CN101738119A - 热管嵌合槽道吸液芯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热管嵌合槽道吸液芯，包括热管壁、蒸汽腔、设置在热管壁上的普通槽道以及将普通槽道间隔开的肋，其特征在是：在所述的肋上开设有嵌合槽道，所述的嵌合槽道的深度小于普通槽道的深度；所述的嵌合槽道的形状为三角形或倒梯形。该新型毛细芯热管以普通槽道为“Ω”形和嵌合槽道为倒梯形或三角形组合最优，不仅能消去热短路现象，使得热流量能顺畅到达蒸发薄液膜区，大大增加了蒸发传热面积，从而提高热管的传热能力。而且能更加有效利用普通槽道间的肋上空间，减轻热管本身的重量。此外更因为气液交界面能自由进退槽道而使充液更加方便灵活。

Description

热管嵌合槽道吸液芯

技术领域

本发明涉及一种用于航空热控系统、电子元器件冷却及暖通空调系统的散热装置，并可广泛用于民用系统中无泵、长距离的热量输送和传递。

背景技术

热管技术的原理是利用工作流体的蒸发与冷凝来传递热量，由于蒸发和冷凝产生的潜热相当大，因此热管的导热系数是铜块的几百倍以上。轴向槽道热管是目前各种类型热管中(烧结金属粉末吸液芯热管、丝网吸液芯热管、干道式吸液芯热管、径向热管、调制芯热管)加工相对简易、传热特性较好的热管。目前，电子设备的功率越来越大、物理尺寸却越来越小，热流密度也随之增加。当热源发热功率很大，处于高热流密度时，在有限的热源面积条件下，单纯的普通槽道热管由于最大传热能力的限制，已无法满足大功率设备的散热要求。

发明内容

要解决的技术问题

为解决热源的发热功率太大，而在相同有限的热源面积条件下槽道热管由于本身结构条件限制，提供的最大传热能力不能满足散热要求从而破坏系统的稳定性的难题。本发明提供了一种能提高热管的最大传热能力，又能合理利用槽道空间并有效减轻热管重量的新型嵌合槽道结构的毛细吸液芯热管。该种热管毛细芯在优化组合的条件下能极大地增加蒸发传热面积和液体流通通道截面积，使得最大换热能力提高了50％～70％，从而解决大功率电子器件等热控系统的散热难题。

技术方案

为解决上述技术问，本发明采用的技术方案是：

一种热管嵌合槽道吸液芯，包括热管壁、蒸汽腔、设置在热管壁上的普通槽道以及将普通槽道间隔开的肋，其特征在是：在所述的肋上开设有嵌合槽道，所述的嵌合槽道的深度小于普通槽道的深度。

所述的嵌合槽道的形状为三角形或倒梯形。

普通槽道的形状为“Ω”形、三角形、倒梯形、燕尾形、矩形。

所述的普通槽道的形状为“Ω”形。

普通槽道热管依靠蒸发段工作流体的蒸发和冷凝段蒸汽的冷凝来传递热量，蒸汽的流动和工作液体的流动通过毛细力和重力来驱动。微槽内的气液交界面可分为三个薄液膜区域，即非蒸发区、蒸发薄液膜区和弯月面区(见说明书附图4)，液体将沿径向朝非蒸发区流动过程中在气液交界面处不断发生蒸发相变。在非蒸发区，该区域的毛细压力相比于脱离压力可以忽略，液体处于静止状态，且表面的温度几乎和壁面温度相等。由于液体工质和槽道壁面的亲合力阻碍了该区液体的蒸发，因此可认为热量不从这里传递；在蒸发薄液膜区，液体从弯月面区流向非蒸发区的过程中不断蒸发，导致液膜越来越薄。该区域受脱离压力和毛细力共同作用，而这两种力导致了蒸发薄液膜区液体的流动。液体蒸发主要发生在此区域；在弯月面区，液体在毛细压头的作用下发生轴向流动，弯月面的曲率半径为定值，此区的脱离压力相对于毛细压力可忽略，只有极小部分的蒸发发生在该区域。

