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一种自分散纳米 流体 热管

阅读：400发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种自分散纳米流体热管专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开一种自分散纳米流体热管，该热管包括散热翅片、热管外壳，以及位于热管外壳内部的叶轮、喷气通道、活塞室、增压室、回流通道、纳米流体、转轴、第一齿轮、第二齿轮、剪切室、剪切叶片和沸腾池；喷气通道位于活塞室外侧；活塞室固定连接在增压室上方；增压室和热管外壳内壁之间形成回流通道，剪切室位于回流通道中；剪切室位于增压室外侧，且剪切叶片位于剪切室中；沸腾池位于增压室的下方；叶轮与转轴的顶端固定连接，转轴的底端与第一齿轮固定连接，第一齿轮与第二齿轮配合，第二齿轮与剪切叶片固定连接。该纳米流体热管能有效维持纳米流体的分散稳定性，选择性地对团聚颗粒进行分散，从而能提高纳米流体热管的稳定性和可靠性。，下面是一种自分散纳米流体热管专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种自分散纳米流体热管，其特征在于：该热管包括散热翅片（1）、热管外壳（2），以及位于热管外壳（2）内部的叶轮（3）、喷气通道（6）、活塞室（7）、增压室（17）、回流通道（18）、纳米流体（19）、转轴（20）、第一齿轮（21）、第二齿轮（22）、剪切室（25）、剪切叶片（26）和沸腾池（28）；
散热翅片（1）固定连接在热管外壳（2）的外壁面上，喷气通道（6）位于活塞室（7）外侧，喷气通道外壁面（5）和活塞室（7）的壁面之间形成喷气通道（6），喷气通道外壁面（5）的顶部和活塞室（7）壁面的顶部之间设有旁通孔（4），活塞室（7）壁面的下部设有喷气进气孔（15）；
活塞室（7）固定连接在增压室（17）上方，活塞室（7）内设有活塞（8），活塞（8）和活塞室壁面之间设有第一密封圈（14），转轴（20）和活塞（8）之间设有双向止推轴承（13）和轴承盖（10），双向止推轴承（13）内圈与转轴（20）固定连接，且双向止推轴承（13）和转轴（20）之间设有密封件（12）；双向止推轴承（13）外圈与轴承盖（10）内缘固定连接，双向止推轴承（13）与叶轮（3）之间设有定位套筒（11）,轴承盖（10）外缘安装有第二密封圈（9），活塞（8）可沿轴承盖（10）外缘滑动；
增压室（17）的上部壁面设有活塞定位凸台（16），活塞（8）的底面可与活塞定位凸台（16）的顶面接触；增压室（17）的下部壁面设有带有筛孔的筛板（23），该筛板（23）位于连接杆（29）和增压室（17）壁面连接处的上方；
增压室（17）和热管外壳（2）内壁之间形成回流通道（18），剪切室（25）位于回流通道（18）中；剪切室（25）位于增压室（17）外侧，且剪切叶片（26）位于剪切室（25）中；
沸腾池（28）位于增压室（17）的下方，增压室（17）位于第一齿轮（21）上方，沸腾池（28）位于第一齿轮（21）下方；沸腾池（28）的壁面设有单向阀片（27），单向阀片（27）连通沸腾池（28）和回流通道（18）；
纳米流体（19）位于增压室（17）、沸腾池（28）和回流通道（18）中；
叶轮（3）与转轴（20）的顶端固定连接，转轴（20）的底端与第一齿轮（21）固定连接，第一齿轮（21）与第二齿轮（22）配合，第二齿轮（22）通过连接杆(29)与剪切叶片（26）固定连接，连接杆(29)与密封轴承（24）内圈固定连接，密封轴承（24）外圈固定连接在增压室（17）的壁面上。
2.按照权利要求1所述的自分散纳米流体热管，其特征在于：所述的筛板（23）的筛孔孔径为0.05—0.2mm，目数为100-200。
3.按照权利要求1所述的自分散纳米流体热管，其特征在于，所述的纳米流体（19）的充注量满足式（1）：
V=Vh+1.2Vz 式（1）
其中，Vh为回流通道（18）顶部至筛板（23）顶部之间的体积，Vz为位于筛板（23）顶部以下的增压室（17）与沸腾池的体积。
4.按照权利要求1所述的自分散纳米流体热管，其特征在于，所述的回流通道长度、活塞质量及活塞环摩擦参数满足式（2）：
ρghS=1.2(Gh+f) 式（2）
其中，ρ为纳米流体（19）的密度，g为重力加速度，h为回流通道（18）顶部至筛板（23）顶部之间的长度，G为活塞（8）的重量，f为第一密封圈（14）和第二密封圈（9）的总摩擦阻力。
5.按照权利要求1所述的自分散纳米流体热管，其特征在于，所述的转轴（20）与活塞（8）满足关系式（3）：
Gz=（1±0.2）Gh 式（3）
其中，Gz为叶轮（3）、转轴（20）、双向止推轴承（13）内圈与第一齿轮（21）总质量，Gh为活塞（8）质量。
6.按照权利要求1所述的自分散纳米流体热管，其特征在于，所述的沸腾池底面面积大于热管外壳（2）中部截面积的1.5倍。
7.按照权利要求1所述的自分散纳米流体热管，其特征在于，所述的叶轮（3）、转轴（20）、第一齿轮（21）和第二齿轮（22）均为硬质塑料或轻质金属制成。
8.按照权利要求1所述的自分散纳米流体热管，其特征在于，所述的第一齿轮（21）和第二齿轮（22）的厚度均小于5mm，所述的叶轮（3）中的叶片厚度小于3mm。

