CN100445685C

CN100445685C - 复合型换热器

Info

Publication number: CN100445685C
Application number: CNB2007100148259A
Authority: CN
Inventors: 张承武; 刘志刚; 管宁
Original assignee: Energy Research Institute of Shandong Academy of Sciences
Current assignee: Energy Research Institute of Shandong Academy of Sciences
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2027-07-17
Also published as: CN101101180A

Abstract

一种复合型换热器，它包括上方开口且带有中空凹槽的壳体和与之配合的上盖板，所述壳体和上盖板之间水密封，所述壳体和上盖板封装在一起共同构成换热器，其特征是穿过上盖板设置有振荡热管，所述振荡热管的加热端设置于壳体盛装散热工质的凹槽中，所述壳体内壁面均布凸起的可以产生毛细力的微毛细多孔结构。

Description

复合型换热器

技术领域

本发明涉及微尺度传热领域，尤其涉及一种复合换热器。

背景技术

随着科学技术的不断进步，各种电子产品的电子原件密集度越来越高，其高发热量逐渐成为限制其进一步发展的瓶颈。在这种情况下，微型换热系统应运而生，在各种微型换热系统中，大多数的研究者从事微型热管技术，包括毛细型、强制震动(振荡)型以及微槽(群)内部单相与相变的研究，并取得了不少的研究成果。

计算结果显示，微槽群内部蒸发热流密度的理论极限值已经达到1000W/cm²以上，同时借助相变蒸发力及毛细力，以微槽群为核心部件的换热装置可以有效对高热流发热件进行散热，也可以实现在无动力情况下的循环。但是在微槽群蒸发换热系统中，系统的循环动力是由加热蒸气本身提供的，通常，工质受热后由液态变为气态体积变化会很大，饱和温度50摄氏度时体积增大在10000倍以上，因此当工质受热时会有大量的蒸汽蒸发，如果不能及时使这些蒸汽排出会导致循环终止，然而在这一系统中蒸气的循环管路不可能太粗，同时蒸气又必须借助管路输送到冷却装置进行冷凝以完成循环，管路具有一定的长度，这势必对系统的循环液体的充注量和蒸发压力有更高的要求，在发热件发热量比较大时，该模式的微槽群换热装置几乎无法完成循环，很难实现其散热目的。

振荡热管作为一种新型热管，也被视为是解决微小空间高热流密度散热方案中一种很有希望的传热元件，从工作原理和结构特点上来说，它与普通热管相比差异很大。普通热管是利用相变蒸发力和重力(非重力热管利用毛细力)实现工质从热端到冷端的转移，同时完成换热及状态的转变。对于振荡热管，当其管径足够小时，在真空条件下封装在管内的工质将在管内形成液、汽相间的柱塞。在加热段，汽泡或汽柱与管壁之间的液膜因受热而不断蒸发，导致汽泡膨胀，并推动汽液柱塞流向冷端冷凝收缩，从而在冷、热端之间形成较大的压差。由于汽液柱塞交错分布，因而在管内产生强烈的往复振荡运动，从而实现高效热传递。振荡热管具有体积小、结构简单、成本低等特点；振荡热管的传热性能与普通热管有较大差异，其内部不仅存在相变传热，还存在由于汽液振荡所造成的显热传递，它没有普通热管所有的那些极限限制，因此其传热性能大大优于普通热管；而且振荡热管的适应性好，可以随意弯曲、可以存在多个加热端和冷却端。当然，振荡热管也存在许多不足，比如其直径不能过大和过小，因为当过大时使得液塞和气泡不能够在表面张力的作用下共存，当过小时则需要提高蒸发压力克服毛细力，从而影响振荡效果；管式振荡热管无法完成对平面式发热面的有效散热，板式振荡热管虽然可以对平面式发热面散热，但是其与发热面的有效接触面积有限从而限定了其性能的发挥。

基于以上分析，我们可以看出，微槽群蒸发换热是解决高热流发热的有效手段，而其蒸汽的冷凝循环却要求很高，如果我们能在蒸气产生的同时马上将其冷凝，势必会使得系统变得更高效；另一方面，振荡热管具有优良的传热性能，但其加工技术还不成熟，同时其有效散热面积针对平板发热面来说有限制。因此，如果能够将以上两种形式的换热系统加以完善势必可以使两者的优势都能得到最大程度的发挥。本文所涉及的复合换热器就是将两者结合在一起，最大程度发挥两者的优点。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足提出了一种能够满足微小空间、高热流下进行高效散热的换热器，这种换热器与普通的换热器相比具有体积小、传热效率高等特性，这些特性主要依靠毛细多孔结构和振荡热管的复合来完成。

