CN109115016A - 一种实现增强传热的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于传热设备技术领域，涉及一种实现增强传热的装置。所述的装置包括环形热管、气缸、斯特林热机、曲柄，多根并排的所述的环形热管包围形成传热装置，每根所述的环形热管的底端放置在发热设备的外表面上，顶端与所述的气缸的顶部相连；所述的气缸内部装有所述的斯特林热机，底部以下设置所述的曲柄。利用本发明的实现增强传热的装置，能够利用热管及斯特林热机(尤其是β型斯特林热机)，非能动的实现对设备的散热。

Description

一种实现增强传热的装置

技术领域

本发明属于传热设备技术领域，涉及一种实现增强传热的装置。

背景技术

在一些事故工况下，核岛厂房内的隔间会失去通风冷却系统，但其中的电气设备仍然处于运行状态，这就导致设备本体以及隔间的温度持续升高。此时需要一种非能动的应急散热装置，在事故发生之后能够及时的将热量带出，并使电气设备维持在相对安全的温度。

热管是一种高效的传热元件，它可将大量热量通过很小的截面面积高效地进行传输，并且无需外加动力。热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，因此热管具有很高的导热性。由于热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，温降也很小，因此热管具有优良的等温性。

斯特林热机通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力，是一种外燃发动机，与内燃机不同的是，其是从外部获得热源，通过工作介质将热能转换为机械能输出。斯特林热机主要由加热器、冷却器、回热器、动力活塞、气缸及传动机构等部件组成，工质一般为氢气、氦气、空气等。理想的斯特林热机的循环是由两个等熵过程和两个等容过程组成。根据气缸数目和活塞的种类，斯特林热机可以分为三类(α型、β型、γ型)，三类型式主要在外形及配置上存在差异，基本原理相同。其中β型斯特林热机体积较小、传动平稳、易于密封。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现增强传热的装置，其利用热管及斯特林热机(尤其是β型斯特林热机)，能够非能动的实现对设备的散热。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种实现增强传热的装置，所述的装置包括环形热管、气缸、斯特林热机、曲柄，

多根并排的所述的环形热管包围形成传热装置，每根所述的环形热管的底端放置在发热设备的外表面上，顶端与所述的气缸的顶部相连；

所述的气缸内部装有所述的斯特林热机，底部以下设置所述的曲柄。

本发明的装置包括多根并排放置的环形热管，热管底端放置在发热设备上，由于发热设备的表面不一定平整，所以可根据需要改变热管底端的几何形状，使其尽可能贴合发热设备的表面，增强换热效果。同时，将一个小型斯特林热机置于热管所包围的环形空间内，使斯特林热机的热源安装在热管顶端吸收热量，冷源与外界环境空气接触。工质气体受热膨胀、遇冷压缩，从而带动斯特林热机运转起来。用连杆将活塞与曲柄连接起来，这样活塞就能带动曲柄运转，使斯特林热机以轴功的形式对外输出能量。此时在轮轴两端添加两个小型风扇，斯特林热机带动风扇转动，通过强制对流进一步为冷源散热。

本发明的装置是模块式的非能动散热装置，使用时只需将它放置在发热设备的表面。在核电厂隔间冷却系统正常运行的状态下，发热设备表面处于相对较低的温度，此时散热装置不启动；当冷却系统出现故障时，发热设备表面逐渐升温，此时散热装置自动开始运行，降低发热设备的表面温度，防止其因温度过高而带来的损坏。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种实现增强传热的装置，其中所述的斯特林热机为β型斯特林热机。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种实现增强传热的装置，其中所述的装置还包括与所述的曲柄的两端分别连接的两个万向转动轴和与两个万向转动轴分别连接的两个风扇。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种实现增强传热的装置，其中所述的斯特林热机包括热腔室、配气活塞、配气活塞连杆、冷腔室、动力活塞、动力活塞连杆，

所述的环形热管的顶端与其下方的所述的配气活塞之间形成所述的热腔室；

所述的配气活塞与其下方的所述的动力活塞之间形成所述的冷腔室；

所述的配气活塞下方连接向下穿出所述的气缸的所述的配气活塞连杆；

所述的动力活塞下方连接向下穿出所述的气缸的所述的动力活塞连杆。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种实现增强传热的装置，其中所述的斯特林热机还包括设置在所述的配气活塞边缘的回热器。

在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种实现增强传热的装置，其中所述的装置还包括设置在所述的气缸侧壁外围，并与所述的冷腔室连接的翅片。

本发明的有益效果在于，利用本发明的实现增强传热的装置，能够利用热管及斯特林热机(尤其是β型斯特林热机)，非能动的实现对设备的散热。

本发明结合热管与斯特林热机两种工程设计中常用的方法，对热源进行有效散热。这两种散热方式的共同特点为散热效率高、结构形式简单、不需要外界能量输入，符合非能动的散热形式要求。因此，本发明将热管与热源相连，利用热管内部工质相变吸收的潜热带走一部分热源的热量，同时将热管的另一端与斯特林热机的热缸部分连接，并将外界环境视为斯特林热机的冷源，由温差驱动斯特林热机开始运转，从而带动安插在热管环形空间内部的风扇进一步增强热管与外界环境之间的对流换热。

