CN100366997C - 具有平面式蒸发器和冷凝器的毛细抽吸两相流体回路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有平面式蒸发器和冷凝器的毛细抽吸两相流体回路，其结构是，蒸发器的蒸汽出口与冷凝器的蒸汽入口相连接，储液器与冷凝器的冷凝液出口相连接；所述蒸发器为平面式毛细芯蒸发器，冷凝器为平面式毛细芯冷凝器；储液器与冷凝器的排液口相连接；冷凝器的冷凝液出口通过过冷器与蒸发器的回流液体入口相连接。本发明启动迅速、运行稳定，构成简单、调节方便，自适应能力强，温控效果好，传热效率高，是笔记本电脑或台式计算机芯片以及其他高热流密度电子设备或器件冷却的理想装置，具有较高的开发价值，市场应用前景广泛。

Description

具有平面式蒸发器和冷凝器的毛细抽吸两相流体回路

技术领域

本发明涉及一种具有蒸发器和冷凝器的CPL系统。

背景技术

CPL(Capillary Pumped Loop：毛细抽吸两相流体回路)是一种依靠毛细抽力驱动工质循环的相变传热装置，其传热能力强、等温性好、控温精度高、能耗低、热分享性好，且没有运动部件，是电子器件冷却的理想装置。CPL系统主要依靠液体工质在蒸发器吸收热量以及冷凝器汽相工质释放热量来实现热量的转移。

由图1所示，现有CPL系统的主要包括蒸发器、冷凝器、储液器以及汽、液管道。蒸发器和冷凝器均采用圆管式结构，蒸发器是系统吸收热量的主要部件，冷凝器是系统向外散热的主要部件。当热负荷作用到蒸发器表面时，在蒸发器毛细结构中的液体工质受热发生汽化相变，热量从热源移走；在冷凝器中汽相工质发生凝结相变，并向外界传热，蒸发器毛细芯产生的毛细抽吸力使冷凝器中的冷凝液体返回到蒸发器，完成系统循环，通过储液器来调节系统的工作温度以及循环工质的量。

现有CPL系统的缺点是：①CPL系统启动困难；②在运行过程中，由于冷凝器中汽液两相流的不稳定性，易使系统存在温度和压力波动，在低设点时CPL几乎不能运行，在变工况时，有时会出现蒸发器的烧竭，导致运行失败。

因此，在对CPL进行系统设计时，改善系统的启动性能、降低系统的温度以及压力震荡、增强系统的鲁棒性以及可靠性，就成为了现今CPL系统设计的一个研究重点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种具有平面式蒸发器和冷凝器的毛细抽吸两相流体回路，本发明启动迅速、运行稳定，构成简单、调节方便，自适应能力强，温控效果好。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种具有平面式蒸发器和冷凝器的毛细抽吸两相流体回路，蒸发器的蒸汽出口与冷凝器的蒸汽入口相连接，其特征在于：所述蒸发器为平面式毛细芯蒸发器，冷凝器为平面式毛细芯冷凝器；储液器的液体进出口与冷凝器的排液口、冷凝液出口相连接，冷凝器的冷凝液出口通过过冷器与蒸发器的回流液体入口相连接。

本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明独特的设计使CPL系统启动迅速、运行稳定、调节方便。

当本发明稳定运行时，工质进出冷凝器为“一进一出”模式，若冷凝器流出的液体中携带有蒸汽，过冷器可以将其完全凝结为液体，经过冷器冷却后，回流到蒸发器的液体具有较大的过冷度，因而提高了系统的稳定性，改善了系统的运行性能。

当负荷工况、蒸发温度或系统压力发生变化时，系统需要进行动态调节，工质进出冷凝器为“一进二出”或“二进一出”，即蒸汽由液体入口进入冷凝器，冷凝液由液体出口以及排液口流出；或蒸汽由液体入口进入冷凝器，冷凝液由液体出口流出，而由储液器流出的液体由排液口流入冷凝液，储液器吸纳由冷凝器排出的液体或供给冷凝器界面移动需要的液体，有利于冷凝器冷凝面积的调整，提高了系统的自调节能力。