说明书全文

一种自分散纳米 流体 热管

技术领域

[0001] 本实用新型涉及一种纳米流体热管，具体来说，涉及一种自分散纳米流体热管。

背景技术

[0002] 纳米流体被认为具有提高换热系统能效的潜力，目前有关报道中采用碳纳米管、铜、铝等单质、以及金属氧化物等纳米颗粒作为介质的纳米流体，其传热效率得到极大提升。但纳米流体工程应用中最大的挑战是悬浮在纳米流体中的纳米粉体会发生团聚和沉降，使纳米流体逐渐退化为普通流体。在纳米流体热管中，由于纳米颗粒的沉降更为造成热管内部纳米流体失去高换热的特性，并且纳米颗粒的团聚体有可能附着在热管的沸腾池部分，造成热管换热壁面热阻增加。热管在使用过程中，由于沸腾时会有较大扰动，此时纳米颗粒由于扰动的存在不易沉降于底面，但是在不使用的时候纳米颗粒会由于重力的作用出现自然沉降，部分纳米颗粒会沉降于热管底面。这种沉降可能是疏松的可逆沉降，在下一次热管工作的时候，经过沸腾的扰动又分散于液体中。但是纳米颗粒除了沉降特性外，长时间使用会出现团聚现象，形成大体积的纳米团聚体。纳米颗粒具有极高的比表面积和表面活性，在纳米流体放置或者运行时间较长的时候由于颗粒间很强的作用力，包括范德华力，颗粒碰撞等作用均会发生团聚。这部分纳米颗粒团聚体的存在不仅会削弱纳米流体的优异特性，比如微对流、高传热传质性能、低粘度（相对于微米颗粒悬浮液）等，而且在纳米流体的使用过程中，这部分团聚体可能成为团聚吸附核心使更多的纳米颗粒吸附在上面，从而导致纳米流体的分散稳定性进一步的降低。所以在纳米流体工程应用中如何维持稳定分散的纳米流体是本领域技术人员面临的技术问题。在热管领域应用的纳米流体，虽然沸腾过程会对产生扰动，能一定程度改善纳米流体的沉降团聚现象，但是由于沸腾的扰动由于不具规律性并不能使已产生的团聚体分散开来，在纳米流体分散方法中常用的方法为剪切分散法，使纳米流体进行圆周运动，利用纳米颗粒在圆周运动过程中径向方向上不同的速度对纳米颗粒进行剪切或者“拉扯”，从而使纳米颗粒团聚体能被“剪切”成稳定分散的纳米颗粒。本实用新型结合热管应用，通过特别的装置设计来对热管中纳米流体提供剪切运动，使纳米流体在应用中具备再分散的功能。实用新型内容

[0003] 技术问题：本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种自分散纳米流体热管，该纳米流体热管通过增压、喷气方式，利用旋转装置在剪切室中对纳米流体进行剪切分散，能使纳米流体热管在工作的时候同时具备自分散的功能；该装置能有效维持纳米流体的分散稳定性，选择性地对团聚颗粒进行分散，从而能提高纳米流体热管的稳定性和可靠性。

[0004] 技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

[0005] 一种自分散纳米流体热管，该热管包括散热翅片、热管外壳，以及位于热管外壳内部的叶轮、喷气通道、活塞室、增压室、回流通道、纳米流体、转轴、第一齿轮、第二齿轮、剪切室、剪切叶片和沸腾池；