本方案是通过如下技术措施来实现的：它包括上方开口且带有中空凹槽的壳体和与之配合的上盖板，所述壳体和上盖板之间水密封，所述壳体和上盖板封装在一起共同构成换热器，其特征是穿过上盖板设置有振荡热管，所述振荡热管的加热端设置于壳体盛装散热工质的凹槽中，所述壳体内壁面均布凸起的可以产生毛细力的微毛细多孔结构。

振荡热管的加热端带有扩展翅片。

所述微毛细多孔结构包括微槽群或者微翅片或者内置金属丝网或者毛细烧结组织。

所述微槽群包括横向和纵向布置的微槽群。所述微槽群中的通槽尺寸范围是：长：与壳体内壁等长；宽0.02～2毫米；高(深度)：0.2～5毫米。

所述微翅片包括方形、圆形、锥形。所述微翅片尺寸范围：长：0.02～2毫米；宽0.02～2毫米；高：0.2～5毫米。

所述金属丝网与壁面紧密接触，多层丝网布置，形成毛细多孔结构。

所述毛细烧结组织为毛细多孔结构。

所述壳体与带有振荡热管的上盖板钎焊连接。

本复合换热器工作原理：当壳体内工质受热时，工质吸热蒸发，在这里毛细多孔结构的设置在大大增加其换热面积的同时还极大的强化了蒸发换热的强度，其原因就是毛细多孔结构所产生的毛细力可以使工质始终保持在壳体的各个内壁面，而不受重力和壳体位置的影响。然后我们利用振荡热管对壳体内的蒸汽进行换热，使其冷凝，以取代原有微槽群蒸发系统的蒸汽循环管路和二次冷凝装置，将原有系统蒸汽的热质传递变为只有热传递。在这里，振荡热管布置在液体工质液面以下(振荡热管在液面以上也存在加热段)，这样很容易实现相变换热和对流换热的同时进行，最大程度的利用了振荡热管的传热性能，同时对其外形和结构都没有太苛刻的要求。这样我们就可以利用振荡热管把蒸汽冷凝，快速实现壳体内工质的蒸发冷凝循环。特别需要强调的一点是在本设计方案中，用来直接与发热元件进行接触的壳体各内壁面均布置了凸起的微毛细多孔结构，这一结构包括微槽群、微翅片、内置金属丝网、毛细烧结组织等可以产生毛细力的微结构。这一布置不仅大大提高了换热面积，强化了沸腾换热的效果，同时也使该换热装置的使用范围变得更大，尤其对于非静止物体效果更加显著，这是因为在壳体内各个壁面都有微沟槽、微翅片、金属网结构和毛细烧结组织，无论液体工质的位置如何，都可以借助毛细力的作用将液体抽吸到每个壁面，在那里蒸发换热，随着各壁面液体的不断蒸发，毛细力源源不断的把液体带到壁面，尽管其它壁面不直接与发热面接触，但是其蒸发吸热无疑对整个散热过程起到极大的强化作用。最后，由振荡热管冷凝的工质直接回流到壳体内，实现了一个循环。

所述复合结构是振荡热管与内壁带有毛细多孔结构的壳体的复合。其中所包括振荡热管以及壳体及上盖板可以根据具体需要进行设计。当发热密度较高时我们可以通过改变毛细多孔结构密度、类型等和在振荡热管置入方腔内的加热段表面增加翅片的方案来达到要求。壳体内抽真空，壳体与带有振荡热管的上盖板钎焊连接。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，本发明所设计的换热器，液体工质在带有毛细多孔结构的壳体内蒸发，低压下液体工质蒸发温度不超过60摄氏度(发热元件一般工作温度都不允许超过80摄氏度，因此必须保证液体工质在该温度以下蒸发)，与普通的换热器相比不仅体积微小，而且具有超高的冷却性能。当选用40摄氏度的纯净水作为工质，控制工质的量，带有扩展翅片的振荡热管布置在液面以下，其加热段同时在水及水上方空间存在。以上复合结构，可以有效的将高发热模块的热量带走，其散热能力范围从50W/cm²到500W/cm²变化。因此本发明中散热模块散热能力的增强是显而易见的。在本发明中，把振荡热管与毛细多孔结构相结合，它有如下优点：(1)内壁带有毛细多孔结构的壳体外壁直接与被冷却面相结合，具有易安装、有效冷却面积大、换热系数高的特点；(2)各内壁面布有毛细多孔结构的壳体作为直接与发热件相结合的主体，毛细多孔结构的毛细力可以使液体工质在壳体各内壁分布而不受液面、重力、位置、角度等的影响(现有微槽群蒸发换热装置受重力影响)，这样该换热器的应用范围会大大增加；(3)壳体内各壁面布有毛细多孔结构，由于毛细多孔结构比表面积值极大，这样极大的提高了壳体内壁的有效换热面积；(4)振荡热管的引入，可以在最短的时间内将毛细多孔结构带出的热量高效的从壳体内带出，保持壳体内工质可以高效循环散热。综合上述四点，所发明的冷却器在单位空间内能带走更多的热量。因此本发明与现有技术相比，实现了技术目的。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