(2)本发明冷凝器设计为平面式毛细芯结构，提高了冷凝效率，不需要辅助的启动加热器、储液器的冷却器等部件。

当蒸汽推开冷凝器槽道中的液面时，由冷凝器排液口流出的液体一部分进入储液器，另一部分进入蒸发器的液体入口，因参入系统循环的工质量大，使得该系统的性能提高。

在冷凝器中加入毛细芯，采用一个具有多孔的物理界面，可以使冷凝器中的蒸汽冷凝时产生一个稳定的物理界面，从而抑制甚至消除系统的温度和压力波动。

(3)本发明蒸发器设计为平面式毛细芯结构，这种蒸发器对被散热设备或器件的冷却方式灵活，抗干涸能力加强，使系统的可靠度增大。

(4)平面式毛细芯蒸发器设计为另一种反向平面式毛细芯结构，由于采用反向式结构，增大了系统的驱动力，更加有利于系统工质的循环。

在上盖的外表面设置散热片，增加了蒸发器的外表面积，使得蒸发器除了利用内部的液体工质汽化相变传热之外，还可以利用外表面向周围的环境散热，在相同的毛细结构下，相应地提高了系统的传热能力，而且系统的结构更紧凑，能在有限的空间提高系统的散热能力。

(5)本发明蒸发器和冷凝器中的毛细芯可采用多层丝网压紧制成，因而制作简单，无需专用设备，降低了系统的研制费用。

附图说明

图1是现有CPL系统结构示意图。

图2是本发明一种实施例的结构示意图。

图3是图2中平面式毛细芯冷凝器一种实施例的结构示意图。

图4是图3的A-A剖面图。

图5是图3中底座的结构示意图。

图6是图3中底座的俯视图。

图7是图3中上盖的结构示意图。

图8是图3中上盖的仰视图。

图9是图2中平面式毛细芯蒸发器一种实施例的结构示意图。

图10是图9的B-B剖面图。

图11是图2中平面式毛细芯蒸发器另一种实施例的结构示意图。

图12是图11的C-C剖面图。

图13是本发明CPL样机的性能测试图。其横坐标为时间，第一纵坐标为温度，第二纵坐标为热负荷。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

由图2所示，蒸发器1为平面式毛细芯蒸发器，冷凝器2为平面式毛细芯冷凝器；蒸发器1的蒸汽出口b与冷凝器2的蒸汽入口c相连接，储液器3的液体进出口f与冷凝器2的排液口d、冷凝液出口e相连接，冷凝器2的冷凝液出口e通过过冷器4与蒸发器1的回流液体入口a相连接。

当本发明稳定运行时，蒸发器1中产生的蒸汽通过蒸汽出口b经过蒸汽管道由蒸汽入口c进入冷凝器2，冷凝后由液体出口e经过冷器4、蒸发器1的回流液体入口a返回蒸发器1完成循环；当负荷工况、蒸发温度或系统压力发生变化，系统需要进行动态调节时，则采取对储液器3加热与控温的方式，通过储液器3的液体进出口f、冷凝器2的排液口d以及冷凝液出口e控制储液器3与系统之间的液体工质的交换，从而实现储液器3对冷凝器2冷凝液面以及系统循环工质质量的控制，使得系统稳定运行。

