CN102032822A - 一种利用气泡泵效应的环路热管 - Google Patents

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闵旭伟
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Abstract

本发明公开了一种利用气泡泵效应的环路热管，包括蒸发段、冷凝段以及将蒸发段的工质出口和冷凝段的工质入口连接的气液两相管，所述的冷凝段的工质出口与蒸发段的工质入口之间设有储液器；所述的储液器的工质入口通过下降液相管与冷凝段的工质出口连接，工质出口通过连接管与蒸发段的工质入口连接；所述的储液器和蒸发段均为竖直设置，储液器顶端的高度高于蒸发段的顶端高度；所述的冷凝段在储液器的上方。本发明的利用气泡泵效应的环路热管结构简单，制造成本低，在地面高热流密度耗功电子器件的冷却及热控制，化工、冶金、动力工程等领域余热回收方面有很大的应用前景，实用性强。

Description

一种利用气泡泵效应的环路热管
技术领域
本发明属于传热元件制备领域，具体是涉及一种利用气泡泵效应的环路热管。
背景技术
环路热管(Loop Heat Pipe)是一种高效的相变传热元件。图1是传统环路热管的原理简图，图2为图1沿A-A方向的剖视图的放大图。由图1可知传统环路热管包括蒸发段5、气相管9、冷凝段8、液相管7和液体补偿器6，蒸发段5、气相管9、冷凝段8、液相管7和液体补偿器6组成环路热管；如图2，蒸发段5包括蒸发器以及蒸发器内的主毛细芯3、次毛细芯2和充液管1以及液相槽道10和气相槽道4；热源为蒸发器，其内部装有高性能的毛细芯，与之相连的液体补偿器6处在液体回流管路上，与蒸发器集成为一体，内部通过副芯与蒸发器相连接；冷源为冷凝器；热源与冷源之间由蒸汽管线和冷凝管线相连接。蒸发器、液体补偿器6、冷凝器、蒸汽管线和冷凝管线一起组成一个高效的传热装置，它利用毛细芯提供的毛细力推动工质循环，并把热源的热量带到热沉。环路热管具有气液管路分离、蒸发器和补偿器一体的结构特点，具有气液携带阻力小、启快速灵活、多方位长距离传输热量的传热特点，成为航空热控制系统的首选传热元件，在地面电子设备的冷却系统中也正发挥着越来越重要的作用。
但是传统环路热管存在如下问题：
(1)由于传统环路热管对所需的毛细芯的要求高，现在普遍采用的是烧结镍毛细芯，毛细芯的制造工艺相对复杂，比如，烧结镍毛细芯烧结过程需要严格的控制烧结温度、烧结时间等参数，另外，还需要选择合适的烧结气氛；现在传统环路热管还主要限于在航空航天系统的应用，高成本和制造复杂性从一定程度上限制了其进一步的大规模推广应用；
(2)在传统环路热管中，工质在毛细芯内的流动是以从芯内部到芯外部的径向流动为主，毛细芯不仅为工质循环提供驱动力，同时还起到热阻和流阻的作用，即阻止蒸汽向芯内或补偿器内传热及流动的发生。但是毛细芯的采用，特别是采用烧结毛细镍芯，还是不可避免的存在一定的反向导热。虽然航天热控制中采用陶瓷芯能极大地减小次毛细芯的反向导热但是陶瓷芯的导热率只有镍芯的三分之一，成本会增加不少；
(3)传统环路热管的传热机理复杂，特别是涉及毛细多孔介质传热传质，这样从一定程度上使得其工程设计复杂化，对于其大规模的应用形成了一定的阻碍；
(4)传统环路热管运行时，当热流密度过大或者芯体导热系数过大都会使汽液界面向液体侧偏移，严重时甚至会在蒸发器液体通道内产生气泡，阻塞液体在芯体内的充灌扩散，使蒸发器失效，也即其存在沸腾极限的问题。
发明内容
本发明提供了一种利用气泡泵效应的环路热管，该环路热管结构简单，降低了制造成本，提高了环路热管的传热效率和传热性能，减小了蒸发段温度的波动性，实用性强。
一种利用气泡泵效应的环路热管，包括蒸发段、冷凝段以及将蒸发段的工质出口和冷凝段的工质入口连接的气液两相管，所述的冷凝段的工质出口与蒸发段的工质入口之间设有储液器；所述的储液器的工质入口通过下降液相管与冷凝段的工质出口连接，工质出口通过连接管与蒸发段的工质入口连接；所述的储液器和蒸发段均竖直设置，储液器顶端的高度高于蒸发段的顶端高度；所述的冷凝段在储液器的上方。
气泡泵是靠热能驱动产生的蒸汽泡的升力在系统中产生流体流的热输送装置，本发明的利用气泡泵效应的环路热管，利用气泡泵效应产生的浮升力作为工质循环驱动力，工质循环量得到有效的提升，能够有效的增强冷凝段和蒸发段传热，可选择无水乙醇、甲醇、蒸馏水或者丙酮等为循环工质，工质充注量以刚好充满储液器为准，储液器顶端的高度高于蒸发段的顶端高度保证了气液两相管内工质始终保持以气液两相形式存在；为便于加工，可选择所述的储液器底端与蒸发段底端平齐，储液器的高度为蒸发段高度的1.5～3倍。
所述的蒸发段顶端为缩口设置，形成锥形渐缩口气泡发生器，以便于诱导蒸发段内产生的气泡进入气液两相管下端，保证整个体系的稳定性，缩口设置的大小可根据实际需要确定。
