蒸发器为环形结构的相变驱动环路热管的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种蒸发器为环形结构的相变驱动环路热管，其结构是：蒸发器的上部是一个两端开放的圆桶；下部是空间夹层，空间夹层的长度与圆桶的长度相等，圆桶横卧于空间夹层的上面。空间夹层的左右两端开放，空间夹层与圆桶的两端通过密封板封堵。圆桶内设有环形的吸液芯，吸液芯一端开放；另一端封闭。循环管的一端穿过密封板与吸液芯开放的一端相通；循环管的另一端穿过密封板与吸液芯外部相通，循环管设有冷凝器。空间夹层的底部为蒸发器的吸热面，吸液芯外部与圆桶内壁以及空间夹层相通。循环管与蒸发器连接的角度可在0～90°内任意调节。本发明弥补了目前相变驱动环路热管的技术缺陷，可用于多类高热流密度器件的冷却散热。
【专利说明】
蒸发器为环形结构的相变驱动环路热管
技术领域
[0001]本发明属于热能工程领域，具体涉及一种环形结构蒸发器的环路热管装置。
【背景技术】
[0002]环路热管(LHP)以传热能力强、稳定性好为特点，施用于多种电子设备的热控以及高热流密度电子器件的散热。众所周知，热管内工质能够进行自然循环的动力是由毛细芯产生的毛细抽力，毛细芯(或者称为吸液芯)是设置在热管蒸发段内的一种多孔介质材料。毛细结构具有抽吸液态工质的特征，当蒸发段被加热时毛细芯中的液体便会相变蒸发成为汽体，蒸汽经冷凝段凝结成液体返回蒸发段。工质就是通过热管蒸发段和冷凝段的吸、放热过程将热量传出。
[0003]但是经典传热理论认为毛细抽力或毛细压头是工质循环唯一的推动力，这种理论的表征并不完备。毛细芯类热管系统的驱动机制不仅只有毛细力，热管内工质循环的驱动机制主要由界面蒸汽和界面液体两种驱动压头不同的界面行为所决定。但是由于热管结构的设置导致“界面蒸汽压头”所产生的驱动力作用非常小。除此之外，目前环路热管的结构除导致主流相变工质会有小部分反向流动(称为漏热)使得流动阻力增加以外，主要是工质在毛细芯内相变蒸发产生的驱动压头伴有汽、液两相流动。这样所带来的问题是，蒸发段与冷凝段之间的距离不能过长。为了减小流动阻力和提高热管的传热性能所采取的方案是:
(I)通过改变LHP工质进出口的位置来防止漏热现象的发生；(2)设法增大界面蒸汽驱动压头。将蒸发段受热面设置成微槽道结构，使得毛细芯与受热面相对脱开，毛细芯内的液体滴落到微槽道底面相变为蒸汽，这样就可相对增大界面蒸汽压头。
[0004]但是上述热管结构的特点是，蒸发段受热面与毛细芯之间并未完全架空，只是通过微槽道结构来增大蒸汽分量，实际上蒸发段受热面产生的热量会有一部分通过微槽道的立面(非常细小)传至毛细芯的液体内。这样所带来的问题是，蒸发段底面的热量将有一部分对毛细芯内的液体工质加热，使得毛细芯内温度升高、饱和蒸汽分压力增大，不利于工质液滴下落。同时又使得蒸发段底面上的热量相对减少，而不利于产生更多的相变蒸汽使得传热效率降低，或者说降低了蒸发段的界面蒸汽压头。曾有人提出一种“相变驱动环路热管散热器(ZL2012105751309)”，该结构将蒸发段受加热面与毛细芯之间完全架空而形成蒸汽腔，使得施加于蒸发段底面的热量得到有效利用，但是存在的问题是吸液芯内工质液滴的稳定下落很难控制。因为其蒸发段是矩形结构，很难使得液滴均匀地整体滴落，由于液滴下落工况不稳定，导致蒸汽发腔的压力不稳定，从而影响该结构热管的整体循环。本发明的提出可使液滴下落不稳定问题得到满意地解决。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是，提出一种主要以蒸汽压头驱动工质循环的、蒸发器为环形结构的相变驱动环路热管装置，以有效提高LHP的换热性能。
