泵辅助毛细力驱动两相流体热管理系统

本发明涉及散热领域，更具体地，涉及一种泵辅助毛细力驱动两相流体热管理系统，特别是该系统中的蒸发器使用了旋流器结构及薄膜结构，供液均匀、传热路径缩短以提高热交换效率，并可以对废热集中回收利用。

背景技术：

1、随着电子技术的发展，所需的信息处理量也越来越大，处理各种大容量信息的数据处理模块也成为关注的焦点，电子产品的功率越来越大，从而增加了热通量。这些数据处理模块需要恒定的温度环境来操作，并且正常操作的温度环境被设置为相对较低。因此，当数据处理模块处于高温状态时，它们会引起诸如系统停止之类的故障。

2、常规技术中，通常使用强制空气对流和强制液体冷却系统。通过传导冷却，热源通过将热量传导和自然对流到周围空气中而被冷却。这种冷却方法对于相对低功率和具有相对大的外表面面积的装置是足够的。然而，当功率使用/耗散增加时，传导冷却的器件可能经受不希望的高表面和器件温度。强制空气对流传导冷却系统的散热器或其它散热器的形式为设备增加相当大的质量。强制空气对流冷却可以包括空气驱动装置，例如风扇，以使空气循环通过设备的内部，从而将热量带出该装置。空气冷却可适应中等功率水平，但是产生风扇噪声，需要通风口，需要动力来运行空气推进器，可能由于灰尘结垢而劣化，并且可能涉及到使用者由于风扇排气口处的表面热点以及由于吹向使用者的热空气排气而引起的不适。

3、因此，两相流体传热技术已经被应用于那些具有高热流密度的产品或环境中以消散热量。相对于风冷散热技术、液冷散热技术，两相流散热技术被认为是为了最具潜力的散热方式之一。传统的两相流散热技术包括换热热管、泵驱动两相流回路、泵辅助毛细力驱动两相流回路、毛细力泵送回路等。泵驱流体回路系统主要由储液器、机械泵、预热器、蒸发器、冷凝器及连接管路组成，其工作原理是利用机械泵驱动工质在回路系统中循环，过冷工质首先流经预热器，被加热到饱和态，然后流经蒸发器，利用相变吸热带走蒸发器热量，进而流过冷凝器被冷凝至过冷态，最后工质又回到机械泵，这样就形成了一个完整循环，从而实现了热量的收集、运输和排散，在此循环中，储液器与系统相连，通过控制储液器温度来控制系统的饱和温度。

4、目前，薄膜蒸发两相流体换热技术的热点，其能加速蒸发的原理是在减压条件下，液体形成薄膜而具有极大的汽化表面积，热量传播快而均匀，液体直接蒸发为气体，通过持续向芯片表面补充液体，能较好地防止芯片的热失效。薄膜蒸发能够持续进行的关键在于薄液膜的厚度能够稳定保持，供液不均匀时容易干烧而损坏电器设备。

5、如公开号为cn111504103a的发明专利申请公开的一种泵驱动两相流体回路蒸发器，包括蒸发器壳体、疏水性毛细芯、轴向液体槽道和轴向蒸汽干道，其疏水性毛细芯安装在蒸发器壳体的内部，蒸发器壳体和疏水性毛细芯之间设置有多个轴向液体槽道，轴向蒸汽干道设置在疏水性毛细芯的内部，通过齿轮泵将液体供到轴向液体槽道并被热源加热，疏水性毛细芯将液体和产生的蒸汽分离，将蒸汽排到轴向蒸汽干道最后排出蒸发器。

6、公开号cn111146167号发明专利，一种泵驱薄膜蒸发第三代半导体电子器件散热装置及方法，其通过泵驱在散热器微结构表面上方中心位置供给液体，但这种供液方式的工质容易受重力的影响导致在薄膜上分布不均匀。还是会出现干烧的现象。

7、因此，现有的蒸发器对换热部分的供液并不均匀，从入口侧到出口侧的距离过长容易导致干涸且温度控制不均；另外，对于依靠毛细力驱动的两相流体蒸发器，液体浸没毛细芯的厚度过大将会导致额外的传热热阻，难以进行高效的传热，进而影响液体蒸发的效率；再者，为了给冷凝器提供冷源，需要另外引入制冷回路，无法对系统废热回收利用，增加系统质量和复杂程度；最后，对蒸发器所产生的蒸汽和多余液体的回收设计不够理想，即蒸发器本身的气液分离特性需要更加合理的设计以满足高热流密度的散热需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种具有更高效传热方式主导、供液均匀、换热效率高、废热制冷的泵辅助毛细力驱动旋流两相流体热管理系统。

2、泵辅助毛细力驱动旋流两相流体热管理系统，包括：蒸发器，其中蒸发器的液体工质从热源接收热量后蒸发并进入循环路径；冷凝器，其经由循环路径从蒸发器接收蒸汽态工质；储液罐，其除了起到给泵供液作用外，还具有系统控温作用；压缩机，其将蒸发器出口的蒸汽进行升温升压后供给冷凝器；膨胀阀，其用于将来自高压区冷凝器的液体工质进行降压降温；以及泵，其位于在循环路径中，将工质以单向循环模式供向蒸发器；在蒸发器中，液体工质以旋流的方式被提供到亲水性毛细薄片上，并在热源作用下蒸发形成蒸汽态工质。

