CN102419123A - 反重力鼓泡式环路热管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反重力鼓泡式环路热管，包括冷凝器、蒸发器、补偿器，冷凝器与补偿器之间安装鼓泡器，鼓泡器位于冷凝器的下方，鼓泡器一端与冷凝器连通，另一端通过液体管道Ⅰ与补偿器连通；补偿器位于蒸发器的上方，两者之间通过液体管道Ⅱ连通；蒸发器位于冷凝器的上方，两者之间通过蒸汽管道连通；补偿器与冷凝器通过恒压管道连通。在工作过程中，鼓泡器产生的高压，克服液体工质由冷凝器流向补偿器的阻力，液体工质回流至蒸发器中，使液体工质循环工作，本发明的环路热管在密闭空间高热流密度条件下，可以将热量从高处传到低处、系统热阻小，传递效率高，可以不受空间限制的将系统热源集中到一处散热，便于散热器的设计。

Description

反重力鼓泡式环路热管
技术领域
本发明涉及一种元器件散热装置，具体涉及一种反重力鼓泡式环路热管。
背景技术
环路热管是一种高效的相变传热装置，通过工质的蒸发和冷凝来传递热量。环路热管由于具有高传热性能、远距离传输热量、安装灵活方便以及运行可靠性高、工作寿命长等诸多优点，在航天领域得到广泛研究和应用。环路热管由蒸发器、冷凝器、补偿器及液体和蒸汽管线组成。工作时，工质在蒸发器的毛细芯中蒸发，蒸汽进入蒸汽管道并在冷凝器中冷凝成液体并过冷，液体工质进入液体管线，回流至蒸发器进行补给，如此循环。工质循环的动力由蒸发器毛细芯内弯月面产生的毛细压力提供，毛细压力等于环路总压降。环路热管有三种安装模式：水平模式（蒸发器与冷凝器在同一水平面）、重力辅助模式（蒸发器低于冷凝器）和反重力模式（蒸发器高于冷凝器）。由于重力影响，反重力模式下环路热管的工作温度和热阻均比另外两种模式的高。重力辅助平板型环路热管的系统热阻与热负荷、系统倾角和工质充灌量有关。在反重力条件下环路热管系统总压降增大，导致运行温度增加，传热效率降低。蒸发器和冷凝器的方位对环路热管系统运行、温度控制特性具有重要影响，实验可得反重力工作对环路热管的工作温度、温度控制性能、系统热导都会产生消极影响的结论。综上所述，现有技术中环路热管在反重力条件下运行时，重力增加了环路的总压降，导致运行温度提高、热阻增加、传热效率降低。
发明内容
为了克服现有技术中的缺点与不足，本发明提供一种反重力鼓泡式环路热管。
一种反重力鼓泡式环路热管，包括冷凝器4、蒸发器5、补偿器6, 补偿器6位于蒸发器5的上方，两者之间通过液体管道Ⅱ9连通；蒸发器5位于冷凝器4的上方，两者之间通过蒸汽管道10连通；补偿器6与冷凝器4通过恒压管道8连通；鼓泡器位于冷凝器的下方，鼓泡器2一端与冷凝器4连通，另一端通过液体管道Ⅰ7与补偿器6连通；
所述鼓泡器包括U形管11、内筒13、外筒14和加热棒1，外筒14侧面通过U形管11与冷凝器4连通，外筒14上端通过液体管道Ⅰ7与补偿器6连通，外筒14和内筒13之间利用火焰焊密封方法形成鼓泡腔12，内筒13中心插入加热棒1。
所述蒸发器5与冷凝器4之间的距离为0-1000mm。
所述的蒸汽管道1、液体管道、恒压管道8、U形管11均为铜管，管壁厚度为0.2mm-1.0mm，管内外壁面是光滑的，铜管外径为4mm-10mm，所述的蒸汽管道10的外径比液体管道、U形管的外径宽1-3mm。
所述反重力鼓泡式环路热管的液体工质灌注量为该环路热管回路腔体体积的10%-30%。
所述反重力鼓泡式环路热管还包括散热翅片3，散热翅片3与冷凝器4通过螺栓连接并在两者之间涂导热硅胶以增强传热效果。
所述鼓泡器内筒13表面为光滑、滚花或外翅片结构。
所述外翅片结构为A型或花瓣型，其翅片高度为2-4mm，间距为0.5-1.5mm。
所述外翅片结构采用滚压－犁切/挤压方法加工。
所述的液体工质是水、甲醇、乙醇或其他中性液体，但是优选水。
与现有的环路热管相比较，本发明具有以下优点:
