用于减轻热虹吸管蒸发器或冷凝器中的高热通量状况的机构的制作方法
【专利摘要】本公开涉及系统、装置和方法，所述系统、装置和方法利用导热基质材料来增强热虹吸管系统(10)，以便针对所述热虹吸管系统的预定区域处的热传导来增加表面面积与体积比，同时最小化孤立于这些区域的毛细力。所述热虹吸管系统具有管路，所述管路包括冷凝器区域(22)、蒸发器区域(24)和绝热区域(26)(例如，处于所述冷凝器区域与所述蒸发器区域之间的区域)。所述管路可容纳热输送介质，并且可根据热虹吸管原理而在所述冷凝器区域与所述蒸发器区域之间提供所述热输送介质的被动两相输送。所述系统也包括导热基质材料，所述导热基质材料容纳在所述冷凝器区域和/或所述蒸发器区域中，但并不容纳在所述绝热区域中，从而使得所述导热基质材料在所述冷凝器区域和/或所述蒸发器区域中增加用于热传递的表面面积。
【专利说明】用于减轻热虹吸管蒸发器或冷凝器中的高热通量状况的机构
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2014年I月28日提交的临时专利申请序列号61/932,377的权益，所述申请的公开内容特此以引用的方式并入本文。
[0003]公开领域
[0004]本公开涉及在热虹吸管系统的冷凝器区域和/或蒸发器区域处实现增加的热传递速率，同时最小化由增加的热通量导致的不利状况。
[0005]背景
[0006]热虹吸管系统使用被动两相热交换过程，所述过程涉及基于自然对流来移动热量。对流是由热量引起的流体移动。详细而言，较热流体相比于较冷流体而言趋于上升，因为较热流体的密度小于较冷流体，较冷流体受重力影响而下沉。这种物理效应使得流体承载的热量进行传递而无需机械栗。
[0007]热虹吸管系统包括容纳用于热交换的流体(例如，高压制冷剂)的管道。所述管道在管道的冷凝器区域与管道的蒸发器区域之间提供流体的被动两相输送。蒸发器区域在物理上位于冷凝器区域下方。冷凝器区域中的流体随着其冷却而进行冷凝，并且冷凝流体由于重力和/或向心力而从管道的冷凝器区域流动到管道的蒸发器区域。在蒸发器区域中，流体被加热，这致使流体蒸发。所蒸发的流体随后通过浮力而从管道的蒸发器区域流动到管道的冷凝器区域。在热交换期间，流体借助这种两相过程进行循环。
[0008]当将热虹吸管系统用于两相被动热输送时，必须解决的一个问题在于管理形成热虹吸管系统的管道的蒸发器区域和/或冷凝器区域中的高热通量状况。例如，增加热虹吸管系统的管道的冷凝器区域(或同样地蒸发器区域)中的热传递而在冷凝器区域中不遭受由增加的热通量(每单位时间内每单位面积上传递的热量)所造成的损失和/或A T增加(SP，温差的增加)则需要增加冷凝器区域的表面面积(即，增加用于工作流体与冷却机构(例如，热电冷却器)之间的热传递的表面面积)。针对这个问题的常规解决方案包括使用复杂的热交换器或歧管来增加用于热交换的表面面积。这些解决方案一般成本高得惊人。此外，当使用高压制冷剂时，这些解决方案的益处被进一步否定掉，因为用于热交换的容器的壁必须加厚以便安全地容纳高度加压的制冷剂，这会导致显著的热传导损失(即，阻碍热传导)。
[0009]因此，需要机构来在热虹吸管蒸发器和/或冷凝器中实现较高的热传递速率，同时减轻由增加的热通量导致的缺陷。
[0010]概述
[0011]本公开涉及系统、装置和方法，所述系统、装置和方法利用导热基质材料来增强热虹吸管系统，以便针对热虹吸管系统的预定部分处的热传导来增加表面面积与体积比，同时最小化孤立于预定部分的毛细力和流体夹带。公开热虹吸管系统的实施方案。在一些实施方案中，所述热虹吸管系统包括:管路，其包括冷凝器区域、蒸发器区域和处于冷凝器区域与蒸发器区域之间的区域，所述管路可操作来容纳热输送介质，并且可操作来根据热虹吸管原理而在冷凝器区域与蒸发器区域之间提供热输送介质的被动两相输送；以及导热基质材料，其容纳在所述管路的冷凝器区域和蒸发器区域中的至少一者中，但并不容纳在所述管路中处于冷凝器区域与蒸发器区域之间的区域中，从而使得所述导热基质材料在所述管路的冷凝器区域和蒸发器区域中的所述至少一者中增加用于热传递的表面面积。以这种方式，增强的热虹吸管系统可在不使用复杂且昂贵的热交换器和/或歧管的情况下增加热输送，同时减轻通常由增加的热通量导致的不利状况。
[0012]在一些实施方案中，导热基质材料包括随机基质结构和半随机基质结构中的至少一种。在一些实施方案中，导热基质材料包括非随机基质结构。在一些实施方案中，热输送介质是流体。
[0013]在一些实施方案中，导热基质材料容纳在所述管路的冷凝器区域的一部分和所述管路的蒸发器区域的一部分中的至少一个中。在一些实施方案中，导热基质材料容纳在与所述管路的冷凝器区域共同延伸的区域以及与所述管路的蒸发器区域共同延伸的区域中的至少一个中。
[0014]在一些实施方案中，导热基质材料包括多根纤维的网格，所述多根纤维包括随机化直径、随机化长度和随机化空间方位中的至少一者。在一些实施方案中，所述网格包括孔隙度，所述孔隙度被预先确定以便基于由所述网格提供的增加的表面面积来最小化毛细力，同时实现预定的热传递速率。在一些实施方案中，所述网格是可变形的。