在蒸发薄液膜区，液体的流动受脱离压力和毛细力共同影响，可由相关理论知识得：

$-\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{3\mathrm{\μ}}_l}\frac{d}{\mathrm{ds}}\left({\mathrm{\δ}}_e^3\frac{{\mathrm{dP}}_l}{\mathrm{ds}}\right)=a(T_i-T_v)+b(P_l-P_v)---\left(1\right)$

该式中常数a、b可由下式表示，T_i为气液交界面温度，T_v为蒸汽温度，δ_e为液膜厚度，P_l为液体压力，P_v蒸汽压力，ρ_l为液体密度，μ_l为液体动力粘度。

汽液交界面两侧的压差由毛细力和脱离压力共同决定，由Young-Laplace方程得

$P_v-P_l=P_d+\mathrm{\σ}\frac{d^2{\mathrm{\δ}}_e}{{\mathrm{ds}}^2}{[1+{\left(\frac{d{\mathrm{\δ}}_e}{\mathrm{ds}}\right)}^2]}^{-3/2}---\left(2\right)$

式中，σ为表面张力系数，P_d为脱离压力，对于非极性液体P_d＝-A/δ³，而极性液体P_d＝-A/δ³ln(δ/δ₀)，A为离散常数。

通过薄液膜的导热可假定为一维热传导且垂直于槽道壁面。由于该区域的液膜非常薄，需考虑汽液交界面上的热阻，热流量q_e可表示如下

$q_e=(T_w-T_i)/(\frac{{\mathrm{\δ}}_e}{{\mathrm{\λ}}_l}+\frac{T_v\sqrt{2\mathrm{\π}{R}_g{T}_v}}{h_{\mathrm{fg}}^2{\mathrm{\ρ}}_v}\frac{2-f}{2f})---\left(3\right)$

式中，R_g为气体常数，f为蒸发系数，取1，λ为流体导热系数，h_fg为汽化潜热，T为温度；下标w表示壁面，l表示液体。

通过求蒸发薄液膜区的热流量可求得该区域的热量传递，弯月面区域的热量传递可按常规方法求解。

通过以上计算可知热量传递主要发生在蒸发薄液膜区，其传递的热量占整个气液交界面传递热量的70％～80％，因此如何扩大薄液膜区域蒸发传热面积决定着槽道热管的最大传热能力。

对于普通槽道热管，轴向微槽热管是依靠其微槽所产生的毛细泵压来维持工质的循环。沿热管轴向任一位置z处的气液交界面上，毛细压力P_c可由Laplace-Young方程给出，即

$\frac{d{P}_v}{\mathrm{dz}}-\frac{{\mathrm{dP}}_l}{\mathrm{dz}}=-\frac{\mathrm{\σ}}{r_c^2\left(z\right)}\frac{{\mathrm{dr}}_c\left(z\right)}{\mathrm{dz}}---\left(4\right)$

式中，P_l为液相压力，P_v为气相压力，r_c(z)为弯月面毛细半径，σ为表面张力系数。

沿轴向毛细半径的微分控制方程，该方程可简写为

$\frac{{\mathrm{dr}}_c\left(z\right)}{\mathrm{dz}}=f(r_c\left(z\right),z,Q_{\mathrm{in}},T_{\mathrm{work}},\mathrm{geometry})---\left(5\right)$

式中，geometry为几何参数，Q_in为蒸发段输入的热负荷，T_work为工作温度。

根据液体在吸液芯里沿轴向的毛细流动规律可知，当燕尾形轴向槽道热管工作达到最大传热能力时，在蒸发段端口处的毛细半径达到其最小值

$r_{c,\min }=\frac{W_1}{2\cos \mathrm{\α}}---\left(6\right)$

式中，α为接触角。这样，基于对蒸发段端口处毛细半径的变化分析，便可预测轴向槽道热管最小端口处毛细半径。

数值模拟过程中，当端口处毛细半径达最小值时，此时热负荷便可认为是最大传热能力。对于单纯的普通槽道热管，槽道形状为“Ω”形的轴向槽道热管传热特性较好，不仅能提供强劲的毛细驱动力，更使得毛细芯的渗透性进一步加强。