（1）本发明的环路热管蒸发器位于冷凝器上方，在光电子、化工、动力工程等领域内密闭空间高热流密度条件下，可以将热量从高处传到低处、系统热阻小，传递效率高，可以不受空间限制的将系统热源集中到一处散热，便于散热器的设计；
（2）本发明的环路热管在航空航天等微重力条件下，可以有效的降低压降，增大传热效率。
附图说明
图1为反重力鼓泡式环路热管系统结构图；
图2为反重力鼓泡式环路热管原理图；
图3为图1的鼓泡器结构示意图。
图中示出：
1—加热棒，2—鼓泡器，3—散热翅片，4--冷凝器，5—蒸发器，6—补偿器，7—液体管道Ⅰ，8—恒压管道， 9—液体管道Ⅱ，10—蒸汽管道，11—U形管，12—鼓泡腔，13—内筒，14—外筒。
具体实施方式                   
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。
如附图1所示：一种反重力鼓泡式环路热管，包括冷凝器4、蒸发器5、补偿器6，冷凝器4与补偿器6之间安装鼓泡器2，鼓泡器2位于环路热管最下方，鼓泡器2一端与冷凝器4连通，另一端通过液体管道Ⅰ7与补偿器6连通, 使液体回流至补偿器6中；补偿器6位于蒸发器5的上方，两者之间通过液体管道Ⅱ9连通；蒸发器5位于冷凝器4的上方，两者之间通过蒸汽管道10连通；为保持内部气压平衡,补偿器6与冷凝器4通过恒压管道8连通。
蒸发器5与冷凝器4之间的距离为0-1000mm；
所述的蒸汽管道10、液体管道、恒压管道8、U形管11均为铜管，管壁厚度为0.2mm-1.0mm，管内外壁面是光滑的，铜管外径为4mm-10mm，所述的蒸汽管道10的外径比液体管道、U形管11的外径宽1-3mm。
所述反重力鼓泡式环路热管的灌注量为该环路热管回路腔体体积的10%-30%。
所述反重力鼓泡式环路热管还包括散热翅片3，散热翅片3与冷凝器4通过螺栓连接并在两者之间涂导热硅胶以增强传热效果。
如附图3所示：所述鼓泡器包括U形管11、内筒13、外筒14和加热棒1，外筒侧面通过U形管11与冷凝器4连通，外筒14上端通过液体管道Ⅰ7与补偿器6连通，外筒14和内筒13之间利用火焰密封方法形成鼓泡腔12，内筒13中心插入加热棒1，在鼓泡器内筒13中心插入加热棒1为鼓泡器2提供能量；
内筒13的外表面是光滑，滚花或者外翅片结构。外翅片结构为A型或者花瓣型，其翅片高度为2-4mm，间距为0.5-1.5mm。三维整体外翅片结构采用滚压－犁切/挤压方法表面加工，加工分滚压、犁切/挤压两个过程。首先用滚花刀在鼓泡器内筒表面滚压出斜纹，然后利用犁切/挤压刀具在斜纹基础上犁切/挤压出三维翅片。
所述的液体工质可以是水、甲醇、乙醇或其他中性液体，优选水。
所述的液体工质灌注量为铜管回路腔体体积的10%-30%。
如附图2所示：当反重力鼓泡式环路热管工作时，工质液体受热蒸发，蒸汽通过蒸汽管道10流向冷凝器4，在冷凝器4内放出汽化潜热冷凝成为液体。液体通过液体管道Ⅰ7流向鼓泡器2，在鼓泡器2与补偿器6之间形成一液柱。鼓泡器2内沸腾产生高压，将液柱鼓起通过液体管道Ⅰ7至补偿器6，对蒸发器5进行液体工质补给，液体工质重复受热蒸发，如此循环。在系统工作循环过程中，鼓泡器2产生的高压，克服液体工质由冷凝器4流向补偿器6的阻力，液体工质回流至蒸发器5中，使液体工质循环工作，持续有效将热量从蒸发器5传送至冷凝器4。
测试反重力鼓泡式环路热管启动及传热性能，反重力鼓泡式环路热管测试系统包括：反重力鼓泡式环路热管、蒸发器热板及加热棒、变压器及稳压输出装置、安捷伦数据采集仪及数据管理软件。
在测试过程中，反重力鼓泡式环路热管内部抽真空，灌注超纯水为工质占总体积20%。稳压源提供的鼓泡功率为20W；蒸发器热板及加热棒加热功率分别为40W、60W和80W，用以模仿电子元器件产生的热功率。6个K型热电偶用于测量环路热管不同位置温度，TC1为加热块温度，TC2、TC3为蒸发器入口和出口温度，TC4、TC5为冷凝器入口和出口温度，TC6为鼓泡器出口温度。测试数据由安捷伦34970A数据采集系统采集，每3秒采集一次数据，数据记录在数据管理软件中。反重力鼓泡式环路热管的反重力高度（即蒸发器与冷凝器之间高度）为500mm。