[0015]在一些实施方案中，导热基质材料包括导热纤维和导热颗粒中的至少一者。在一些实施方案中，导热纤维和导热颗粒中的所述至少一者包括由铜和铝组成的群组中的至少一者O
[0016]在一些实施方案中，导热基质材料是烧结粉末。在一些实施方案中，所述烧结粉末包括某一密度，所述密度被预先确定以便基于由所述烧结粉末提供的增加的表面面积来最小化毛细力，同时实现预定的热传递速率。
[0017]在一些实施方案中，导热基质材料包括多个预制筛网的布置。在一些实施方案中，所述布置包括预定数目的所述多个预制筛网。在一些实施方案中，所述多个预制筛网的所述预定数目经过确定以便基于由所述多个预制筛网提供的增加的表面面积来最小化毛细力，同时实现预定的热传递速率。在一些实施方案中，所述多个预制筛网的布置堆叠在随机化方位上。
[0018]在一些实施方案中，当容纳在所述管路的冷凝器区域和蒸发器区域中的所述至少一者中时，导热基质材料所形成的结构是多孔结构。在一些实施方案中，导热基质材料具有螺旋带状几何结构。
[0019]在一些实施方案中，导热基质材料的热导率等于或大于所述管路的热导率。
[0020]在一些实施方案中，导热基质材料容纳在冷凝器区域中。在一些实施方案中，导热基质材料容纳在蒸发器区域中。在一些实施方案中，导热基质材料容纳在冷凝器区域中并且容纳在蒸发器区域中。
[0021]本文也公开用于热虹吸管系统的管路的实施方案。在一些实施方案中，所述用于热虹吸管系统的管路包括导热基质材料，所述导热基质材料在所述管路的冷凝器区域和所述管路的蒸发器区域中的至少一个中增加用于热传递的表面面积，但不在所述管路中处于冷凝器区域与蒸发器区域之间的区域中增加用于热传递的表面面积，所述管路可操作来容纳热输送介质并且可操作来根据热虹吸管原理而在冷凝器区域与蒸发器区域之间提供热输送介质的被动两相输送。
[0022]在一些实施方案中，所述导热基质材料包括孔隙度，所述孔隙度被预先确定以便基于由所述导热基质材料提供的增加的表面面积来最小化毛细力，同时实现预定的热传递速率。
[0023]本领域的技术人员在结合附图阅读以下对优选实施方案的详细描述之后，将了解本公开的范围并且意识到本公开的另外方面。
[0024]附图简述
[0025]并入且形成本说明书一部分的附图示出本公开的若干方面，并且连同描述内容一起用来解释本公开的原理。
[0026]图1示出根据本公开的一些实施方案的、包括耦接到热交换区块的输送管的热虹吸管系统；
[0027]图2示出根据本公开的实施方案的、来自图1的热虹吸管系统的单个传递管和热交换区块的区域；
[0028]图3A示出根据本公开的一些实施方案的、来自图1的热交换区块，其中热虹吸管系统中所述管子的冷凝器区域已经利用导热基质材料来增强；
[0029]图3B示出来自图3A的热交换区块的端视图，其展示根据本公开的实施方案的热虹吸管系统中管子的冷凝器区域内的导热基质材料；
[0030]图4示出一个实施方案，其中图3A和图3B的导热基质材料包括根据本公开的实施方案的预制筛网堆叠体；
[0031]图5示出根据本公开的一些实施方案的、图4的预制筛网中的一个；
[0032]图6示出一个实施方案，其中图3A和图3B的导热基质材料是根据本公开的实施方案的螺旋带；
[0033]图7示出根据本公开的一些实施方案的、来自图1的热虹吸管系统的一个单管和热交换区块，其中导热基质材料容纳在热虹吸管系统的所述管的蒸发器区域中；
[0034]图8示出根据本公开的一些实施方案的、来自图1的热虹吸管系统的一个单管和热交换区块，其中导热基质材料容纳在热虹吸管系统的同一管子的蒸发器区域和冷凝器区域两者中；以及
[0035]图9是流程图，其展示根据本公开的一些实施方案的、用于增强热虹吸管系统的方法。
[0036]详述
[0037]下文陈述的实施方案代表使得本领域技术人员能够实践所述实施方案的必要信息，并且示出实践所述实施方案的最佳模式。在根据附图来阅读以下描述之后，本领域技术人员将了解本公开的概念，并且将认识到本文中未具体提出的这些概念的应用。应了解，这些概念和应用属于本公开和随附权利要求书的范围内。
[0038]还应了解，尽管在本文中可能使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受限于这些术语。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，在不背离本公开的范围的情况下，第一元件可以称为第二元件，并且类似地，第二元件可以称为第一元件。如本文中所使用的，术语“和/或”包括关联列举条目中的一个或多个的任何和所有组合。
[0039]本文中使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而且并不意在限制本公开。除非上下文中另有明确指示，否则本文所用的单数形式“一”、“一个”和“所述”也意在包括复数形式。应进一步理解的是，当在本文中用来指明所阐述特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，术语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”、“包含(include)”并不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。