[0006] 散热翅片固定连接在热管外壳的外壁面上，喷气通道位于活塞室外侧，喷气通道外壁面和活塞室的壁面之间形成喷气通道，喷气通道外壁面的顶部和活塞室壁面的顶部之间设有旁通孔，活塞室壁面的下部设有喷气进气孔；

[0007] 活塞室固定连接在增压室上方，活塞室内设有活塞，活塞和活塞室壁面之间设有第一密封圈，转轴和活塞之间设有双向止推轴承和轴承盖，双向止推轴承内圈与转轴固定连接，且双向止推轴承和转轴之间设有密封件；双向止推轴承外圈与轴承盖内缘固定连接，双向止推轴承与叶轮之间设有定位套筒,轴承盖外缘安装有第二密封圈，活塞可沿轴承盖外缘滑动；

[0008] 增压室的上部壁面设有活塞定位凸台，活塞的底面可与活塞定位凸台的顶面接触；增压室的下部壁面设有带有筛孔的筛板，该筛板位于连接杆和增压室壁面连接处的上方；

[0009] 增压室和热管外壳内壁之间形成回流通道，剪切室位于回流通道中；剪切室位于增压室外侧，且剪切叶片位于剪切室中；

[0010] 沸腾池位于增压室的下方，增压室位于第一齿轮上方，沸腾池位于第一齿轮下方；沸腾池的壁面设有单向阀片，单向阀片连通沸腾池和回流通道；

[0011] 纳米流体位于增压室、沸腾池和回流通道中；

[0012] 叶轮与转轴的顶端固定连接，转轴的底端与第一齿轮固定连接，第一齿轮与第二齿轮配合，第二齿轮通过连接杆与剪切叶片固定连接，连接杆与密封轴承内圈固定连接，密封轴承外圈固定连接在增压室的壁面上。

[0013] 有益效果：与现有技术相比，本实用新型的纳米流体热管能在热管工作的同时让纳米流体具备自我分散的能力。本实用新型所述热管利用纳米流体分散方法中常用的剪切分散法，利用自身设计形成压差推动叶轮使纳米流体进行圆周运动，利用纳米颗粒在圆周运动过程中径向方向上不同的速度对纳米颗粒进行剪切或者“拉扯”，从而使纳米颗粒团聚体能被“剪切”成体积较小稳定分散的纳米颗粒，并利用筛板使纳米流体团聚体颗粒与稳定分散颗粒分离到不同空间，选择性地对团聚体颗粒进行剪切分散来提高分散效率。本实用新型所述热管通过增压、喷气方式，利用旋转装置在剪切室中对纳米流体进行剪切分散，能使纳米流体热管在工作的时候同时具备自分散的功能。本实用新型不需要额外提供动力设施完全在热管内部，依靠不同空间的压差设计来提供动力，从而能提高纳米流体热管的稳定性和可靠性。本实用新型所述自分散纳米流体热管能有效应用于电子设备、仪器冷却等场合。附图说明

[0014] 图1为本实用新型停止工作时纳米流体热管整体剖视图。

[0015] 图2为本实用新型停止工作时活塞与气缸相对位置示意图。

[0016] 图3为本实用新型稳定工作时纳米流体热管整体剖视图。

[0017] 图4为本实用新型稳定工作时活塞与气缸相对位置示意图。

[0018] 图中有：散热翅片1、热管外壳2、叶轮3、旁通孔4、喷气通道外壁面5、喷气通道6、活塞室7、活塞8、第二密封圈9、轴承盖10、定位套筒11、密封件12、双向止推轴承13、第一密封圈14、喷气进气孔15、活塞定位凸台16、增压室17、回流通道18、纳米流体19、转轴20、第一齿轮21、第二齿轮22、筛板23、密封轴承24、剪切室25、剪切叶片26、单向阀片27、沸腾池28、连接杆29。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图，对本实用新型的技术方案作详细的说明。

