一种微型环路热管与方法与流程

本发明涉及热管，尤其涉及一种微型环路热管与方法。

背景技术：

电子设备工作的可靠性对温度极其敏感，器件温度在70-80℃水平上每增加1℃，可靠性就会下降5％。因此电子元件内部散热问题尤为突出，由于高温造成的失效占所有电子产品失效的50％，散热成了电子产品小型化发展的瓶颈。

微型环路热管(miniatureloopheatpipe，mlhp)由蒸发室、冷凝室、储液室、蒸汽管道以及液体管道五部分组成，主要依靠毛细结构为流体工质提供循环动力。这类热管具有传热功率大、等温性好、可靠性高、易于控制、能长距离传热、布置方便等优点，加之mlhp系统利用内部毛细结构为流体工质循环提供驱动力，工作中不消耗其他机械力，无须外加驱动装置(如泵)，因此对于电子设备的热控而言，mlhp具有相当好的应用前景。

由于微型环路热管工作中涉及到相变和流体流动，流体的热特性是实现mlhp优质传热性能的至关重要的因素。

纳米流体导热系数高，纳米粒子的布朗运动形成的热扩散也有助于热传递，故纳米流体能强化对流换热，同时也适合于相变传热。但研究表明当纳米流体用于微热管时，由于纳米颗粒比表面积大，容易团聚，团聚后的纳米颗粒阻塞毛细吸液芯，从而使得微热管传热性能恶化。

普通微型环路热管中，设计复合毛细芯的目的都是为了减小流动阻力(所以内层毛细芯孔径较大)和保证热传导能力(所以外层毛细芯孔径较小)，各层毛细芯均与流体直接接触，产生蒸汽，且实现强化液体蒸发功能的主要是孔径较小的外层毛细芯，所以在装备这种复合毛细芯的普通微型环路热管中采用纳米流体作为工质时，是没办法避免纳米颗粒阻塞毛细芯并造成微型环路热管传热性恶化的。

针对这一特点，本发明拟改进微型环路热管的蒸发室结构，设计开发一种新型微型环路热管，避免因纳米流体团聚而影响微型环路热管传热性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单，传热效率高的微型环路热管与方法，解决因纳米流体团聚而影响微型环路热管传热性能的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种微型环路热管，其包括一蒸发室，蒸发室一端通过蒸汽管5连接冷凝室入口，蒸发室另一端通过液体回流管6连接冷凝室出口；所述蒸发室内灌注有纳米流体工质；

所述蒸发室内部通过由绝热材料制成的绝热隔板7，将蒸发室分为两个互相连通的蒸发空间1和回流液储存空间2；

在蒸发空间1和回流液储存空间2内分别设置有多层不同孔径的毛细芯层；所述蒸发空间1与回流液储存空间2的毛细芯层的平面彼此相互垂直；

当外界热量由蒸发空间1的壁面8输入时，蒸发空间1里的纳米流体工质受热蒸发产生蒸汽，蒸汽由蒸汽管5进入冷凝室冷凝后沿液体回流管6回到回流液储存空间2，然后经蒸发室的底部，即绝热隔板7底部通道9回到蒸发空间1，并以此循环。

所述蒸发空间1内的毛细芯层为大孔径毛细芯3，其孔径尺寸大于200μm，以使团聚的纳米颗粒尺寸小于200μm并不阻塞蒸发空间内的大孔径毛细芯3的毛细结构；

回流液储存空间2内的小孔径毛细芯4的孔径尺寸设为小于200μm，以提高回流液进入蒸发空间的动力。

所述蒸发空间1的各大孔径毛细芯3之间采用沿蒸发室高度方向，上下依次间隔平行叠置；所述回流液储存空间2的各小孔径毛细芯4采用沿蒸发室长度方向左右依次间隔平行放置。

所述蒸发空间1与回流液储存空间2的体积比为2:1。

所述蒸发空间1的各大孔径毛细芯3的面积自上而下依次逐渐增大，所述各大孔径毛细芯3的相同侧固定在蒸发空间1左侧的内壁面，它们的右侧与蒸发空间1的内侧壁留有间隙；

所述回流液储存空间2的小孔径毛细芯4的面积相同，或者从左至右依次逐渐减小；所述回流液储存空间2的各小孔径毛细芯4的相同侧固定在回流液储存空间2的内底壁，它们的上侧与回流液储存空间2的内顶壁和内侧壁留有间隙。