[0040]除非另外定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。应进一步理解的是，本文中使用的术语应解释为具有与它们在本说明书上下文和相关领域中的含义一致的含义，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非在本文中已明确定义。
[0041]本公开涉及系统、装置和方法，所述系统、装置和方法利用导热基质材料来增强热虹吸管系统，以便针对热虹吸管系统的预定部分处的热传导来增加表面面积与体积比，同时最小化孤立于预定部分的毛细力和流体夹带。公开热虹吸管系统的实施方案。在一些实施方案中，所述热虹吸管系统包括:管路，其包括冷凝器区域、蒸发器区域和处于冷凝器区域与蒸发器区域之间的区域，所述管路可操作来容纳热输送介质，并且可操作来根据热虹吸管原理而在冷凝器区域与蒸发器区域之间提供热输送介质的被动两相输送；以及导热基质材料，其容纳在所述管路的冷凝器区域和蒸发器区域中的至少一者中，但并不容纳在所述管路中处于冷凝器区域与蒸发器区域之间的区域中，从而使得所述导热基质材料在所述管路的冷凝器区域和蒸发器区域中的所述至少一者中增加用于热传递的表面面积。以这种方式，增强的热虹吸管系统可在不使用复杂且昂贵的热交换器和/或歧管的情况下增加热输送，同时减轻通常由增加的热通量导致的不利状况。
[0042]包含在热输送设备中的热虹吸管系统的简要论述被提供作为情境并且用来帮助理解本公开，而不是将热虹吸管系统限制为用于任何特定热输送设备中。例如，热虹吸管系统可包括在热输送设备中，诸如在题为“THERMOELECTRIC REFRIGERAT1N SYSTEM CONTROLSCHEME FOR HIGH EFFIENCY PERFORMANCE”的共同所有和共同转让的美国专利申请公开号2013/0291557中所公开的热电制冷器，所述申请的全部内容特此以引用的方式并入本文。
[0043]所述热电制冷系统可包括热虹吸管系统，其可操作来降低耦接到所述热虹吸管系统的冷却腔室的温度。热虹吸管系统可包括:冷侧热交换器，其从冷却腔室吸收热量；以及热侧热交换器，其用来将热量从热电制冷系统排到外部环境，所述冷侧热交换器和所述热侧热交换器可各自包括热虹吸管。从冷却腔室吸收热量并将所述热量排到外部环境的这个过程根据需要进行循环来降低冷却腔室的温度。为了简单起见，下文结合附图来论述用于热电制冷系统的单个热虹吸管。
[0044]图1不出根据本公开的一些实施方案的热虹吸管系统10，其包括多个输送管12-1至12-6(在本文中一般共同地称为输送管12并且单独地称为输送管12)，其中输送管12中的至少一个输送管并且也可能所有输送管的蒸发器区域和/或冷凝器区域利用导热基质材料进行增强。如本文所指，导热基质材料是一种导热材料，所述导热材料在容纳在输送管12的冷凝器区域和/或蒸发器区域的至少一部分中时提供多孔结构，并且增加用于在输送管12的冷凝器区域和/或蒸发器区域内的热输送介质与输送管12的冷凝器区域和/或蒸发器区域外部的热输送介质之间进行热传递的表面面积，正如下文进一步详细描述的。所述导热基质材料可由导热材料形成，所述导热材料包括铝、铜、不锈钢或任何导热材料的一个或多个组合。在一些实施方案中，导热基质材料的热导率等于或大于容纳导热基质材料的输送管12的热导率。
[0045]如下文所论述的，导热基质材料在输送管12的蒸发器区域和/或冷凝器区域中增加用于热传递的表面面积，从而在管理热通量的同时改善热传递。这可在无需复杂或昂贵歧管的情况下完成，常规做法则是需要此类歧管。热虹吸管系统10可用于希望进行热传递的任何合适应用中。例如，图1的热虹吸管系统10可(例如)在上文指出的共同所有和共同转让的美国专利申请公开号2013/0291557中所公开的热电制冷器中使用。然而，热虹吸管系统10并不受限于此。此外，图1中所示出的热虹吸管系统10的特定布置仅是一个示例。本文中所论述的概念同样适用于包含一个或多个输送管12的任何热虹吸管系统。
[0046]图1的热虹吸管系统10的输送管12耦接到热交换区块14。输送管12可包括若干个具有可变或一致长度、直径、形状和设计的输送管。每个输送管12被布置用于热输送介质的两相被动输送并且体现为热虹吸管。例如，当实施在制冷器中时，输送管12可沿着制冷器的冷却腔室的侧面和后壁来布置。如图所示，每个输送管12在一个末端处耦接到热交换区块14并且在另一末端处端接或连接到另一个输送管12以便形成环路。输送管12可由一个或多个导热材料(诸如铝、铜、不锈钢或任何其他导热材料)的任何组合来形成。
[0047]在这个示例中，互连线路16耦接到热交换区块14并且在相反末端处通过配件18和20来端接，以便容许将热输送介质添加到输送管12或从输送管12移除。所述热输送介质可以是可根据热虹吸管原理来输送热量的任何物质或物质组合。在一些实施方案中，所述热输送介质是在两相之间变化的流体(在本文中有时称为工作流体)(例如，两相冷却剂)ο相的示例包括气体、液体或等离子体。