图1现有微槽群相变冷却系统示意图；

图2振荡热管复合毛细多孔结构换热系统示意图；

图3振荡热管复合毛细多孔结构系统封装图；

图4壳体内壁单壁(与发热体对应面)布微槽群结构正视中心剖面图；

图5壳体内壁单壁(与发热体对应面)布微槽群结构示俯视A A截面剖面图；

图6壳体内壁单壁(与发热体对应面)布微槽群结构三维示意图；

图7壳体内壁各壁面(底面竖直)布微槽群结构正视中心剖面图；

图8壳体内壁各壁面(底面竖直)布微槽群结构俯视B-B截面剖面图；

图9壳体内壁各壁面(底面竖直)布微槽群结构三维示意图；

图10壳体内壁各壁面(底面横向)布微槽群结构正视中心剖面图；

图11壳体内壁各壁面(底面横向)布微槽群结构俯视C-C截面剖面图；

图12壳体内壁各壁面(底面横向)布微槽群结构三维示意图；

图13壳体内壁各壁面(底面微翅片)布微槽群结构正视中心剖面图；

图14壳体内壁各壁面(底面微翅片)布微槽群结构俯视D-D截面剖面图；

图15壳体内壁各壁面(底面微翅片)布微槽群结构三维示意图；

图16壳体内壁各壁面布微翅片结构正视中心剖面图；

图17壳体内壁各壁面布微翅片结构俯视E-E截面剖面图；

图18壳体内壁各壁面布微翅片结构三维示意图；

图19壳体内壁各壁面布毛细烧结组织结构正视中心剖面图；

图20壳体内壁各壁面布毛细烧结组织结构俯视F-F截面剖面图；

图21壳体内壁各壁面布毛细烧结组织结构三维示意图；

图中，1、冷却装置，2、蒸汽管道，3、微槽群，4、回液管道，5、液体工质，6、振荡热管冷却段，7、振荡热管加热段，8、振荡热管，9、上盖板，10、扩展翅片，11、壳体，12、微翅片，13、烧结组织。

图4到图21中，所绘三维示意图侧壁面开口是为了便于看到底面结构，实际仅顶端开口。

具体实施方式

如图1所示，该模式是现微槽群蒸发散热的通用方式，其主要工作原理就是带有微槽群3的壁面直接与发热体接触，通过腔体内液体工质5在微槽群3的表面蒸发将发热体的热量带出，然后蒸汽沿管道2进入冷却装置1冷凝，系统热量由冷却装置1带出，液体工质5冷凝回流到方腔内。该方案结构简单，但是，我们知道，该方案中最大问题是能否及时将热量带出，工质冷凝，以保证循环，这是保证这一模式正常工作的基础，从现有此类系统来看，大发热量下很难保证其有效工作，其原因就是大发热量下，蒸汽通过蒸汽管道2无法及时完成冷凝并沿回液管道4回流。

如图2所示，该方案是本发明的工作方式，其与图1结构的不同之处有两点，第一就是由振荡热管8代替了图1中的蒸汽管道2；第二就是盛装冷却工质的壳体内壁面由原来的单壁面微槽群3变为多壁面毛细多孔结构3、12、13，如图4到图21所示。这一模式就是在上一模式的基础上进行的改进，并进行了一些特殊的处理，保证其高效工作的情况下使其工作范围得到了扩大。这一方案中，内壁面带有毛细多孔结构的壳体11与发热体接触，液体工质5在毛细多孔结构3、12、13的表面受热蒸发，然后蒸汽和5同时与布在壳体11空腔内的振荡热管8的振荡热管加热段7直接进行换热并冷凝(冷却)，冷凝液体回到壳体中继续换热，形成一个循环。系统热量由振荡热管8带到冷却装置1，在1中振荡热管8的振荡热管冷却段6与冷却装置1进行换热，系统热量被带出，振荡热管8内的工质被冷凝继续循环。通过以上分析，我们知道，本文的复合型散热系统可以高效进行散热。

本发明壳体11的方腔内需要真空状态，因此本发明拟采用钎焊技术对上盖板9和壳体11进行焊接封装，上盖板9与振荡热管8一体，如图3所示。为了满足小空间、高热流的散热的要求，本发明选用紫铜方块加工，中间开空腔，同时采用特种机加工技术和加工工艺在壳体11的方腔内壁上做出微槽群3、微翅片12，粘接金属丝网、烧结毛细组织13等毛细多孔结构，即在一个金属块上通过机加工制作一个盛装工质的壳体11，壳体11内壁制造形式各异的微槽群、微翅片、毛细烧结组织等，在这里微槽群3、微翅片12、毛细烧结组织13和壳体11是一体的。