所述蒸发室为长方形结构。

一种增强回流液体循环动力的方法，其包括如下步骤：

当外界热量由蒸发空间1的壁面8输入时，蒸发空间1里的纳米流体工质受热蒸发产生蒸汽，蒸汽由蒸汽管5进入冷凝室，冷凝后的蒸汽转换成液体后沿液体回流管6回到回流液储存空间2；

由于纳米流体工质的基液分子尺寸小于纳米颗粒尺寸，回流液储存空间2内的小孔径毛细芯4仅允许基液分子自由通过，并提供回流液进入蒸发空间1内的动力，同时阻隔蒸发空间1内的纳米颗粒通过底部通道9进入回流液储存空间2，从而在蒸发空间1和回流液储存空间2产生浓度差，以形成渗透薄膜效应，使回流液储存空间2内的回流液进入蒸发空间1的动力变大，进而增加了回流液体进入蒸发空间1的循环动力。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

纳米流体易于团聚，但当团聚的纳米颗粒尺寸小于毛细芯的孔径并小于200μm时，则不会明显恶化热管传热性能，因此蒸发空间的毛细芯的孔径尺寸大于200μm，以保证团聚的纳米颗粒尺寸小于200μm并不阻塞蒸发空间的毛细结构。同时，蒸发空间的大孔径毛细芯也能提供一定的强化传热作用，减小蒸汽流通阻力。

基液分子尺寸远小于纳米颗粒尺寸，回流液储存空间的毛细芯能允许基液分子自由通过，并提供回流液进入蒸发空间的动力，同时阻隔蒸发空间的纳米颗粒通过底部通道进入回流液储存空间，从而在蒸发空间和回流液储存空间形成浓度差，类似于“渗透薄膜”的结构，提供足够的回流液进入蒸发空间的动力。因此回流液储存空间的毛细芯的孔径尺寸小于200μm。

本发明微型环路热管工作时，通过蒸发空间的大孔径毛细芯避免团聚的纳米颗粒阻塞毛细芯，并一定程度上强化传热；通过回流液储存空间的小孔径毛细芯形成“渗透薄膜”的结构，进一步提供流体流动动力。

在采用本发明微型环路热管的情况下，纳米流体沸腾蒸发收集的冷凝液体的体积为15ml，而在普通环路热管情况下，纳米流体沸腾蒸发收集的冷凝液体的体积为12ml。可见本发明微型环路热管可以进一步强化液体的沸腾，使得单位时间内有更多的液体汽化，传热效果更好。

本发明微型环路热管和普通环路热管两种情况下，收集的冷凝液电导率为27.7μs/cm，与去离子水的电导率25.1μs/cm相接近。由此可见在本发明微型环路热管中，回流到回流液储存空间的冷凝液基本不含纳米颗粒。

因此，在采用本发明微型环路热管的情况下，虽然回流液储存空间里的毛细吸液芯孔径较小，但因为回流的冷凝液基本不含纳米颗粒，所以不存在因纳米颗粒团聚而阻塞回流液储存空间里的毛细结构的可能性。同时，因为回流液储存空间里的毛细结构孔径较小，阻止了蒸发空间的纳米颗粒由底部通道进入回流液储存空间，从而能够在蒸发空间和回流液储存空间形成纳米颗粒的浓度差，产生一定的渗透压，增加回流液体循环动力。

而普通环路热管情况下，不同孔径大小的各层毛细芯均直接接触纳米颗粒，无法形成纳米颗粒的浓度差，提供额外的循环动力。

多次加热沸腾后取出大孔径毛细芯，通过扫描电镜观察可见，本发明环路热管蒸发空间的大孔径毛细芯上团聚的纳米颗粒尺寸小于200μm，而普通环路热管的毛细芯有堵塞现象。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为图1俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1至2所示。本发明公开了一种微型环路热管，其包括一蒸发室，蒸发室一端通过蒸汽管5连接冷凝室入口，蒸发室另一端通过液体回流管6连接冷凝室出口；所述蒸发室内灌注有纳米流体工质；

所述蒸发室内部通过由绝热材料制成的绝热隔板7，将蒸发室分为两个互相连通的蒸发空间1和回流液储存空间2；

在蒸发空间1和回流液储存空间2内分别设置有多层不同孔径的毛细芯层；所述蒸发空间1与回流液储存空间2的毛细芯层的平面彼此相互垂直；

当外界热量由蒸发空间1的壁面8输入时，蒸发空间1里的纳米流体工质受热蒸发产生蒸汽，蒸汽由蒸汽管5进入冷凝室冷凝后沿液体回流管6回到回流液储存空间2，然后经蒸发室的底部，即绝热隔板7底部通道9回到蒸发空间1，并以此循环。