[0048]图2是图1的热虹吸管系统10的简化图解，其中为清楚起见和便于论述，输送管12中仅一个被示出。如上文所指出的，输送管12体现为热虹吸管。因此，图2展示来自图1的热虹吸管系统10的单个热虹吸管，仅在于帮助理解，但其特征适用于图1中所示的任何和每个输送管12。如图2中所示，输送管12包括(相对于地面而言)位于蒸发器区域24上方的冷凝器区域22以及处于冷凝器区域22与蒸发器区域24之间的绝热区域26。绝热区域26也可称为对跖区域。如在本文中所指，绝热区域26是输送管12的、在输送管12中的热输送介质与其周围环境之间不传递热量(或传递可忽略不计热量)的区域。
[0049]如下文所论述的，输送管12的冷凝器区域22和/或蒸发器区域24容纳导热基质材料，但输送管12的绝热区域26并不容纳导热基质材料，所述导热基质材料在冷凝器区域22和/或蒸发器区域24内增加用于在热输送介质(例如，工作流体)与冷凝器区域22和/或蒸发器区域24外部的环境之间进行热传递的表面面积。冷凝器区域22和蒸发器区域24通过绝热区域26进行的分离会为输送管12保持热敏二极管效应，特别是在导热基质材料容纳在冷凝器区域22和蒸发器区域24两者中的情况下。详细而言，由于热虹吸管的操作原理，热虹吸管在单个方向上提供热传递。换句话说，热虹吸管充当热敏二极管。如下文所论述的，向冷凝器区域22和/或蒸发器区域24添加导热基质材料使得在冷凝器区域22和/或蒸发器区域24中产生毛细力，所述毛细力可提供至少一些双向热输送(即，由于包括导热基质材料，冷凝器区域22和/或蒸发器区域24至少在某种程度上就如同提供双向热传递的热量管道一样运作)。通过在绝热区域26中不包括任何导热基质材料，绝热区域26根据热虹吸管原理进行运作(即，充当真正的热虹吸管)，因而仅在一个方向上提供热输送(即，充当热敏二极管)。因此，绝热区域26为输送管12保持热敏二极管效应。
[0050]冷凝器区域22、蒸发器区域24和绝热区域26并不限于图2中所示的区部。相反，图2中指定的区域是为了通过展示每个区域针对其他区域的相对位置来帮助理解。所述区域沿输送管12可能不具有特定的固定边界，并且可取决于具体实现方式而发生变化。
[0051 ]在实践中，热输送介质在蒸发器区域24中被加热(例如，通过容纳在输送管12中的热输送介质与输送管12的蒸发器区域24外部的环境之间的传导)。所蒸发的热输送介质通过浮力从蒸发器区域24穿过绝热区域26行进到冷凝器区域22。在冷凝器区域22中，热输送介质被冷却，并且由于重力和/或向心力，所得到的冷凝热输送介质通过绝热区域26返回至蒸发器区域24。所述过程以此方式根据热虹吸管原理进行重复，只要在这个示例中冷凝器区域22被冷却到比蒸发器区域24的温度更低的温度(例如，只要用以通过热输送区块14来冷却输送管12的冷凝器区域22的热电冷却器是活动的)。
[0052]如上文所指出的，当将热虹吸管系统用于被动热交换时，经常难以管理冷凝器区域22和/或蒸发器区域24处的高热通量状况。例如，增加输送管12的冷凝器区域22中的热传递(例如，通过增加通向用来冷却输送管12的冷凝器区域22的热电冷却器的电流)会导致在冷凝器区域22中产生增加的热通量。为了实现增加的热传递而同时管理冷凝器区域22中的热通量，需要在冷凝器区域22中增加用于热传递的表面面积。常规地，增加用于热传递的表面面积是使用复杂且昂贵的热交换器和歧管来完成。这些解决方案因为其复杂性而导致成本高得惊人并且是不合需要的。同样地，不能有效管理高热通量状况的问题经常被忽视，并且任何关联成本都被认为是使用被动热交换系统所必需的。此外，当使用高压制冷剂时，常规解决方案的益处被进一步否定掉，因为用于热交换的输送管路的壁必须加厚以便安全地容纳制冷剂，这会阻碍热传导。
[0053]本文所公开的实施方案依靠如下方式来提供上述问题的解决方案:通过添加(例如)随机或半随机颗粒或纤维(诸如铜或铝网格或烧结粉末)的高度(热)传导基质来在输送管12内部提供显著增加的表面面积与体积比，从而使得能够管理热虹吸管系统10中的输送管12的冷凝器区域22和/或蒸发器区域24中的高热通量状况。这种随机或半随机基质在热虹吸管系统10的输送管12的局部冷凝器区域22或局部蒸发器区域24中的任一者或两者中增强热虹吸管系统10，但并不在热虹吸管系统10的不活动或未加强区域(S卩，处于输送管12的冷凝器区域22与蒸发器区域24之间的绝热区域26)中增强热虹吸管系统10。随机或半随机导热基质材料的位置可取决于吸热或排热的期望应用。例如，导热基质材料可容纳在位于热虹吸管系统10的冷凝器区域22中的热交换区块14的输送管12中。
[0054]图3A示出根据本公开的一些实施方案的、来自图1和图2的热交换区块14，其中输送管12的冷凝器区域22已经利用导热基质材料来增强。在一些实施方案中，热交换区块14可由导热材料形成，所述导热材料包括铝、铜、不锈钢或任何导热材料的一个或多个组合。热交换区块14和输送管12可由相同或不同材料形成。在一些实施方案中，热交换区块14是由提供至少与输送管12相同量热导率的材料形成，以便通过热虹吸管系统10来保持有效的导热性。