[0006]蒸发器为环形结构的相变驱动环路热管，其技术方案是:该环路热管包括蒸发器、吸液芯、循环管、工质以及发热源等。蒸发器的上部是一个两端开放的圆桶；下部是空间夹层;空间夹层的长度与圆桶的长度相等，圆桶横卧于空间夹层的上面。空间夹层的左右两端开放，空间夹层与圆桶的两端通过密封板封堵。圆桶内设有环形的吸液芯，吸液芯一端开放;另一端封闭。循环管的一端穿过密封板与吸液芯开放的一端相通;循环管的另一端穿过密封板与吸液芯外部相通，吸液芯外部与圆桶内壁以及空间夹层相通，循环管设有冷凝器，由此构成闭合环路热管。
[0007]蒸发器为环形结构的相变驱动环路热管的结构原理是:蒸发器设计成一个圆桶与空间夹层构成的密封腔体，在圆桶内设有吸液芯，吸液芯是由多孔材料加工而成。液体工质从吸液芯中心进入，从吸液芯壁面渗出，渗出的液体滴落到空间夹层底板上，而且在吸液芯与空间夹层底板之间没有任何结构支撑。因为空间夹层的底板是蒸发器的受热端(也称加热面)，外部热源对其加热后，液体滴落在底板上立刻相变为蒸汽，所以该夹层形成一个相变空间，也称为该环路热管的蒸汽腔。即从蒸发器出来的工质呈单相蒸汽通过热管传输段流向冷凝段放热凝结，而毛细力热管蒸发段出来的工质是呈汽液两相状态流动。由于该热管蒸发器的传热传质过程比毛细力热管复杂的多，工质液滴能否稳定下落是该热管能否稳定运行的关键。该结构克服了毛细芯体与蒸汽腔同为矩形结构的弊端，液体滴落后可自行散开。工质在圆形吸液芯内依靠其表面张力、吸液芯较低的导热系数、以及蒸汽腔(空间夹层)的最佳间隙，使相变蒸汽无法在吸液芯内蒸发。由此可使工质流体相变后以纯蒸汽状态进入冷凝段。热管蒸发器的底端是一个矩形平面，需要被冷却的高热流密度器件与蒸发器固定在一起。相变驱动环路热管的关键是工质的流动不是依靠吸液芯毛细力的作用，而是通过夹层内液体的相变驱动工质循环。
[0008]本发明的特点以及产生的有益效果是，环形结构的蒸发器其结构以及传热机理，在克服了传统环路热管传热效率低下的基础上，弥补了相变驱动环路热管的技术缺陷。该结构热管可以使蒸发段与冷凝段的距离相对延长，而且循环管与蒸发器两端的连接角度可以调节，这样非常有利于对高热流密度器件冷却结构的设计。本发明与目前应用的热管相比，具有低阻循环的特点和相对较大的工质传输动力，可用于多类高热流密度发热器件的冷却散热。
【附图说明】
[0009]图1是本发明的外观系统图。
[0010]图2本发明蒸发器部分的原理与结构剖面简图，图中实心箭头表示工质蒸汽;空心箭头表示工质液体。
[0011]图3是图2端面的吸液芯与蒸发器原理结构图。
【具体实施方式】
[0012]以下结合附图并通过具体实施例对本发明的原理与结构作进一步的说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此实施例限定本发明的保护范围。
[0013]蒸发器为环形结构的相变驱动环路热管，其结构是:蒸发器的上部是一个两端开放的圆桶1-1;下部是空间夹层1-2;空间夹层的长度与圆桶的长度相等，圆桶横卧于空间夹层的上面。空间夹层的左右两端开放，空间夹层与圆桶的两端通过密封板2封堵。圆桶内设有环形的吸液芯4，吸液芯一端开放;另一端封闭。循环管3的一端穿过密封板与吸液芯开放的一端相通;循环管的另一端穿过密封板与吸液芯外部相通，吸液芯外部与圆桶内壁以及空间夹层相通，循环管设有冷凝器5，由此构成闭合环路热管。