基于普通槽道热管传热特性理论，嵌合槽道热管的的最大传热能力可分别求出不同类型的槽道热管最大传热能力，然后取其和来处理。通过数值计算可知在相同的有限热源面积条件下，优化的单个嵌合槽道热管与普通槽道热管相比，其最大传热能力增加了50％～70％。当电子器件的发热功率太大，而热源的有效面积一定时，普通槽道热管已无法满足散热能力，亟待需要一种新型的热管来解决此难题。

嵌合槽道热管是对普通槽道热管结构改良而产生的新型高效散热装置。其结构为在原来的槽道之间的肋壁上开一较小的槽道，不仅能充分利用槽道间的有效空间，减轻热管的有效重量，更能扩大的蒸发传热面积和液体流动通道的截面积，提高了最大传热能力。从而解决了系统产热过多无法及时散出而使其失去稳定性的难题。

所述普通槽道的形状为“Ω”形，也可以是燕尾形、三角形、倒梯形、矩形以及任意形槽道。但以槽道形状为“Ω”形的轴向槽道热管传热特性较好，不仅能提供强劲的毛细驱动力，更使得毛细芯的渗透性进一步加强。

嵌合槽道热管以普通槽道为“Ω”形和嵌合槽道为倒梯形或三角形组合最优。说明书附图5给出了热流通路示意图。图5(A)中所示嵌合槽道与普通槽道“Ω”形的组合使得热流量能畅通的到达蒸发薄液膜区域，从而能极大的提高最大传热能力。它不仅能消去热短路现象，更因为气液交界面能自由进退槽道而使充液更加方便灵活。图5(B)所示嵌合槽道为燕尾形时，热流量因无法顺畅到达蒸发薄液膜区，只能通过弯月面区使得最大传热能力降低。

所述相邻普通槽道之间肋壁上的嵌合槽道，其几何尺寸相比于大槽道较小，最佳位置为肋的正中间位置，也可放置在非中间位置。

所述相邻普通槽道之间肋壁上的嵌合槽道数量可以是一个或者是多个。

有益效果

本发明的有益效果是，在相同的有限热源面积条件下，与普通槽道热管相比，嵌合槽道热管以普通槽道为“Ω”形和嵌合槽道为倒梯形或三角形组合最优。在蒸发段，气-液交界面可分为非蒸发区、蒸发薄液膜区和弯月面区。工作液体在整个气液交界面蒸发，但是工作液体蒸发最剧烈发生在蒸发薄液区，该区域的传热量占整个气液交界面传热量的比率为70％-80％，嵌合槽道为倒梯形或三角形，不仅能消去热短路现象，使得热流量能顺畅到达蒸发薄液膜区，从而大大增加了蒸发传热面积，使得最大传热能力提高了50％～70％，而且更加有效利用普通槽道间的肋上空间，减轻热管本身的重量，更因为气液交界面能自由进退槽道而使充液更加方便灵活。