过冷器4可采用圆管结构，由光管制成，其形状为盘管，管道的直径视具体情况而定。

储液器3为容器结构，可用一个大直径的圆管通过焊接制成，也可通过棒状金属材料机加工而成，其容积大小视系统的工作要求而定。

所述蒸发器1、冷凝器2、储液器3、过冷器4及汽液管道材料的选择均与所选用的工质的相容性有关，如工质选用甲醇，则部件的材料则可选用黄铜或者不锈钢。

蒸发器1、冷凝器2中的毛细芯由多层丝网压制而成或者由粉末材料烧结而成，如可以采用导热系数比较大的铜丝网多层压制而成。

由图3～图8所示，所述平面式毛细芯冷凝器2的结构为：包括底座6、上盖9、毛细芯11，底座6与上盖9相固定、且密封；第一隔板7、第二隔板16将底座6分隔为集汽腔8、第一集液腔5、第二集液腔15，第一集液腔5由横向槽道和纵向槽道构成，且横向槽道和纵向槽道交叉布置，在第一集液腔5上开有冷凝液出口e，在集汽腔8上开有蒸汽入口c，在第二集液腔15上开有排液口d；在上盖9上开有蒸汽通道10、蒸汽冷凝槽道13、液体通道14，蒸汽冷凝槽道13由纵向槽道构成，蒸汽通道10连通集汽腔8和蒸汽冷凝槽道13，液体通道14连通蒸汽冷凝槽道13和第二集液腔15；毛细芯11置于蒸汽冷凝槽道13与第一集液腔5之间。从图3～图8可看出，第一集液腔5由一个横向槽道和七个纵向槽道构成，蒸汽冷凝槽道13由七个纵向槽道构成。

所述第一集液腔5纵向槽道为多个，横向槽道也可为多个，横向槽道与纵向槽道可以互相垂直，也可以不垂直。蒸汽冷凝槽道13纵向槽道也为多个。槽道的剖面形状为矩形，也可为梯形等其它形状。

为了提高冷凝器的散热效率，上盖9采用导热系数大的金属材料，可采用铜、铝等。上盖9和底座6之间的连接方式可采用焊接方式，还可采用法兰螺栓联结方式，其密封形式采用O型圈，采用法兰螺栓联结方式可以方便地更换毛细芯11。

毛细芯11置于第一集液腔5与蒸汽冷凝槽道13之间，毛细芯11直接与第一集液腔肋片17和蒸汽冷凝槽道肋片18接触，由于毛细芯11的存在，可以将冷凝界面稳定在毛细芯11的上表面上，这样冷凝的液体可以经过毛细芯11进入第一集液腔5，通过冷凝液出口e进入回流液体管道，减小甚至消除了冷凝界面的波动，增强了系统的稳定性。

工作时，冷源与上盖9的受冷面12接触，从蒸发器1流过来的蒸汽通过蒸汽入口c进入集汽腔8，再由集汽腔8通过蒸汽通道10将蒸汽工质均匀的分配给蒸汽冷凝槽道13，在蒸汽冷凝槽道13和毛细芯11表面冷凝，放出热量，通过蒸汽冷凝槽道肋片18传递到受冷面12，通过冷负荷带走，冷凝液流过毛细芯11汇集到第一集液腔5，由第一集液腔5的冷凝液出口e经过冷器4、回流液体入口a回到蒸发器1，完成一个换热循环的过程。

若系统的蒸发温度升高，冷凝量和冷凝面积需要增大时，冷凝器2的蒸汽冷凝槽道13中的凝结界面在蒸汽的推动下右移，冷凝器2中过量的液体由冷凝器2的排液口d流出；若系统的蒸发温度降低，冷凝量和冷凝面积需要减小时，蒸汽的冷凝速率加快，冷凝器2的蒸汽冷凝槽道13中的凝结界面左移，同时，储液器3内的液体从液体进出口f流入冷凝器2的排液口d。

由图9～图10所示，所述平面式毛细芯蒸发器1的一种结构为：包括底座20、上盖21、毛细芯22，底座20与上盖21相固定、且密封；隔板27将底座20分隔为集液腔19、集汽腔26，集液腔19由横向槽道和纵向槽道构成，且横向槽道和纵向槽道交叉布置，在集液腔19上开有回流液体入口a，在集汽腔26上开有蒸汽出口b；在上盖21上开有蒸汽槽道23、蒸汽通道24，蒸汽槽道23由纵向槽道构成，蒸汽通道24连通蒸汽槽道23和集汽腔26；毛细芯22置于集液腔19与蒸汽槽道23之间。