根据实际应用场合的不同，所述的冷凝段可选用套管式水冷冷凝段或者翅片管式风冷冷凝段。根据实际装配和适用场合的需要，所述的储液器可选择长方体形、圆柱体形或者球形储液器。
为提高导热效率，所述的蒸发段、气液两相管、下降液相管与连接管均为可选择导热性能较好的金属管，综合考虑成本和导热性能一般选择铜管，铜管的管壁大小可根据实际需要确定。
为降低整个环路热管的热量的损失，可在所述的蒸发段、气液两相管、下降液相管与连接管的外表面均包设一层或多层绝热材料，绝热材料包裹的厚度一般根据实际需要确定。
本发明的利用气泡泵效应的环路热管的工作过程为：散热元件紧贴蒸发段外壁面，将散发热量传导给蒸发段，蒸发段内工质受热沸腾，产生大量气泡；由于气泡密度比液态工质小，在浮升力的推动下，气泡推动液态工质经过锥形渐缩口气泡发生器诱导进入气液两相管，推动液态工质一起上升进入冷凝段；气液两相流在冷凝段被冷凝为液态工质，液态工质通过下降液体管进入储液器，储液器内的工质通过连接管再进入蒸发段底部，完成一个循环，实现了把散热元件的热量传导到环境中的目的。
本发明的有益效果体现在：
(1)本发明省去了构造精细复杂的毛细芯，使得蒸发段结构大为简化，降低了环路热管的制造成本，为其在高热流密度耗功电子器件冷却及热控制，化工、动力工程等领域余热回收方面的应用提供了一种可能；
(2)本发明的驱动力是气泡泵效应，不存在传统环路热管的沸腾极限问题，也不存在蒸发段气相槽道烧干或供液不足的问题；
(3)本发明彻底的解决了传统环路热管蒸发段从芯外到芯内的反向导热问题，提高了环路热管的传热效率和传热性能；
(4)本发明相对于传统环路热管，不存在纯气相管，取而代之的是气液两相上升管，在相同压降的条件下能大大的提高整个环路的工质循环量，能够有效的增强冷凝段和蒸发段传热，并且能有效提高环路热管的传热极限；
(5)本发明由于上升管是气液两相管，也就是说工质是通过潜热和显热共同来将热量带到冷凝段的，这样大大提高了环路热管在低热流密度运行的稳定性，减小了蒸发段温度的波动性。
本发明的利用气泡泵效应的环路热管结构简单，制造成本低，在地面高热流密度耗功电子器件，如高端CPU、大功率LED灯、通信设备等冷却及热控制，化工、冶金、动力工程等领域余热回收方面有很大的应用前景，实用性强。
附图说明
图1为传统环路热管的结构示意简图；
图2为图1沿A-A面的剖视放大结构示意图；
图3为本发明的利用气泡泵效应的环路热管的结构示意图。
具体实施方式
如图3所示，一种利用气泡泵效应的环路热管，包括蒸发段11、冷凝段13以及将蒸发段11的工质出口和冷凝段13的工质入口连接的气液两相管12，冷凝段13的工质出口与蒸发段11的工质入口之间设有储液器15；储液器15的工质入口通过下降液相管14与冷凝段13的工质出口连接，工质出口通过连接管16与蒸发段11的工质入口连接；储液器15与蒸发段11均为竖直设置，储液器15顶端的高度高于蒸发段11的顶端高度；冷凝段13在储液器15的上方；蒸发段11、气液两相管12、冷凝段13、下降液相管14、储液器15、连接管16依次连接成一个闭合回路。
蒸发段11由内径12mm、外径14mm的铜管制成，蒸发段11高10cm，顶端为工质出口，底端为工质入口；蒸发段11顶端为缩口设置，形成锥形渐缩口气泡发生器17，以便于诱导蒸发段11内产生的气泡进入气液两相管12下端。蒸发段11的热源用硅胶电热膜作为模拟热源，每片硅胶电热膜发热功率39.2W，硅胶电热膜紧贴在蒸发段管外壁，贴好硅胶电热膜后，再在蒸发段1外表面包上绝热材料，减少漏热。
气液两相管12、下降液相管14、连接管16采用内径8mm，外径10mm的铜管制成，其长度根据实际需要确定；所有的连接接头均采用银焊焊接密封；气液两相管12、下降液相管14、连接管16的外壁均包有绝热材料，减少漏热。
冷凝段13采用套管式水冷冷凝段，整个装置垂直地面放置，总高度70cm，左端为工质出口，右端为工质入口，其中冷凝段13在蒸发段11和储液器15的上方。
储液器15由内径12mm、外径14mm的铜管制成，为圆柱形，高度为30cm，顶端为工质入口，底端为工质出口；储液器15和蒸发段11的底端对齐，均竖直设置；储液器15内充注量一般为刚好浸没储液器5内壁为准。
本实施例中的利用气泡泵效应的环路热管采用乙醇为循环工质，实际检测过程为：首先将导热体系抽真空半小时，然后充注工质，充注量为150ml，工质刚好完全浸没储液器5内壁；然后进行实际传热检测，检测结果见表1，其中温度测量采用铜-康铜热电偶，测量精度0.1℃，采用安捷伦作为数据采集仪，漏热根据传热计算准则式计算得出。
表1
Figure BDA0000043383260000051
从上述表1的实验数据来看，本实施例中的利用气泡泵效应的环路热管运行稳定，并且具有较小的当量热阻。另外，从蒸发段温度波动情况看，不超过0.5℃的波动幅度能较好的满足耗功电子器件的冷却与热控制。