[°°55] 如图3A中所示，热交换区块14包括六个纵向流体通口 28，所述纵向流体通口 28可通过钻入到材料块中或通过使用其他合适的空腔形成方式来形成，从而在每个纵向流体通口 28的端部30处形成冠状部分。六个输送管12的相应末端由六个纵向流体通口 28来接纳，从而使得流体通口 28形成输送管12中位于热交换区块14内的部分。因此，热虹吸管系统10的输送管12被说成是包括热交换区块14的相应流体通口 28。在端部30的相反侧上，互连通口 32横向延伸穿过纵向流体通口 28，并且可通过钻凿或其他合适空腔形成方式来形成。互连线路16耦接到互连通口 32并且在相反末端处通过配件18和20(未图示)来端接，所述配件18和20容许将热输送流体添加到输送管12(或从输送管12移除)。
[0056]图3A进一步展示根据本公开的一些实施方案的、容纳在热交换区块14的流体通口28中的导热基质材料38。如上文所述，流体通口 28形成对应输送管12的一部分，并且更具体而言，对应于输送管12的冷凝器区域22。
[0057]图3B展示图3A的热交换区块14的端视图，其展示流体通口28内(S卩，输送管12的冷凝器区域22内)的导热基质材料38。应理解，图3A和图3B展示旨在提供情境并且帮助理解本公开的实施方案，而不是限制导热基质材料38的特性或其在输送管12中的位置。
[0058]导热基质材料38可容纳在输送管12的任意一个或多个内的各种位置中。详细而言，导热基质材料38可位于输送管12的冷凝器区域22的一部分或整个冷凝器区域22(8卩，与冷凝器区域22共同延伸的部分/区域)中，或位于输送管12的蒸发器区域24的一部分或整个蒸发器区域24(8卩，与蒸发器区域24共同延伸的部分/区域)中，正如下文进一步详细描述的。例如，导热基质材料38可容纳在输送管12的任意一个或多个输送管并且潜在地所有输送管的整个冷凝器区域22中，或者仅容纳在输送管12的任意一个或多个输送管并且潜在地所有输送管的冷凝器区域22的一部分或多个不同部分中。正如下文所论述的，以同样的方式，导热基质材料38可容纳在输送管12的任意一个或多个输送管并且潜在地所有输送管的蒸发器区域24中。
[0059]导热基质材料38是导热多孔材料，在图3A和图3B的示例中，所述导热多孔材料增加输送管12的冷凝器区域22内的表面面积。在一些实施方案中，导热基质材料38的热导率大于或等于输送管12所用材料的热导率。输送管12的冷凝器区域22中的热传递速率(Q)可定义为Q = k*A* Δ T，其中k是用于导热基质材料38的材料的热导率，A是用于热输送的表面面积，以及A T是输送管12的冷凝器区域22内的热输送介质与输送管12的冷凝器区域22的温度之间的温差。因此，通过将导热基质材料38包括在输送管12的冷凝器区域22中，用于热输送的表面面积(A)得以增加，这在其他所有因素都相同的情况下会增加热传递速率(Q)。另外，容纳导热基质材料38的输送管12的冷凝器区域22的体积可保持不变，而同时增加热传递速率(Q)。再者，在热通量无需增加系统A T来提供增加的热传递速率(Q)的意义上而言，热通量得以管理，并且同样地，可减轻与高热通量相关联的问题。
[0060]在一些实施方案中，导热基质材料38的孔隙度使得提供期望的表面面积，同时还管理导热基质材料38所引起的毛细力。如果不进行管理，导热基质材料38所产生的毛细力可能导致许多问题，包括输送管12中容纳导热基质材料38的冷凝器区域22和/或蒸发器区域24内的不良双向热输送以及由于热输送介质在导热基质材料38内的聚集而导致热输送介质的降低流速。这些问题孤立于容纳导热基质材料38的冷凝器区域22和/或蒸发器区域24，但却是不合需要的。由导热基质材料38产生的毛细力与导热基质材料38的孔隙度直接相关。随着导热基质材料38的孔隙度降低(并且因此用于热输送的表面面积增加)，毛细力便会增加。因此，在一些实施方案中，导热基质材料38的孔隙度使得:(a)针对热虹吸管系统10的某种特定实现方式来实现期望的热传递速率(Q)(即，某组预先定义的参数，包括k、AT、容纳导热基质材料38的冷凝器区域22和蒸发器区域24的尺寸、用作导热基质材料38的材料等)；以及(b)由导热基质材料38产生的毛细力被最小化以便鉴于热虹吸管系统10的特定实现方式来达成期望的热传递速率(Q)，或者至少小于某个预先定义的最大可接受值)。
[0061]在一些实施方案中，导热基质材料38是随机结构、半随机结构和/或非随机结构。导热基质材料38可包括颗粒、纤维或类似物的任意一个或多个组合。例如，导热基质材料38可包括烧结粉末、纤维网格或两者的组合。所述烧结粉末或纤维网格可以是刚性的或可变形的。例如，纤维网格可以是钢棉或具有钢棉结构和密度但由钢以外的材料(例如，铜)制成的某种材料。
