热的相变过程来传递热量;它作为一个整体,具有小空间尺寸和大体表面积的技术特性。
集成热管是一种径向热管。
集成热管的特征是在热管内部设置冷凝体。
这个冷凝体可以是热容体,也可以是散热体。
作为热容体使用时,热容体一般采用小横截面、大体表面、大热容、高导热率的材料制成,置于管腔内,吸纳瞬间不连续热场,通过饱和蒸汽传递的热量。
作为散热体使用时,散热体以冷流体流道形式穿过壳体,吸纳连续热场传递的热量,并由流道内流过的冷却介质将热量带走,能更好的满足瞬间“冻结”熔体合金微观组
织结构的急冷散热要求,还能为熔体接触界面提供更低、更稳定的温度场,使熔体合金获得更高凝固冷速,实现更大规模连续化生产。
集成热管第一次把热管这个高效传热的技术引入到快速凝大模冷技术领域,必将使快速凝固合金这枝被称为“走向空间时代的材料和二十一世纪高科技材料”的时代之花结出丰硕之果。
金属材料科学家和生产者的新希望
蓄热热管——对铜精制水冷急冷模传热的改进
蓄热热管是集成热管的一种结构形式。
热管内的冷凝体是一组或若干组小模截面、大体表面、大热容、高热导率材料制成的热容体(而且相邻间隔合适),构成集成热管的另一种结构形式——蓄热热管。
图2是蓄热管式急冷模结构及传热原理。
蓄热热管式急冷模主要用来制取大块非晶材料。
热管内的冷凝体用来吸纳熔体金属凝固冷却释放的热量,以保证真空腔内饱和蒸汽压力不至于太高,并保证液体介质始终处于一个比较低的汽化温度(1kg水汽化能够转移的热量相当于5.5kg铜从20℃升温到熔点所需的总
热量,且相同容积的水每升温1℃比铜多吸纳17%的热量)。
蓄热热管式急冷模有如下优点:
1、用合适的液体介质代替同体积的纯铜能获得更大的散热能力。
2、大块非晶制取多在真空下进行。
水冷急冷模很容易带来麻烦,不用水冷散热的蓄热热管式急冷模能简化工作、减少麻烦。
快速凝固金属模冷制备技术的新发展——
管束式热管……对熔体旋转冷体铜辊传热的改进
管束式热管是集成热管的一种结构形式。
热管内部设置的冷凝体是若干组横截面是圆形的冷却水管,且水管沿热管轴线穿过热管两头端盖形成管束式热管。
见图1。
管束式热管作为冷体辊是这样工作的:
凤有冷却水进出口和连接法兰的中心轴驱动管束热管式冷体辊飞速旋转,将管束真空腔内饱和液体介质甩在壳体(辊壳)内表面上,置于冷体辊上方的合金熔体喷注在壳体外表面,将凝固冷却的热量通过壳体传给真空腔内的液体介质,介质吸收热量迅速汽化,流向管腔内设置的冷凝体——冷却水管,在冷
却水管的外表面凝结并释放潜热,并通过冷却水管传给管内流过的冷却水,最后由冷却水带走熔体合金凝固冷却的热量。
饱和蒸汽在冷却水管上凝结,在离心力的作用下重新被甩在辊壳内表面上,重新吸收熔体合金凝固冷却释放的热量,周而复始、不
断循环。
失去热量的合金熔体迅速在辊轮表面凝固冷却,并以薄带形式向前抛去。
人们获得连续不断的快速凝固金属薄带。
优点:
1、相变传热使辊轮各点温度均匀而且更低,有利于提高熔体合金凝固冷速和改善金属微观组织结构。
2、辊轮散热面积在近似0热阻和近似0温差下增加了几倍到几十倍,系统传热不需要大的冷却水系统支持。
3、散热能力大大提高。
适合连续的大规模生产,有利于提高生产率。
热管传热技术的新突破——
内齿形腔热管……对熔体旋转冷体铜辊传热的改进
内齿形腔热管是集成热管的一种结构形式。
热管内的冷凝体是一组轴线对称的多齿形横截面的冷却水管道,并且此冷却水管道穿过热管的两侧法兰,构成集成热管的另一种结构形式——内齿形腔热管。
图3是内齿形腔热管制作的冷体辊结构和传热原理图。
内齿形腔热管冷体辊传热原理与管束式热管冷体辊相比,散热面积略小,但内齿形腔热管冷体辊加工制作更容易,而且工作时冷凝液的回流阻碍更少。
[集成式热管及其换热方法]
集成热管是一种径向热管,可将大量热量通过自身大横截面封闭空腔,利和工质相变就近传递到更大的散热表面积上无需消耗外部动力。
集成热管的结构特征在于利用设置在热管封闭空腔内部或外侧的载热体获得更大的散热表面积。
它与传统热管、热管换热器区别,在结构上,传统热管大多是简单管状及其枝状组合的,集成热管是一体的,多数有复杂形面。
在换热方法上,传统热管强调的是远距离传热,而集成热管强调的是大表面积传热。
集成热管的特点:
第一、热阻小,传热效率高。
第二、体积小,重量轻,换热表面积大。