Claims (8)

1.一种利用气泡泵效应的环路热管，包括蒸发段(11)、冷凝段(13)以及将蒸发段(11)的工质出口和冷凝段(13)的工质入口连接的气液两相管(12)，其特征在于，所述的冷凝段(13)的工质出口与蒸发段(11)的工质入口之间设有储液器(15)；所述的储液器(15)的工质入口通过下降液相管(14)与冷凝段(13)的工质出口连接，工质出口通过连接管(16)与蒸发段(11)的工质入口连接；所述的储液器(15)和蒸发段(11)均为竖直设置，储液器(15)顶端的高度高于蒸发段(11)的顶端高度；所述的冷凝段(13)在储液器(15)的上方。
2.根据权利要求1所述的利用气泡泵效应的环路热管，其特征在于，所述的储液器(15)底端与蒸发段(11)底端平齐，储液器(15)的高度为蒸发段(11)高度的1.5～3倍。
3.根据权利要求1所述的利用气泡泵效应的环路热管，其特征在于，所述的蒸发段(11)顶端为缩口设置。
4.根据权利要求1所述的利用气泡泵效应的环路热管，其特征在于，所述的冷凝段(13)为套管式水冷冷凝段或者翅片管式风冷冷凝段。
5.根据权利要求1所述的利用气泡泵效应的环路热管，其特征在于，所述的储液器(5)为长方体形、圆柱体形或者球形。
6.根据权利要求1所述的利用气泡泵效应的环路热管，其特征在于，所述的工质为无水乙醇、甲醇、蒸馏水或者丙酮。
7.根据权利要求1所述的利用气泡泵效应的环路热管，其特征在于，所述的蒸发段(11)、气液两相管(12)、下降液相管(14)与连接管(16)均为铜管。
8.根据权利要求1所述的利用气泡泵效应的环路热管，其特征在于，所述的蒸发段(11)、气液两相管(12)、下降液相管(14)与连接管(16)的外表面均包有绝热材料。
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