所述集液腔19横向槽道的个数为一个或多个，纵向槽道的个数为多个，横向槽道与纵向槽道可以互相垂直，也可以不垂直。蒸汽槽道23纵向槽道的个数为多个。槽道的剖面形状为矩形，也可为梯形等其它形状。

毛细芯22置于集液腔19与蒸汽槽道23之间，毛细芯22直接与集液腔肋片和蒸汽槽道肋片接触，集液腔19中充满液体工质，可以及时方便地供液。

工作时，蒸发器1上盖的受热面25直接与负荷表面贴合，受热面25吸收热量，热量迅速传递给各个蒸汽槽道肋片，这样与蒸汽槽道肋片直接接触的毛细芯22中的液体工质被迅速加热到饱和温度，发生汽化。汽化后形成的蒸汽沿蒸汽槽道23流动到集汽腔26，通过蒸汽出口b经蒸汽管道流入冷凝器2的蒸汽入口c，如果夹带有液滴，则可收集在集汽腔26中。在冷凝器2中放出热量后，蒸汽凝结为液体，然后在毛细芯工质汽、液相变产生的毛细抽吸力的作用下，从冷凝液出口e经过冷器4、回流液体入口a进入蒸发器1的集液腔19，液体工质在集液腔19形成的流体分配器的作用下，在集液腔19内均匀分配，进入毛细芯22，流向汽、液相变界面。

由图11～图12所示，所述平面式毛细芯蒸发器1的另一种结构为：包括底座33、上盖28、毛细芯36，底座33与上盖28相固定、且密封；隔板31将上盖28分隔为集液腔30、集汽腔32，集液腔30由横向槽道和纵向槽道构成，且横向槽道和纵向槽道交叉布置，在集液腔30上开有回流液体入口a，在集汽腔32上开有蒸汽出口b；在底座33上开有蒸汽槽道35、蒸汽通道34，蒸汽槽道35由纵向槽道构成，蒸汽通道34连通蒸汽槽道35和集汽腔32；毛细芯36置于集液腔30与蒸汽槽道35之间。

在上盖28的外表面最好设置有散热片29。

所述集液腔30横向槽道的个数为一个或多个，纵向槽道的个数为多个，横向槽道与纵向槽道可以互相垂直，也可以不垂直。蒸汽槽道35纵向槽道的个数为多个。槽道的剖面形状为矩形，也可为梯形等其它形状。

工作时，蒸发器1下表面的受热面直接与负荷表面接触，以导热的方式吸收热量。底座33上有许多并联的蒸汽槽道肋片，直接和毛细芯36接触，毛细芯36中充满液体工质。当受热面吸收热量时，通过两个路径传给蒸发器：一部分热量通过蒸汽槽道肋片，迅速传递给毛细芯36中的液体工质；另一部分通过壁面传递到蒸发器上表面的散热片29。与蒸汽槽道肋片直接接触的毛细芯36中的液体工质被迅速加热到饱和温度，发生汽化，汽化后形成的蒸汽沿蒸汽槽道35、通过蒸汽通道34流到集汽腔32，然后通过蒸汽出口b经蒸汽管道流入冷凝器2的蒸汽入口c。如果夹带有液滴，则可沉积在集汽腔32中。

蒸汽在冷凝器2中放出热量冷却后，蒸汽凝结为液体，在蒸发器毛细芯工质汽、液相变产生的毛细抽吸力的作用下，沿液体管道经蒸发器1的回流液体入口a进入集液腔30，液体工质在集液腔30的纵横槽道形成的流体分配器的作用下，回流液体均匀分配到毛细芯36中，流向汽、液相变界面，以供系统下次循环。

由图13所示，系统在100W时启动，然后改变热负荷后系统运行状况图。从图中可以看出，本发明启动性能良好，系统一旦启动之后，运行稳定，没有出现波动；当系统运行达到稳定之后，改变热负荷，系统仍然运行稳定，系统工作温度略有变化，但变化幅度在2℃之内。

Claims (7)