反重力鼓泡式环路热管启动过程中，随着加热块温度提高，蒸发器温度提高，蒸发器中工质被蒸发进入蒸汽管道，达到冷凝器中经过冷凝成为液态工质。冷凝后液态工质顺着U型管流入鼓泡器，并在鼓泡器作用下被输送到补偿器中。补偿器源源不断地给蒸发器提供液态工质以吸收热量。如此循环工作。环路热管经过启动后，在工作范围内，会自动调整工作温度稳定，达到一稳定阶段。
所示为反重力鼓泡式环路热管鼓泡器工作特性图，鼓泡器工作过程可分为鼓泡过程、上升过程和稳定过程。在工作过程中，鼓泡器将冷凝器冷凝的液态工质输送到补偿器中以完成环路热管的工质循环。
实验测试反重力鼓泡器环路热管启动特性曲线，鼓泡功率为20W，加热功率分别为40W、60W和80W。在启动过程中，蒸发器温度不断上升，蒸发器出口温度急剧上升，说明蒸发器中工质被不断蒸发，蒸汽流向蒸发器出口。与此同时，冷凝器温度也随着提高，这说明蒸汽通过蒸汽管道流入冷凝器中。在加热功率分别为40W、60W和80W，冷凝器的出口温度和入口温度之差分别为7℃, 9℃ and 10.1℃，蒸汽工质在冷凝器中降温冷凝为液态工质。
通过测试发现，本发明所述反重力鼓泡式环路热管能够在不同功率（40W、60W和80W）下在20分钟内顺利启动并达到稳定工作状态。而且，在稳定工作状态下，加热块温度分别为60.4℃, 68.5℃ and 79.9℃，蒸发器温度分别为51.5℃, 57.4℃和 59.1℃，达到非常好的效果。

Claims (8)

1.一种反重力鼓泡式环路热管，其特征在于：包括冷凝器（4）、蒸发器（5）、补偿器（6），补偿器（6）位于蒸发器（5）的上方，两者之间通过液体管道Ⅱ（9）连通；蒸发器（5）位于冷凝器（4）的上方，两者之间通过蒸汽管道（10）连通；补偿器（6）与冷凝器（4）通过恒压管道（8）连通；鼓泡器位于冷凝器的下方，鼓泡器（2）一端与冷凝器（4）连通，另一端通过液体管道Ⅰ（7）与补偿器（6）连通；
所述鼓泡器（2）包括U形管（11）、内筒（13）、外筒（14）和加热棒（1），外筒（14）侧面通过U形管（11）与冷凝器（4）连通，外筒（14）上端通过液体管道Ⅰ（7）与补偿器（6）连通，外筒（14）和内筒（13）之间利用火焰焊密封方法形成鼓泡腔（12），内筒（13）中心插入加热棒（1）。
2.根据权利要求1所述的反重力鼓泡式环路热管，其特征在于：所述蒸发器（5）与冷凝器（4）之间的距离为0-1000mm。
3.根据权利要求1 所述的反重力鼓泡式环路热管，其特征在于：所述反重力鼓泡式环路热管的液体工质灌注量为该环路热管回路腔体体积的10%-30%。
4.根据权利要求1所述的反重力鼓泡式环路热管，其特征在于：还包括散热翅片（3），散热翅片（3）与冷凝器（4）通过螺栓固定在一起。
5.根据权利要求1所述的反重力鼓泡式环路热管,其特征在于：所述鼓泡器内筒（13）表面为光滑、滚花或外翅片结构。
6.根据权利要求1所述的反重力鼓泡式环路热管,其特征在于：所述的蒸汽管道（10）、液体管道、恒压管道（8）、U形管（11）均为铜管，管壁厚度为0.2mm-1.0mm，管内外壁面是光滑的，铜管外径为4mm-10mm，所述的蒸汽管道（10）的外径比液体管道、U形管（11）的外径宽1-3mm。
7.根据权利要求5所述的反重力鼓泡式环路热管，其特征在于：所述外翅片结构为A型或者花瓣型，其翅片高度为2-4mm，间距为0.5-1.5mm。
8.根据权利要求7所述的反重力鼓泡式环路热管，其特征在于：所述外翅片结构采用滚压－犁切/挤压方法加工。
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