所述蒸发空间1内的毛细芯层为大孔径毛细芯3，其孔径尺寸大于孔径尺寸大于200μm，以使团聚的纳米颗粒尺寸小于200μm并不阻塞蒸发空间内的大孔径毛细芯3的毛细结构；

回流液储存空间2内的小孔径毛细芯4的孔径尺寸设为小于200μm，以提高回流液进入蒸发空间的动力。

所述蒸发空间1的各大孔径毛细芯3之间采用沿蒸发室高度方向，上下依次间隔平行叠置；所述回流液储存空间2的各小孔径毛细芯4采用沿蒸发室长度方向左右依次间隔平行放置。

所述蒸发空间1与回流液储存空间2的体积比为2:1。

所述蒸发空间1的各大孔径毛细芯3的面积自上而下依次逐渐增大，所述各大孔径毛细芯3的相同侧固定在蒸发空间1左侧的内壁面，它们的右侧与蒸发空间1的内侧壁留有间隙；

所述回流液储存空间2的小孔径毛细芯4的面积相同，或者从左至右依次逐渐减小；所述回流液储存空间2的各小孔径毛细芯4的相同侧固定在回流液储存空间2的内底壁，它们的上侧与回流液储存空间2的内顶壁和内侧壁留有间隙。

所述蒸发室为长方形结构。

本发明环路微热管的蒸发室外部形状为长方体形(66mm×64mm×34mm)，外壁材料为黄铜。

蒸发空间和回流液储存空间体积比2：1(蒸发空间尺寸40mm×60mm×30mm。

回流液储存空间尺寸20mm×60mm×30mm)，外壁厚2mm。

蒸发空间里从上到下两片大孔径毛细吸液芯尺寸分别为20mm×40mm×2mm以及35mm×50mm×2mm。

回流液储存空间里从左到右三片小孔径毛细吸液芯尺寸分别为2mm×50mm×20mm、2mm×40mm×20mm以及2mm×30mm×20mm，绝热隔板尺寸2mm×60mm×25mm。

蒸汽管内径5mm，外径8mm。

液体管内径3mm，外径6mm。

毛细吸液芯材质均为泡沫铜，但蒸发空间的大孔径毛细芯的孔径尺寸大于200μm，以保证团聚的纳米颗粒尺寸小于200μm，且不阻塞蒸发空间的毛细结构。回流液储存空间的小孔径毛细芯的孔径尺寸小于200μm，由于基液分子尺寸较小，基液分子能自由通过回流液储存空间的毛细芯能回到蒸发空间，蒸发空间的纳米颗粒则不能通过回流液储存空间的毛细芯到达回流液储存空间，因此在蒸发空间和回流液储存空间形成一纳米颗粒浓度差以及压力差，有助于纳米流体循环。

若采用本发明实验时：采用一紫铜块与蒸发空间左侧外壁紧密接触，紫铜块上钻4个孔，然后在孔中插入4根100w225v的加热棒，利用加热棒对环路热管加热，并用一调压器对输入电压进行调节，从而控制加热功率为50w。整个蒸发室采用绝热材料包裹，以减少能量损失。在蒸发室内注入80ml的质量浓度为1.5％的cu-去离子水纳米，流体实验开始前先对装置抽真空至2000pa，蒸汽由环路热管的蒸汽管通过外界管道进入集液装置，液体管道封闭。

1)测试20min内所收集的液体量；2)利用fe30台式电导率仪(梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司)装置，测量所收集的液体的电导率；3)取出蒸发空间里的大孔径毛细芯，通过电子扫描电镜，检测毛细结构阻塞情况。将本发明环路热管换做具有同样蒸发室外部尺寸的普通环路热管，重复试验，并与本发明环路热管在相同试验情况下相比较。

本发明增强回流液体循环动力的方法，可通过如下步骤实现：

当外界热量由蒸发空间1的壁面8输入时，蒸发空间1里的纳米流体工质受热蒸发产生蒸汽，蒸汽由蒸汽管5进入冷凝室，冷凝后的蒸汽转换成液体后沿液体回流管6回到回流液储存空间2；

由于纳米流体工质的基液分子尺寸小于纳米颗粒尺寸，回流液储存空间2内的小孔径毛细芯4仅允许基液分子自由通过，并提供回流液进入蒸发空间1内的动力，同时阻隔蒸发空间1内的纳米颗粒通过底部通道9进入回流液储存空间2，从而在蒸发空间1和回流液储存空间2产生浓度差，以形成渗透薄膜效应，使回流液储存空间2内的回流液进入蒸发空间1的动力变大，进而增加了回流液体进入蒸发空间1的循环动力。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。