[0020] 如图1所示，本实用新型的一种自分散纳米流体热管，包括散热翅片1、热管外壳2，以及位于热管外壳2内部的叶轮3、喷气通道6、活塞室7、增压室17、回流通道18、纳米流体19、转轴20、第一齿轮21、第二齿轮22、剪切室25、剪切叶片26和沸腾池28。散热翅片1固定连接在热管外壳2的外壁面上。喷气通道6位于活塞室7外侧。喷气通道外壁面5和活塞室7的壁面之间形成喷气通道6。喷气通道外壁面5的顶部和活塞室7壁面的顶部之间设有旁通孔4，活塞室7壁面的下部设有喷气进气孔15。活塞室7固定连接在增压室17上方。活塞室7内设有活塞8。活塞8和活塞室壁面之间设有第一密封圈14，转轴20和活塞8之间设有双向止推轴承13和轴承盖10。双向止推轴承13内圈与转轴20固定连接，且双向止推轴承13和转轴20之间设有密封件12。双向止推轴承13外圈与轴承盖10内缘固定连接。双向止推轴承13与叶轮3之间设有定位套筒11。轴承盖10外缘安装有第二密封圈9，活塞8可沿轴承盖10外缘滑动。增压室17的上部壁面设有活塞定位凸台16。活塞8的底面可与活塞定位凸台16的顶面接触。增压室17的下部壁面设有带有筛孔的筛板
23。筛板23位于连接杆29和增压室17壁面连接处的上方。增压室17和热管外壳2内壁之间形成回流通道18。剪切室25位于回流通道18中。剪切室25位于增压室17外侧，且剪切叶片26位于剪切室25中。沸腾池28位于增压室17的下方，增压室17位于第一齿轮
21上方，沸腾池28位于第一齿轮21下方。沸腾池28的壁面设有单向阀片27，单向阀片27连通沸腾池28和回流通道18。纳米流体19位于增压室17、沸腾池28和回流通道18中。
叶轮3与转轴20的顶端固定连接。转轴20的底端与第一齿轮21固定连接，第一齿轮21与第二齿轮22配合，第二齿轮22通过连接杆29与剪切叶片26固定连接。连接杆29与密封轴承24内圈固定连接，密封轴承24外圈固定连接在增压室17的壁面上。

[0021] 作为优选，所述的筛板23的筛孔孔径为0.05—0.2mm，目数为100-200。采用筛板的作用是，当转轴20转动的时候，纳米流体在其带动下进行圆周运动，而纳米流体在转动时受到离心力作用而具有向径向方向运动的倾向性。利用筛板23使纳米流体团聚体颗粒与稳定分散颗粒分离到不同空间。稳定分散的纳米颗粒由于处于纳米级尺寸，颗粒之间的作用（静电力或范德华力等）、布朗运动和流动过程中的扰动等原因使其具备的很强的扩散能力（能自由出入筛孔）而保证了能继续均匀分布于筛板23的内外侧空间（因为稳定分散的纳米颗粒“溶”于基液中，其已具备了一定“溶质”的性质，能稳定均匀分布于流体中，其扩散能力能克服其离心力）；而团聚的纳米颗粒由于其质量体积较大，范德华力、布朗运动对其影响较小，离心力对其影响较大，其扩散作用也较弱，团聚体会在离心力作用下进入筛板23外层空间（即回流通道18中）。这样有选择性地使团聚纳米颗粒穿过筛板23，进入回流通18，再进入剪切室25进行有效地剪切分散。在系统停止运转后，由于筛板23的存在，由于离心力而进入回流通道18中的纳米颗粒团聚体也不易再次扩散到增压室17中，保证了下一次启动热管工作时从回流通道18中仍然含有较多的纳米颗粒团聚体，而进入剪切室
25进行剪切，从而保证了剪切室25的分散效率。如果不使用筛板23，而是将增压室17与回流通道18直接隔断的话，那么沸腾池28和增压室17中纳米团聚体无法进入剪切室25。
如果不使用筛板23而是将增压室17与回流通道18直接连通的话，那么在热管停止后，由于离心力作用进入回流通道18的纳米团聚体将会由于扩散和扰动回到增压室17，下一次启动热管需要从新进行离心，而降低了剪切室25的工作效率。故在回流通道18和增压室
17采用本实用新型所述筛板23能有效避免上述缺点，达到较好的使用目的。

[0022] 进一步，所述的纳米流体19的充注量满足式（1）：

[0023] V=Vh+1.2Vz 式（1）

[0024] 其中，Vh为回流通道18顶部至筛板23顶部之间的体积，Vz为位于筛板23顶部以下的增压室17与沸腾池28的体积。通过保证在运行状态下，纳米流体19能一直淹没筛板23，不会使筛板23与气体界面接触，以防止增压室17中气体通过筛板23进入回流通道18。系数1.2为保证纳米流体淹没筛板的安全系数。

[0025] 所述的回流通道长度、活塞质量及活塞环摩擦参数满足式（2）：

[0026] ρghS=1.2(Gh+f) 式（2）

[0027] 其中，ρ为纳米流体19的密度，g为重力加速度，h为回流通道18顶部至筛板23顶部之间的长度，G为活塞8的重量，f为第一密封圈14和第二密封圈9的总摩擦阻力。这保证了在回流通道18的液面升高至顶部之前，活塞8能被增压室17中气体压力推升，保证了活塞8的正常工作和气体顺利进入喷气通道6。系数1.2为回流通道18设置长度的安全系数。