本发明的有益效果具体体现在：

(1)本发明的装置采用非能动的散热形式，在不借助外界能量的条件下，完成对发热设备的降温；

(2)本发明的装置有效利用了设备散出的热量，并使其转化为轴功，带动风扇进一步增强了对设备的散热；

(3)本发明的装置热管底端可根据发热设备的结构样式设计成不同的形状，适用性较高；

(4)本发明的装置整体结构简单，并且可设计为模块化的结构，便于安装以及更换维修。

附图说明

图1为示例性的本发明的实现增强传热的装置的组成结构图。

图2为示例性的本发明的实现增强传热的装置中气缸内斯特林热机的组成结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

示例性的本发明的实现增强传热的装置的结构如图1-2所示，包括环形热管2、气缸3、斯特林热机、翅片9、曲柄13、小型风扇14、万向转动轴15。其中斯特林热机为β型斯特林热机，又包括热腔室4、配气活塞6、配气活塞连杆10、冷腔室5、动力活塞7、动力活塞连杆11、回热器8。

多根并排的环形热管2包围形成传热装置，每根环形热管2的底端放置在电气设备1的外表面上(可根据电气设备1外表面的具体形状来改变环形热管2的底端的构型，使之与电气设备1表面完全贴合，增大传热效率)，顶端与气缸3的顶部相连。环形热管2作为斯特林热机的加热器。

环形热管2与电气设备1表面贴合的一端为蒸发段，与之相对的顶端为冷凝段。当蒸发段受热时，环形热管2的吸液芯中的工作液体吸收热量后蒸发为气体，气体在压力差的作用下向冷凝段流动，在冷凝段释放热量后液化，并沿管芯重新流回蒸发段。

气缸3内部装有斯特林热机，底部以下设置曲柄13。曲柄13的两端分别连接两个万向转动轴15，两个万向转动轴15分别连接两个小型风扇14。

环形热管2的顶端与其下方的配气活塞6之间形成热腔室4。热腔室4为一个封闭的加热空间，在安装气缸3时将环形热管2顶端安置在斯特林热机的热腔室4上方，使环形热管2贯穿热腔室4，这样便可以利用环形热管2的散热量充当斯特林热机的外部热源，使热量传递给闭式循环的气体。

配气活塞6与其下方的动力活塞7之间形成冷腔室5。冷腔室5为封闭空间。

配气活塞6下方连接向下穿出气缸3的配气活塞连杆10。

动力活塞7下方连接向下穿出气缸3的动力活塞连杆11。

配气活塞6与动力活塞7是斯特林热机的关键部件，其结构必须轻巧并且有足够的刚度和强度，从而在减少无用功的同时仍能保证活塞在运动的过程当中不会发生变形。同时其材料应具有很好的绝热性，尽量避免吸收热能，减少热能损失。

回热器8设置在配气活塞6边缘。回热器8位于热腔室4和冷腔室5之间，是循环装置中的重要组成部件，主要作用是交替地吸收工质的热量或向其释放热量，从而辅助加热器和冷却器对工质进行热量传输。从理想的斯特林循环分析，回热器8并非不可或缺，如果考虑到装置整体结构的复杂程度，可以不配备回热器8，而依靠配气活塞6与气缸3壁间的间隙进行回热。

在气缸3侧壁外围设置有与冷腔室5连接的翅片9。翅片9作为斯特林热机的冷却器，用于降低冷腔室5的温度，此时冷源相当于外界环境空气。

斯特林热机常用的工质主要有氦气、氢气和空气，为提高循环效率，应选取比热系数大、导热系数高的工质。氢气最能满足上述要求，但由于其可燃性，从安全角度考虑予以排除，此处选用热力能力仅次于氢气的惰性气体氦气作为循环工质。

上述热腔室4内的空气受热后膨胀，驱动斯特林循环的进行；配气活塞6与动力活塞7在运动的过程中带动曲柄13转动，从而将热能转化为轴功。另外万向转动轴15又带动小型风扇14转动，进一步为斯特林热机的冷腔室5降温，从而达到提高散热效率的目的。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种实现增强传热的装置，其特征在于：所述的装置包括环形热管、气缸、斯特林热机、曲柄，

多根并排的所述的环形热管包围形成传热装置，每根所述的环形热管的底端放置在发热设备的外表面上，顶端与所述的气缸的顶部相连；

所述的气缸内部装有所述的斯特林热机，底部以下设置所述的曲柄。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的斯特林热机为β型斯特林热机。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的装置还包括与所述的曲柄的两端分别连接的两个万向转动轴和与两个万向转动轴分别连接的两个风扇。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的斯特林热机包括热腔室、配气活塞、配气活塞连杆、冷腔室、动力活塞、动力活塞连杆，

所述的环形热管的顶端与其下方的所述的配气活塞之间形成所述的热腔室；

所述的配气活塞与其下方的所述的动力活塞之间形成所述的冷腔室；

所述的配气活塞下方连接向下穿出所述的气缸的所述的配气活塞连杆；

所述的动力活塞下方连接向下穿出所述的气缸的所述的动力活塞连杆。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的斯特林热机还包括设置在所述的配气活塞边缘的回热器。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的装置还包括设置在所述的气缸侧壁外围，并与所述的冷腔室连接的翅片。