3、优选的，还包括：储液罐，其为用于存储冷却工质的储液装置，同时具备系统控温功能；储液罐的出口端通过泵连接至蒸发器，蒸发器的蒸汽出口连接至压缩机入口，压缩机出口连接至冷凝器，冷凝器的出口端通过膨胀阀连接至储液罐，蒸发器的液体出口连接至储液罐；储液罐上连接有控温回路，对储液罐内工质进行加热或降温，以起到控制蒸发器蒸发温度作用，控温回路也可改为加热棒加热或半导体制冷片制冷进行控温；且储液装置上设置有冷却工质加入口和冷却工质排出口。

4、优选的，蒸发器还包括：液体入口腔室，其具有环形区域并通过液体入口与液体通道相连接；旋流流道，其具有环形区域并位于液体入口腔室内侧，通过液体旋流入口与液体入口腔室相连通；蒸汽腔，其位于中心区域并通过蒸汽干道与汽体通道连通；亲水性毛细薄片，流体工质通过亲水性毛细薄片从旋流流道进入蒸汽腔；液体出口腔，其位于旋流流道外侧并通过液体旋流出口与旋流流道相连通；加热面，其对应于蒸汽腔内亲水性毛细薄片区域，流体工质在加热面作用下发生薄膜蒸发。

5、优选的，蒸发器还包括：亲水性毛细薄片位于旋流流道与蒸汽腔的底部，液体工质进入旋流流道后，一部分在毛细作用下通过亲水性毛细薄片进入蒸汽腔并汽化，另一部分仍以液体形式从液体旋流出口排出至液体出口腔。

6、优选的，还包括：蒸汽盖板，其包括蒸汽干道和第一隔板；旋流蒸发室，蒸汽盖板位于旋流蒸发室上方，第一隔板将旋流蒸发室的内腔分隔为旋流流道和蒸汽腔，亲水性毛细薄片位于内腔底部并将旋流流道和蒸汽腔连通；旋流蒸发室的外壁还设有环形的第二隔板；入口盖板，入口盖板与旋流蒸发室第二隔板限定了液体入口腔室；出口盖板，出口盖板与旋流蒸发室第二隔板限定了液体出口腔。

7、优选的，还包括：液体旋流入口与液体旋流出口均设在旋流蒸发室侧壁上，且液体旋流入口位于液体旋流出口上方。

8、本技术所述的有益效果如下：

9、1)在泵辅助毛细力驱动旋流两相流体热管理系统中，由于薄膜蒸发旋流式两相流体蒸发器内毛细芯的供液主要受自身毛细力的作用，避免有过多的液体进入到亲水性毛细薄片并充满蒸汽腔空间，亲水性毛细薄片将蒸发器内的旋流流道的蒸汽腔相互隔离，即将液体通道与气体通道相互隔离，并各自连接相互独立的管路分别传输气态工质和液态工质。因为液态工质与气态工质的充分隔离，因此不需要在压缩机入口前设置气液分离器，气态工质可以直接进入压缩机经过压缩处理后进入冷凝器，这大大减化的制冷系统安装布置难度和控制难度，整个系统稳定性提高。

10、2)在不同热源位置设置薄膜蒸发旋流式两相流体蒸发器，用于对热源散热，流入蒸发器的工质吸收热量，一部分液体蒸发形成饱和蒸汽进入到压缩机进行升温升压，然后进入冷凝器进行放热冷凝成液体，冷凝液体流过膨胀阀进行降压，最后流入储液罐，通过齿轮泵重新将液体工质泵送至蒸发器；另一部分吸热未蒸发的液体工质通过蒸发器的回流液体回路返回至储液罐，与储液罐联通的换热器将回流液体带入的热量散失掉，换热器同时起到对蒸发器控温的作用，用于维持储液罐内液体工质的温度，从而能更好的控制蒸发器内的蒸发作用。

11、3)本发明在蒸发器蒸汽出口设置压缩机，对蒸汽进行升温升压，不仅可以提高冷源温度，即工质冷凝温度，提高系统的环境适用性，同时可以利用废热制冷，将废热作为冷凝器的冷源对工质进行制冷或者向其他用热负载供热，具有良好的绿色经济性。

12、4)在对高热流密度电器元件温度控制方面，在泵辅助毛细力驱动旋流两相流体热管理系统中内将多个蒸发器回路的并联，多个回路均相对独立的工作，因此可以对各主路和支路的回路工质进行控制从而维持稳定的循环状态，在热管理系统对多点热源散热情况分别控制，通过调整蒸发器内的压力来调整气态工质饱和曲线，从而对流入蒸发器的工质吸收热量不同及发生相变的条件不同等进行综合调整。