[0028] 所述的转轴20与活塞8满足关系式（3）：

[0029] Gz=1±0.2Gh 式（3）

[0030] 其中，Gz为叶轮3、转轴20、双向止推轴承13内圈与第一齿轮21总质量，Gh为活塞8质量。这样可以使喷气撞击叶轮3后，能有效地减少双向止推轴承13受到的轴向压力，减小叶轮3转动的阻力。

[0031] 进一步，所述的沸腾池底面面积大于热管外壳2中部截面积的1.5倍。这样可以保证沸腾气体流量能带动叶轮3。沸腾池28底面面积的大小可根据具体的叶轮3转动所需阻力来确定。

[0032] 进一步，所述的叶轮3、转轴20、第一齿轮21和第二齿轮22均硬质塑料或轻质金属制成，例如铝合金材料。作为优化，强度满足情况下可选用空心结构。

[0033] 进一步，所述的第一齿轮21和第二齿轮22的厚度均小于5mm，所述的叶轮3中的叶片厚度小于3mm。

[0034] 上述结构的自分散纳米流体热管中，热管上部为冷凝端，由2-5行（列）空心肋片组成，肋片的行数等于列数，肋片之间与散热翅片相连。热管中部为增压喷射旋转装置。活塞8的内环面与轴承盖10外缘通过第二密封圈9可滑动接触。活塞8的外环面与活塞室7的内壁面通过第一密封圈14可滑动接触。活塞8可以在活塞室7中上下移动。活塞室7壁面的下部设有喷气进气孔15，该喷气进气孔15与喷气通道6相通。活塞室7顶部设有旁通孔4，旁通孔4连通活塞室中活塞8的上部空间与冷凝端空间。增压室17下部壁面处设置有筛板23，纳米颗粒可通过筛板23由增压室17进入回流通道18并进入剪切室25中。增压室17下部为沸腾池28，回流通道18与沸腾池28之间装有单向阀门27，液体能从回流通道18进入沸腾池28中，但沸腾池28中的气泡却不能进入回流通道18中。

[0035] 本实用新型应用的纳米流体19介质为水、乙二醇等低粘度基液，从而保证了流体的较小的剪切阻力。纳米颗粒种类为碳纳米管、金属单质和金属氧化物等高导热系数纳米材料来使液体具有较高的换热系数，作为优化，在具体纳米流体分散工艺可适当添加分散剂来促使纳米颗粒的分散以及进一步减小流动和剪切阻力。

[0036] 本实用新型的自分散纳米流体热管的工作过程为：如图2所示，在未进行加热时，由于纳米流体19均为冷却液体，增压室17和回流通道18的液位相等；在热管进行工作后，沸腾池28 温度升高到沸点后，纳米流体19开始气化，由于单向阀门27的存在，沸腾池28气化产生的气体进入增压室17，而无法进入回流通道18，随着沸腾池28气化的气体逐渐增多，增压室17里面气压升高，导致增压室17的液位下降，而回流通道18的液体液位会上升。图3为本实用新型稳定工作时纳米流体热管整体剖视图，图4为本实用新型稳定工作时活塞与气缸相对位置示意图。当增压室17气压足够大的时候，活塞8被推上去，增压室17里气体进入喷气通道6，如图3和图4所示。在热管运行稳定后，源源不断的气体进入喷气通道6，通过喷气通道6出口冲击叶轮3，带动叶轮3转动，并通过转轴带动第一齿轮21、第二齿轮22和剪切叶片26，使剪切室25中的纳米流体形成剪切运动。而冷凝回来的气体通过回流通道18再次进入沸腾池28中，随着冷凝的液体增多，回流通道18液位升高，压力足够大的时候，单向阀门27打开，可使冷凝液体再次进入沸腾池28实现循环。

[0037] 本实用新型的热管能在纳米流体热管工作同时具备自分散能力，提高了纳米流体热管的稳定性和可靠性。沸腾池28中纳米流体沸腾产生蒸汽在增压室17中聚集，压力提高后推动活塞8，通过喷气通道6冲击叶轮8，叶轮8转动并通过齿轮传动带动剪切叶片26旋转。通过使冷凝回流的液体与沸腾池28中液体形成液位差，来保证沸腾池28的压力，并利用筛板23的筛选作用使团聚纳米颗粒进入剪切室25，利用剪切运动进行自分散。本实用新型能有效避免纳米流体热管中纳米颗粒的团聚，使其同时具备热管散热和自分散功能。本实用新型所述自分散纳米流体热管在电子设备、仪器冷却等场合具有较大应用前景。

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