1.一种具有平面式蒸发器和冷凝器的毛细抽吸两相流体回路，蒸发器的蒸汽出口与冷凝器的蒸汽入口相连接，其特征在于：

所述蒸发器(1)为平面式毛细芯蒸发器，冷凝器(2)为平面式毛细芯冷凝器；

储液器(3)的液体进出口(f)与冷凝器(2)的排液口(d)、冷凝液出口(e)相连接，冷凝器(2)的冷凝液出口(e)通过过冷器(4)与蒸发器(1)的回流液体入口(a)相连接。

2.根据权利要求1所述的具有平面式蒸发器和冷凝器的毛细抽吸两相流体回路，其特征在于：所述平面式毛细芯冷凝器(2)的结构为，包括底座(6)、上盖(9)、毛细芯(11)，底座(6)与上盖(9)相固定、且密封；第一隔板(7)、第二隔板(16)将底座(6)分隔为集汽腔(8)、第一集液腔(5)、第二集液腔(15)，第一集液腔(5)由横向槽道和纵向槽道构成，且横向槽道和纵向槽道交叉布置，在第一集液腔(5)上开有冷凝液出口(e)，在集汽腔(8)上开有蒸汽入口(c)，在第二集液腔(15)上开有排液口(d)；在上盖(9)上开有蒸汽通道(10)、蒸汽冷凝槽道(13)、液体通道(14)，蒸汽冷凝槽道(13)由纵向槽道构成，蒸汽通道(10)连通集汽腔(8)和蒸汽冷凝槽道(13)，液体通道(14)连通蒸汽冷凝槽道(13)和第二集液腔(15)；毛细芯(11)置于蒸汽冷凝槽道(13)与第一集液腔(5)之间。

3.根据权利要求1或2所述的具有平面式蒸发器和冷凝器的毛细抽吸两相流体回路，其特征在于：所述平面式毛细芯蒸发器(1)的结构为，包括底座(20)、上盖(21)、毛细芯(22)，底座(20)与上盖(21)相固定、且密封；隔板(27)将底座(20)分隔为集液腔(19)、集汽腔(26)，集液腔(19)由横向槽道和纵向槽道构成，且横向槽道和纵向槽道交叉布置，在集液腔(19)上开有回流液体入口(a)，在集汽腔(26)上开有蒸汽出口(b)；在上盖(21)上开有蒸汽槽道(23)、蒸汽通道(24)，蒸汽槽道(23)由纵向槽道构成，蒸汽通道(.24)连通蒸汽槽道(23)和集汽腔(26)；毛细芯(22)置于集液腔(19)与蒸汽槽道(23)之间。

4.根据权利要求1或2所述的具有平面式蒸发器和冷凝器的毛细抽吸两相流体回路，其特征在于：所述平面式毛细芯蒸发器(1)的结构为，包括底座(33)、上盖(28)、毛细芯(36)，底座(33)与上盖(28)相固定、且密封；隔板(31)将上盖(28)分隔为集液腔(30)、集汽腔(32)，集液腔(30)由横向槽道和纵向槽道构成，且横向槽道和纵向槽道交叉布置，在集液腔(30)上开有回流液体入口(a)，在集汽腔(32)上开有蒸汽出口(b)；在底座(33)上开有蒸汽槽道(35)、蒸汽通道(34)，蒸汽槽道(35)由纵向槽道构成，蒸汽通道(34)连通蒸汽槽道(35)和集汽腔(32)；毛细芯(36)置于集液腔(30)与蒸汽槽道(35)之间。

5.根据权利要求4所述的具有平面式蒸发器和冷凝器的毛细抽吸两相流体回路，其特征在于：在上盖(28)的外表面设置有散热片(29)。

6.根据权利要求1所述的具有平面式蒸发器和冷凝器的毛细抽吸两相流体回路，其特征在于：所述过冷器(4)的形状为盘管。

7.根据权利要求1所述的具有平面式蒸发器和冷凝器的毛细抽吸两相流体回路，其特征在于：所述毛细芯由多层丝网压制而成。

Images