第三、应和灵活,适应面宽。
第四、可以解决传统热管难以解决的问题。
如,解决CPU散热,电子元器件散热,集成热管的方式更有效。
它把热管技术第一次带入新型快速凝固金属材料制备的领域。
它还可以解决诸如连铸连扎的散热难点问题等。
第五,重要的是集成式热管及其换热方法的思路,——依据这个思路,同行们可以解决更多的散热问题,可以设计出现更多的散热器产品,为改善人类生存条件,为丰富人类生活做出贡献。
集成式热管及其换热方法中国申请号:
02109030.0
国际申请号:
PCT/CN03/00018
[用于计算机CPU电力电子元器件散热]
集成热管用于计算机CPU和电力电子元件散热有如下优势:
□散热面积增加一倍到数倍,全部散热面积的温度都有较大的提高,且温度均匀。
□至少减少两道接触热阻,而接触热阻在整个换热过程中是最大的。
□热管外部的散热过程包括与CPU热源的接触和与冷空气的接触更充分,更容易组织。
□体积小,重量轻,结构紧凑,与热源与风扇之间的安装更简单。
↑内种规格集成热管CPU散热器
[用于计算机CPU电力电子元器件散热]
[应用于新型金属材料制备——大块非晶材料,快速凝固金属材料制备]
大块非晶合金材料,快速凝固金属材料是国家重点研究和发展的新技术之一,是未来工业的基础,被称之为走向空间时代的材料和二十一世纪的高科技材料。
制备大块非晶、快速凝固金属材料需要极高的冷速,把液态合金的分子结构瞬间冻结在更
高的能级水平上。
大块非晶材料、快速凝固金属材料有常规金属材料不能比拟的优良性能。
根据集成热管原理设计的热容式快淬冷模有比水冷铜模和纯铜模更高的冷速。
大连理工大学动力工程系的计算表明综合换热系数前者比后者提高2.7倍,非晶内最大冷却速率提高60.7%
纯铜模随体积的增大热阻也迅速的增大,而集成热管的热阻一个很小的常数(见附图)。
集成热管利用工质的相变以音速迅速把非晶和快速凝固和温降的热量转移有更大表面积的的热容体上(见附图)。
中国科学院金属研究所写给大连市科技局的推荐信(见附图)。
[应用于新型金属材料制备——大块非晶材料,快速凝固金属材料制备]
↑热容式快淬冷模式作原理图
↑大块非晶
[应用于新型金属材料制备——非晶带材、快速凝固金属带材的制备]
←
管
束
式
旋
转
热
管
→
内
齿
形
腔
旋
转
热
管
[应用于新型金属材料制备——非晶带材、快速凝固金属带材的制备]
非晶带材是最重要的功能金属材料,广泛应用于机械、电力电子等工程。
快速凝固金属带材以及利用快速凝固金属带材生产方法生产的普通金属带材在国民经济的各个领域得到了越来越多的应用。
有资料显示仅快速凝固钢纤维在上世纪末的需求就
已达到5000万吨以上。
应用集成热管原理设计的管束式旋转热管(见附图)和内齿形腔旋转热管(见附图),用以替代水套式熔体辊,散热面积可增加3-7倍,重量可减轻30%以上,综合换热系数提高4倍,非晶内最大冷却速率提高83.8%,而且,散热器温度场更均匀,更有利于改善金属微观组织结构和产品质量,更适合于连续大规模生产,有利于提高生产率。
集成式旋转热管另一个显著特点是热容量小,对通过改变冷端参数,实现散热过程的温控非常有利。
附图:
用于制备非晶带材、快速凝固金属带材的甩带机
[用于冶金的连续化生产]
连铸连轧生产工艺以其流程短、基建投资少、能耗低、金属成材率高、技术集成度高等特点,代表了冶金行业技术优化发展的方向,并在世界范围内得到广泛应用。
集成热管技术特征符合连铸连轧工艺的散热要求,其高效传热的特点可以用于宫铸工艺的结晶器(附图),压力成型的轧辊(见管束式热管、内齿形腔热管)等对散热要求较高的零部件。
不但能改善部件的散热条件,提高生产率,而且能简化与其配套的辅助设备,降低生产成本。
[集成热管换热方法在机械、能源、化工等行业中的应用设想]
在许多领域(包括一些新领域)对散热条件的要求与集成热管的换热特点不谋而合,这促使集成热管具有广泛的应用前景和巨大的开发潜能。
集成热管换热方法代表着相变换热的另一个方面,是常规热管方法的自然延伸和补充。
集成热管将同常规热管一样在国民经济的各个领域得到广泛的应用。
附图用集成热管制作燃烧器喷嘴
附图用集成热管制作流体换热器
附图用集成热管解决电机转子散热问题
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