[0062]导热基质材料38的随机结构是指其中所有结构特性随机地或至少伪随机地改变(即，根据非系统的、非特定的或混乱的过程来改变)的结构。例如，在一些实施方案中，导热基质材料38是具有随机结构的纤维网格，原因在于纤维的长度和直径以及网格中纤维的布置全部是随机的或至少伪随机的。相反，导热基质材料38的半随机结构是指如下结构:所述结构的结构特性中的一个或多个但不是所有随机地改变。例如，在一些实施方案中，导热基质材料38是具有半随机结构的纤维网格，原因在于所有纤维的长度和直径是相同的，但纤维的布置是随机的或至少伪随机的。颗粒的随机化特性可包括大小和形状。纤维的随机化特性可包括直径、长度和空间方位。
[0063]在一些实施方案中，导热基质材料38可以是预制筛网的堆叠体。在这方面，图4示出某些实施方案，其中根据本公开的实施方案，导热基质材料38由堆叠在输送管12的冷凝器区域22中的预制筛网40的堆叠体形成。堆叠的筛网40可具有各种不同的几何结构，并且可沿着各种不同的空间方位容纳在输送管12内。如图所示，筛网40根据第一预定间距而沿着任何输送管12-1至12-5的冷凝器区域的长度来堆叠，并且根据第二预定间距而沿着输送管12-6的冷凝器区域的长度来堆叠。所述第二预定间距小于所述第一预定间距。换句话来说，输送管12-6的冷凝器区域中的筛网40的数目大于其他输送管12-1至12-5的每一个的冷凝器区域中的筛网40的数目。以这种方式，可控制表面面积增大以及导热基质材料38的孔隙度。另外，如上文所论述的，不是所有的输送管12都必须容纳这个实施方案中由筛网40形成的导热基质材料38。
[0064]筛网40可具有随机的、半随机的和/或非随机的结构特性。结构特性的示例包括筛网的形状和大小、堆叠筛网的相对空间方位、筛网的网格密度以及类似方面。例如，用于导热基质材料38的随机结构可包括具有根据随机过程确定的各种不同空间方位的筛网40的堆叠体。相反，作为一个示例，用于导热基质材料38的半随机结构可包括沿着第一轴线具有随机方位的筛网40的堆叠体，但筛网40沿着第二轴线的方位不是随机的。例如，筛网40可随机地旋转(即，第一轴线)，但沿着输送管12的长度平行地等间距隔开(S卩，第二轴线)。用于导热基质材料38的非随机结构可包括不具有随机结构特性的筛网40的堆叠体。
[0065]图5示出根据本公开的一些实施方案的单个预制筛网40。如图所示，筛网40被定形成容纳在输送管12的内部并且是由导热网格材料形成。预制筛网40的几何设计可被优化来进一步改善作为低节流导管或路径的功能。每个预制筛网40可具有几何设计从而便于穿过容纳在输送管12中的堆叠筛网40的热输送介质的供应和返回。在一些实施方案中，筛网40可包括具有网格材料的区部和不具有网格材料的区部。例如，筛网40可形成为环形形状，而在筛网40的中心不具有任何网格材料。
[0066]堆叠在输送管12的冷凝器区域22内的筛网40的数目可经过选择以便实现期望的表面面积与体积比。例如，往回参考图4，输送管12-1至12-5的冷凝器区域22每单位体积上各自包括第一数目的堆叠筛网40，并且输送管12-6的冷凝器区域22每单位体积上包括第二数目的堆叠筛网40。如图所示，输送管12-6的每单位体积上堆叠筛网40的所述第二数目大于输送管12-1至12-5中任一个的每单位体积上堆叠筛网40的所述第一数目。因此，输送管12-6的表面面积与体积比大于输送管12-1至12-5中任一个的表面面积与体积比。
[0067]可基于筛网40的数目和每个筛网40的表面面积来计算表面面积与体积比的增加。此外，堆叠筛网40的数目可被预先确定来优化表面面积与体积比，同时保持用来为热输送介质提供低限制导管或路径所必要的孔隙度。因此，每单位体积上筛网40的数目限定热虹吸管系统10所附加的表面面积，并且通过简单地改变工作体积中筛网40的数目来限定堆叠筛网40的孔隙度。以这种方式，可控制增加的表面面积与毛细力之间的平衡。因此，可在蒸发器区域24和/或冷凝器区域22处使用可堆叠的筛网40来提供分别促进蒸发或冷凝而同时最小化毛细力所导致的芯吸的高传热区域。
[0068]预制的导热基质材料不限于可堆叠的筛网。图6示出导热基质材料38的一个实施方案，其中根据本公开的实施方案，导热基质材料38是容纳在输送管12的冷凝器区域22中的螺旋带42。如图所示，螺旋带42加大输送管12的冷凝器区域22的表面面积与体积比。螺旋带42是导热的。当容纳在输送管12中时，螺旋带42的几何形状提供多孔结构。因此，形成螺旋带42的材料可由多孔或非多孔材料形成，并且在容纳于输送管12中时仍提供多孔结构。这允许热输送介质流过增强的管，同时最小化毛细力和流体夹带，因为在容纳于输送管12中时，螺旋带42的总体几何结构形成多孔结构。在一些实施方案中，螺旋带42可由多孔材料形成以便进一步增大被增强的输送管12的表面面积与体积比并且进一步最小化毛细力所导致的任何芯吸。
[0069]导热基质材料38的位置不限于输送管12的冷凝器区域22。更具体地说，导热基质材料38可容纳在输送管12中的任意一个或多个的冷凝器区域22中和/或容纳在输送管12中的任意一个或多个的蒸发器区域24中。导热基质材料38—般容纳在输送管12中的至少一个的冷凝器区域22和蒸发器区域24中的至少一者中，而且并不容纳在输送管12的绝热区域26中。需要将导热基质材料38的位置限制在输送管12中不包括绝热区域26的各部分，因为这会保持输送管12的热敏二极管效应(S卩，热量可仍然仅在一个方向上输送)。