附图说明

图1普通槽道热管横截面示意图(图1(A)圆形轴向槽道热管截面示意图、图1(B、C)平板形轴向槽道热管截面示意图)。

图2不同形状槽道结构示意图。

图3热管嵌合槽道结构示意图(图3(A)热管嵌合槽道截面示意图、图3(B)嵌合槽道局部放大图)。

图4液膜示意图。

图5热流通路示意图(图5(A)热流通畅示意图，图5(B)热流短路示意图)。

图中1.普通槽道，2.槽道之间的肋，3.热管壁，4.蒸汽腔，5.嵌合槽道，6.蒸汽，7.工作液体。

具体实施方式

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

普通槽道热管工作原理为：在蒸发段，槽道1中的工作液体吸收热源的热量而发生蒸发相变，在气液交界处产生的蒸汽进入蒸汽腔，经绝热段而流向冷凝段，蒸汽在冷凝段冷凝后释放的潜热被冷源带走，工作液体在毛细力和重力的作用下由冷凝段流向蒸发段，返回蒸发段的冷凝液因吸热而再次蒸发，如此不断循环从而将热源的热量源源不断地传递给冷源。在蒸发段，如图4所示，气-液交界面可分为非蒸发区、蒸发薄液膜区和弯月面区。工作液体在整个气液交界面蒸发，但是工作液体蒸发最剧烈发生在蒸发薄液区，该区域的传热量占整个气液交界面传热量的比率为70％-80％，非蒸发区只有一层薄薄液体贴附在壁面上，几乎没有液体蒸发。基于以上理论分析，在相邻槽道之间肋壁上开嵌合槽道，在热流量能顺畅达到蒸发薄液膜区的条件下，能大大增加了蒸发薄液膜的面积和液体流通通道的截面积，从而提高了热管的最大传热能力。

图1给出了普通槽道热管横截面示意图，本发明可以运用于横截面为圆形的轴向槽道热管(如图1中A所示)以及平板形的轴向槽道热管(如图1中B、C)。对于平板形的轴向槽道热管，其槽道可开在两面(如图1中B)或单面(如图1中C)。

图2给出了不同形状普通槽道结构示意图，其槽道形状为“Ω”形(如图2(A))、可以是三角形(如图2(B))、倒梯形(如图2(C))、燕尾形(如图2(D))、以及矩形(如图2(E))。但以槽道形状为“Ω”形的轴向槽道热管传热特性较好，不仅能提供强劲的毛细驱动力，更使得毛细芯的渗透性进一步加强。

图3给出了热管嵌合槽道结构示意图，普通槽道1可以为“Ω”形、三角形、倒梯形、燕尾形、以及矩形，嵌合槽道为倒梯形或三角形。但以普通槽道为“Ω”形和嵌合槽道为倒梯形或三角形嵌合最优，不仅能消去热短路现象，更因为气液交界面能自由进退槽道而使充液更加方便灵活。

图4给出了液膜示意图，气液交界面可分为非蒸发区a、蒸发薄液膜区b和弯月面区c。蒸发薄液膜区b的长度很短，但热量绝大部分从此区域通过，该区域液膜轮廓线接近直线，曲率半径变化较大，而在弯月面区c曲率半径可认为不变。非蒸发区a只有一层极薄的液体贴附在管壁上，热量几乎不从此处传递。普通槽道1和嵌合槽道5都具有类似图4中的蒸发薄液膜，恰当的槽道优化组合能提高热管的最大传热能力，带走更多的热量。

图5热流通路示意图(图5(A)热流通畅示意图，图5(B)热流短路示意图)。图5(A)中所示倒梯形(或三角形)嵌合槽道与“Ω”形的组合使得热流量能畅通的到达两者的蒸发薄液膜区域，从而能极大的提高最大传热能力。它不仅能消去热短路现象，更因为气液交界面能自由进退槽道而使充液更加方便灵活。图5(B)所示嵌合槽道为燕尾形时(或除倒梯形、三角形外其他形状)，热流量因无法顺畅到达蒸发薄液膜区，只能通过弯月面区传递，从而使得最大传热能力减少。

所述热管材料为金属及合金，如铜、铝合金等；工作液体为水、氨等。

所述普通槽道相互平行，嵌合槽道相互平行，普通槽道和嵌合槽道同样相互平行。

Claims (4)

1.一种热管嵌合槽道吸液芯，包括热管壁(2)、蒸汽腔(4)、设置在热管壁(2)上的普通槽道(1)以及将普通槽道(1)间隔开的肋(2)，其特征在是：在所述的肋(2)上开设有嵌合槽道(5)，所述的嵌合槽道(5)的深度小于普通槽道(1)的深度。

2.根据权利要求1所述的一种热管嵌合槽道吸液芯，其特征是：所述的嵌合槽道(5)的形状为三角形或倒梯形。

3.根据权利要求1或2所述的一种热管嵌合槽道吸液芯，其特征是：普通槽道(1)的形状为“Ω”形、三角形、倒梯形、燕尾形或矩形。

4.根据权利要求3所述的一种热管嵌合槽道吸液芯，其特征是：所述的普通槽道(1)的形状为“Ω”形。

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