[0014]空间夹层的底部为蒸发器的吸热面1-3，该吸热面与热管外部的发热源相接。循环管与蒸发器连接的角度可在O?90°内任意调节，循环管与蒸发器处于同一个平面时为0° ;循环管与蒸发器上表面垂直时为90°。吸液芯与圆桶位于同一圆心。吸液芯开放的一端是蒸发器液体工质的进口端;与吸液芯外部连接的循环管接口是工质相变蒸汽出口端。密封板与圆桶、吸液芯工质进口端、以及空间夹层之间设有密封层，并通过4个螺钉6将两块密封板紧固。
[0015]液体工质从吸液芯开放的一端进入，通过吸液芯渗流滴落至所述空间夹层的底部受热面相变蒸发，工质蒸汽经循环管返回吸液芯进口。
[0016]本实施例热管采用铜质，空间夹层的高度为2.5mm，蒸发器下端蒸发腔的面积为55X55mm;循环管外径为6mm;循环管与蒸发器处于同一平面;吸液芯采用烧结成型的不锈钢-镍金属芯。热管主要用于高热流密度器件的冷却，所以热管的蒸发器底面与计算机主板中的CPU紧密相接。
[0017]由于该热管的结构可以实现低阻循环，并且突出了汽相驱动压头，所以蒸发段与冷凝段的距离可以相对延长。本实施例在工质循环的管路中未设置冷凝器，通过增加工质环路的长度来替代冷凝(段)器。与此同时，循环管与蒸发器(两端)的连接角度可以调节，这样设计的目的是:循环管与蒸发器连接的角度大小反映了相变蒸汽驱动压头的高低，蒸汽驱动压头越高，循环管与蒸发器两者之间的角度也可以越大。如果循环管与蒸发器相互垂直，说明环路热管中的工质可以进行反重力循环，由此可以证明该热管工质循环的驱动力没有毛细抽力。在实际应用中，可以实现热管蒸发段与冷凝段或循环管的距离大幅延长，这样非常适合于对高热流密度器件冷却结构方案的设计。
【主权项】
1.蒸发器为环形结构的相变驱动环路热管，包括蒸发器、冷凝器、吸液芯、工质以及发热源，其特征是:蒸发器的上部是一个两端开放的圆桶(1-1);下部是空间夹层(1-2);空间夹层的长度与圆桶的长度相等，圆桶横卧于空间夹层的上面，空间夹层的左右两端开放，空间夹层与圆桶的两端通过密封板(2)封堵，圆桶内设有环形的吸液芯(4)，吸液芯一端开放；另一端封闭，循环管(3)的一端穿过密封板与吸液芯开放的一端相通;循环管的另一端穿过密封板与吸液芯外部相通，吸液芯外部与圆桶内壁以及空间夹层相通，循环管设有冷凝器(5)，由此构成闭合环路热管。2.按照权利要求1所述蒸发器为环形结构的相变驱动环路热管，其特征是所述空间夹层的底部为蒸发器的吸热面(1-3)，该吸热面与热管外部的发热源相接。3.按照权利要求1所述蒸发器为环形结构的相变驱动环路热管，其特征是所述循环管与蒸发器连接的角度可在O?90°内任意调节，循环管与蒸发器处于一个平面时为0° ;循环管与蒸发器上表面垂直时为90°。4.按照权利要求1所述蒸发器为环形结构的相变驱动环路热管，其特征是所述密封板与所述圆桶、吸液芯工质进口端、以及空间夹层之间设有密封层，并通过螺钉(6)将两块密封板紧固。5.按照权利要求1所述蒸发器为环形结构的相变驱动环路热管，其特征是所述吸液芯与圆桶位于同一圆心。6.按照权利要求1所述蒸发器为环形结构的相变驱动环路热管，其特征是所述吸液芯开放的一端是蒸发器液体工质的进口端;与吸液芯外部连接的循环管接口是工质相变蒸汽出口端。7.按照权利要求1所述蒸发器为环形结构的相变驱动环路热管，其特征是所述空间夹层的高度为1.0至5.0mm。8.按照权利要求1所述蒸发器为环形结构的相变驱动环路热管，其特征是所述液体工质从吸液芯开放的一端进入，通过吸液芯渗流滴落至所述空间夹层的底部受热面相变蒸发，工质蒸汽经循环管返回吸液芯进口。
【文档编号】F28D15/02GK105841527SQ201610184314
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】诸凯, 郑铭铸, 王雅博, 魏杰
【申请人】天津商业大学