[0070]在图3A、图3B和图4至图6中，导热基质材料38被示出为容纳在输送管12的冷凝器区域22中。然而，如上文所论述的，本公开并不受限于此。在这方面，图7示出导热基质材料38容纳在输送管12中的一个的蒸发器区域24中的实施方案。值得注意的是，为清楚起见，图7仅示出输送管12中的一个，但应理解，导热基质材料38可容纳在输送管12中的任意一个或多个的蒸发器24中。除位于蒸发器24中之外，导热基质材料38与上文所述的相同。同样地，所述细节不再重复。
[0071]图8示出一个实施方案，其中导热基质材料38容纳在输送管12中的一个的冷凝器区域22(示出为导热基质材料38-1)和蒸发器区域24(示出为导热基质材料38-2)两者中，但并不容纳在其绝热区域26中。值得注意的是，为清楚起见，图8仅示出输送管12中的一个，但应理解，导热基质材料38可容纳在输送管12中的任意一个或多个的冷凝器区域22和蒸发器区域24中。
[0072]可根据各种方法来增强热虹吸管系统以便产生增强的热虹吸管系统10。在这方面，图9是流程图，其展示根据本公开的一些实施方案的、用于增强热虹吸管系统的方法。如图所示，用于增强热虹吸管系统的方法包括选择热虹吸管系统的一个或多个输送管来容纳导热基质材料(步骤100)。预先确定每个选定输送管的一个或多个区域来容纳导热基质材料(步骤102)。例如，可预先确定冷凝器区域(或其部分)和/或蒸发器区域(或其部分)来容纳导热基质材料。最后，将导热基质材料插入到选定输送管的预定部分中(或在其内形成)(步骤104)。
[0073]如上文所论述的，导热基质材料可包括导热多孔材料(例如，导热的随机、半随机和/或非随机纤维或粉末基质)。在一些实施方案中，基于导热基质材料的期望密度和/或孔隙度来确定导热基质材料的量和用来插入或压紧材料的力。详细而言，在一些实施方案中，压紧力的量值会影响导热基质材料的孔隙度，所述孔隙度控制表面面积与体积比以及毛细力。这对于导热基质材料(诸如钢棉或烧结金属或类似材料)而言尤其如此。因此，应该用足够的力压紧足够量的导热基质材料，以便允许表面面积的期望增加但还不至于诱发过度的毛细力。对一定量的导热基质材料使用过度的压紧力将会减小孔隙度，这会增加容纳导热基质材料的各部分处的毛细力。这将会减少冷凝器区域与蒸发器区域之间的热输送，从而将会潜在地降低热输送介质的系统级流量并且总体上降低热输送能力。
[0074]虽然已经依据若干实施方案描述了本公开，但本领域技术人员将认识到，本公开不限于上述实施方案，并且可在所附权利要求书的精神和范围内通过修改和改变来实践。
[0075]作为概括，上文所述的实施方案提供用于减轻热虹吸管蒸发器区域和/或冷凝器区域中的高热通量状况的机构。
[0076]所公开的实施方案解决了在将热虹吸管系统用于被动热输送时导致的问题。详细而言，经常难以管理蒸发器区域和/或冷凝器区域处的高热通量状况。这个问题经常被忽视，并且关联损失被吸纳作为使用被动热输送方法的成本，或者替代地，利用复杂且昂贵的热交换器和歧管来管理所述关联损失。这在处理更高压力制冷剂时甚至变得更加困难，因为安全地容纳压力所需要的机械结构可能由于随着厚度增加使得穿过热交换器壁的传导损失越来越大，从而很快否定最初使用扩展表面热交换器的优点。
[0077]所公开的实施方案通过添加随机或半随机颗粒/纤维(诸如铜、铝棉或烧结粉末)的高度导热基质材料来在标准系统输送管内部提供显著增加的表面面积与体积比，从而应对管理热虹吸管系统的蒸发器和/或冷凝器中的高热通量状况的问题。材料的这种增强将会位于热虹吸管的局部蒸发器区域或局部冷凝器区域中，但并不位于系统的对跖区域(例如，绝热区域)中，这取决于吸热或排热的期望应用。
[0078]所公开的实施方案提供三种不同优点。首先，所提供的额外表面面积将通过提供足以在极低显热损失或温度升高/下降的情况下处置输入功率电平的浸湿面积，而允许从源(例如，制冷器的冷却腔室)到热虹吸管工作流体(即，热输送介质)中的高效热输送。
[0079]其次，通过将随机/半随机纤维基质材料的芯吸效应孤立于局部蒸发器区域和/或局部冷凝器区域，这可保持热虹吸管系统所提供的完整热敏二极管效应并且使热倒漏保持最小。值得注意的是，这是一种不可能提供有如传统热量管道系统中所见的全长芯吸结构的能力。
[0080]第三，对已经并入到热虹吸管系统中的同一输送管路的利用会最小化使用扩展面积热交换器所引起的额外费用。另外，在一些实施方案中，在保持有简单的圆柱形几何结构中，所述系统可通过进行非常小的修改来安全地处置非常高的系统压力。
[0081]—种提供扩展表面面积的方法是将高度传导的随机纤维或粉末基质材料简单压紧到预先限定的蒸发器区域和/或冷凝器区域中。可控制网格密度或孔隙度来提供足够的表面面积与体积比，以便允许在给定热负载的情况下具有最小损失，而同时最小化用来加大局部质量并且因此加大热输送的局部蒸发器区域和/或冷凝器区域毛细力，所述毛细力可能潜在地降低系统级质量流量以及热输送能力。