如图4～6为壳体内壁单壁(与发热体对应面)布微槽(群)结构示意图，图4～6分别为正视中心剖面图、A-A截面剖面图、三维示意图，壳体11中与发热体接触的面上布有微槽群3；如图7～9为壳体内壁各壁面(底面竖直)布微槽(群)结构示意图，图7～9分别为正视中心剖面图、B-B截面剖面图、三维示意图，壳体11中各壁面布有微槽群3，其中底面微槽群为竖直方向；如图10～12为壳体内壁各壁面(底面横向)布微槽(群)结构示意图，图10～12分别为正视中心剖面图、C-C截面剖面图、三维示意图，壳体11中各壁面布有微槽群3，其中底面微槽群为横向；如图13～15为壳体内壁各壁而(底面微翅片)布微槽(群)结构示意图，图13～15分别为正视中心剖面图、D-D截面剖面图、三维示意图，壳体11中各壁面布有微槽群3，其中底面为微翅片12；如图16～18为壳体内壁各壁面布微翅片结构示意图，图16～18分别为正视中心剖面图、E-E截面剖面图、三维示意图，壳体11中各壁面布有微翅片12；如图19～21为壳体内壁各壁面布毛细烧结组织结构示意图，图19～21分别为正视中心剖面图、F-F截面剖面图、三维示意图，壳体11中各壁面布有毛细烧结组织13。

微槽群、微翅片、金属丝网、毛细烧结组织等毛细多孔结构的排列还可以根据实际需要进行尺寸、排列组合(几种毛细多孔结构的搭配)上的变化。

其工作原理如图2所示，首先发热体将热量传给壳体11外壁面，壳体11内液体工质5低压下在壳体11内各壁面的微槽群3、微翅片12、毛细烧结组织13表面受热蒸发变为蒸汽，然后蒸汽以及升温后的液体工质同时与置于壳体11内的振荡热管8的振荡热管加热段7换热，这样工质被冷凝为液体直接回到壳体11中的液体工质5内，液体工质5在毛细多孔结构3、12、13以及金属丝网所提供的毛细力的作用下连续不断的流向壳体11的各内壁面再次换热，而整个系统的热量则由振荡热管8带出到环境中去，振荡热管8的振荡热管冷却段6在冷却装置1中进行换热，振荡热管8中的工质在这里冷凝继续循环，系统热量由冷却装置1带出。对于整个散热系统的循环来说，该换热器设计的回路简单，分为三次换热，一次换热毛细多孔结构把高发热热源中的热量带出，二次换热振荡热管8将热量从方腔带出，三次换热将系统热量散到环境中。液体工质5在方腔中蒸发，带走了发热源的大部分热量(剩下的热量由散热片本身的材料来散发)，蒸发的工质直接与振荡热管8换热冷凝回到方腔内，热量由振荡热管带到图2中的冷却装置部分，热量散到环境中。在这里冷却装置可以根据需要而选择不同的换热方式和设备。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1、一种复合型换热器，它包括上方开口且带有中空凹槽的壳体和与之配合的上盖板，所述壳体和上盖板之间水密封，所述壳体和上盖板封装在一起共同构成换热器，所述壳体内为真空状态，其特征是穿过上盖板设置有振荡热管，所述振荡热管的加热端设置于壳体盛装散热工质的凹槽中，部分该加热端位于所述散热工质的液面下，所述壳体内壁面均布凸起的可以产生毛细力的微毛细多孔结构。

2、根据权利要求1所述的复合型换热器，其特征是振荡热管的加热端带有扩展翅片。

3、根据权利要求1所述的复合型换热器，其特征是所述微毛细多孔结构包括微槽群或者微翅片或者内置金属丝网或者毛细烧结组织。

4、根据权利要求3所述的复合型换热器，其特征是所述微槽群包括横向和纵向布置的微槽群。

5、根据权利要求4所述的复合型换热器，其特征是所述微槽群中的通槽尺寸范围是：宽0.02～2毫米；高：0.2～5毫米。

6、根据权利要求3所述的复合型换热器，其特征是所述微翅片形状为方形或者圆形或者锥形。

7、根据权利要求6所述的复合型换热器，其特征是所述微翅片尺寸范围：长：0.02～2毫米；宽0.02～2毫米；高：0.2～5毫米。

8、根据权利要求3所述的复合型换热器，其特征是所述金属丝网与壁面紧密接触，多层丝网布置，形成毛细多孔结构。

9、根据权利要求1所述的复合型换热器，其特征是所述壳体与带有振荡热管的上盖板钎焊连接。