[0082]另一种方法是利用所形成的高度导热材料筛网，所述筛网可以按照受控数目进行堆叠以便限定纤维介质的密度，并且不但提供增加的表面面积与体积比，而且提供低限制导管或路径(借助几何设计来提供)，从而使得所供应的或返回的工作流体从输送管路和关联蒸发器或冷凝器穿行到高热通量区域来进行蒸发或冷凝。
[0083]对这些实施方案而言重要的是提供仅仅局部增大的表面面积与体积比，而不允许毛细力在预先定义的高热通量区域之外起主导作用。这允许热虹吸管系统保留未增强热虹吸管系统的完全热敏二极管能力，同时仍允许在简化的几何结构和构造材料的情况下具有高热通量输入。
[0084]本领域技术人员将认识到本公开的优选实施方案的改进和修改。所有此类改进和修改都视为处于本文所公开的概念和随附权利要求书的范围内。
【主权项】
1.一种热虹吸管系统，其包括: 管路，其包括冷凝器区域、蒸发器区域和处于所述冷凝器区域与所述蒸发器区域之间的区域，所述管路可操作来容纳热输送介质并且可操作来根据热虹吸管原理而在所述冷凝器区域与所述蒸发器区域之间提供所述热输送介质的被动两相输送;以及 导热基质材料，其容纳在所述管路的所述冷凝器区域和所述蒸发器区域中的至少一者中，但并不容纳在所述管路中处于所述冷凝器区域与所述蒸发器区域之间的所述区域中，从而使得所述导热基质材料在所述管路的所述冷凝器区域和所述蒸发器区域中的所述至少一者中增加用于热传递的表面面积。2.如权利要求1所述的热虹吸管系统，其中所述导热基质材料包括随机基质结构和半随机基质结构中的至少一种。3.如权利要求1所述的热虹吸管系统，其中所述导热基质材料包括非随机基质结构。4.如权利要求1所述的热虹吸管系统，其中所述热输送介质是流体。5.如权利要求1所述的热虹吸管系统，其中所述导热基质材料容纳在所述管路的所述冷凝器区域的一部分和所述管路的所述蒸发器区域的一部分中的至少一个中。6.如权利要求1所述的热虹吸管系统，其中所述导热基质材料容纳在与所述管路的所述冷凝器区域共同延伸的区域以及与所述管路的所述蒸发器区域共同延伸的区域中的至少一个中。7.如权利要求1所述的热虹吸管系统，其中所述导热基质材料包括多根纤维的网格，所述多根纤维包括随机化直径、随机化长度和随机化空间方位中的至少一者。8.如权利要求7所述的热虹吸管系统，其中所述网格包括孔隙度，所述孔隙度被预先确定以便基于由所述网格提供的增加的表面面积来最小化毛细力，同时实现预定的热传递速率。9.如权利要求7所述的热虹吸管系统，其中所述网格是可变形的。10.如权利要求1所述的热虹吸管系统，其中所述导热基质材料包括导热纤维和导热颗粒中的至少一者。11.如权利要求10所述的热虹吸管系统，其中所述导热纤维和所述导热颗粒中的所述至少一者包括由以下物质组成的群组中的至少一者:铜和铝。12.如权利要求1所述的热虹吸管系统，其中所述导热基质材料是烧结粉末。13.如权利要求12所述的热虹吸管系统，其中所述烧结粉末包括某一密度，所述密度被预先确定以便基于由所述烧结粉末提供的增加的表面面积来最小化毛细力，同时实现预定的热传递速率。14.如权利要求1所述的热虹吸管系统，其中所述导热基质材料包括多个预制筛网的布置。15.如权利要求14所述的热虹吸管系统，其中所述布置包括预定数目的所述多个预制筛网。16.如权利要求15所述的热虹吸管系统，其中所述多个预制筛网的所述预定数目经过确定以便基于由所述多个预制筛网提供的增加的表面面积来最小化毛细力，同时实现预定的热传递速率。17.如权利要求14所述的热虹吸管系统，其中所述多个预制筛网的所述布置堆叠在随机化方位上。18.如权利要求1所述的热虹吸管系统，其中，当容纳在所述管路的所述冷凝器区域和所述蒸发器区域中的所述至少一者中时，所述导热基质材料形成的结构是多孔结构。19.如权利要求18所述的热虹吸管系统，其中所述导热基质材料具有螺旋带状几何结构。20.如权利要求1所述的热虹吸管系统，其中所述导热基质材料的热导率等于或大于所述管路的热导率。21.如权利要求1所述的热虹吸管系统，其中所述导热基质材料容纳在所述冷凝器区域中。22.如权利要求1所述的热虹吸管系统，其中所述导热基质材料容纳在所述蒸发器区域中。23.如权利要求1所述的热虹吸管系统，其中所述导热基质材料容纳在所述冷凝器区域中并且容纳在所述蒸发器区域中。24.一种用于热虹吸管系统的管路，其包括: 导热基质材料，其在所述管路的冷凝器区域和所述管路的蒸发器区域中的至少一个中增加用于热传递的表面面积，但不在所述管路中处于所述冷凝器区域与所述蒸发器区域之间的区域中增加用于热传递的表面面积， 所述管路可操作来容纳热输送介质，并且可操作来根据热虹吸管原理而在所述冷凝器区域与所述蒸发器区域之间提供所述热输送介质的被动两相输送。25.如权利要求24所述的管路，其中所述导热基质材料包括孔隙度，所述孔隙度被预先确定以便基于由所述导热基质材料提供的增加的表面面积来最小化毛细力，同时实现预定的热传递速率。
【文档编号】F28D15/02GK105940280SQ201580006301
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年1月28日
【发明人】J.W.爱德华兹, R.B.艾伦, D.斯万
【申请人】弗诺尼克设备公司