CN102997729A - 相变驱动环路热管散热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相变驱动环路热管散热器，其结构是热管蒸发段的上部设有吸液芯，蒸发段底端为受热面，工质循环管的进口接于吸液芯；工质循环管的出口接于吸液芯与受热面所构成的空间夹层内。工质循环管进口与吸液芯之间设有储液箱。热管蒸发段为扁平管，吸液芯与受热面所构成的空间夹层高度为0.1至2mm。为强化冷凝效果在工质循环管的外侧镶有翅片。相变驱动流体动力循环冷却高热流密度发热器件的传热机理，完全不同于传统环路热管的传热机制，同时消除了传统散热方式中均温板与散热器底板之间的接触热阻。热管无需任何辅助重力即可实现低阻循环，可作为高效冷却装置用于多类高热流密度发热器件的冷却散热。

Description

相变驱动环路热管散热器
技术领域
本发明属于热能工程领域，具体涉及一种通过相变驱动工质循环的环路热管散热器装置。
背景技术
对于有限空间内大功率高热流密度器件散热冷却，以振荡热管（OHP）、脉动热管（PHP）以及环路热管（LHP）三者相比较，LHP以传热能力强、效率高、稳定性好、传输距离长为特点，在航空航天的热控和电子散热领域得到较快发展和应用。众所周知，热管内毛细芯的性能是直接影响热管蒸发器效能的关键，毛细芯导热系数过小会导致蒸发器能量传递效率降低；过大又会使汽液界面向液体侧偏移，甚至会在蒸发器液体通道内产生气泡；有效毛细孔径越小抽力越大，但过小的毛细芯会引起渗透率剧烈下降，导致流阻增大，反过来又会降低蒸发器的输出压头。所以尽管LHP应用的范围日益扩大，但其流动和换热机理存在的主要问题仍然是在系统内部工质的流动为两相流，从而使得运行流动阻力较大。另一方面，由于热管蒸发段的两端不可避免都可能发生相变，导致主流相变工质会有小部分反向流动，也使得循环流动阻力增加。所以如何使得热管蒸发段内的工质避免汽液两相流，同时使工质进行单向循环，在增大热管吸液芯渗透力的同时，保持蒸发器较高的输出压头，无需任何辅助重力实现低阻循环，是本发明的创造性所在。
发明内容
为了有效提高环路热管（LHP）的热力循环性能，本发明的目的是提出一种通过相变驱动、工质低阻循环的环路热管散热器装置。
相变驱动环路热管散热器其技术方案与原理是：热管蒸发段的上部设有吸液芯，蒸发段底端为受热面，工质循环管的进口接于吸液芯；工质循环管的出口接于吸液芯与受热面所构成的空间夹层内，工质循环管进口与吸液芯之间设有储液箱。
热管的工作原理是：热管的结构是一个密封的腔体，空腔的内壁加工成多孔表面用于吸附液体循环工质，通常热管分为蒸发、绝热和冷凝三个工作段。当蒸发段受热时，使腔内的工质蒸发气化，蒸汽通过传输段（绝热段）流向冷凝段放热凝结成液体，液体再靠多孔表面毛细力的作用流回蒸发段。如此循环反复，不断地将热量从蒸发段传输至冷凝段。
本发明的工作原理是：热管的蒸发器由蒸发段和储液室组成，吸液芯下面与受热面之间留有的间隙作为蒸汽腔。工质循环管的进口接于吸液芯，蒸汽腔出口与工质循环管相通，这样就可实现工质的单向循环。冷凝液进入吸液芯并不断滴入蒸汽腔，流体工质在蒸汽腔内相变蒸发，依靠流体工质在吸液芯内的表面张力、吸液芯较低的导热系数、以及蒸汽腔的最佳间隙，使相变蒸汽不足在吸液芯内蒸发，由此可使流体相变后以纯蒸汽状态进入冷凝段。相变驱动环路热管散热器蒸发段的结构是一个扁平管，被冷却的大功率高热流密度器件，直接与蒸发器固定在一起。关键是热管内工质的流动不是依靠吸液芯毛细力的作用，而是通过夹层内液体的相变驱动工质循环。
本发明的特点以及产生的有益效果是，相变驱动流体动力循环冷却高热流密度发热器件的传热机理，完全不同于传统环路热管的传热机制。在高热流密度发热器件的冷却技术方面，本发明消除了传统散热方式中均温板与散热器底板之间的接触热阻，将与高热流密度发热器件直接接触的均温板直接换为LHP的蒸发器。同时利用工质添加的纳米粒子降低汽液表面张力和固液接触角，强化液膜对流换热。热管无需任何辅助重力即可实现低阻循环，可作为高效冷却装置用于多类高热流密度发热器件的冷却散热。
附图说明
所示附图是本发明的原理与结构简图。图中下方的黑色箭头表示发热源。
具体实施方式
以下结合附图并通过具体实施例对本发明的原理与结构作进一步的说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此实施例限定本发明的保护范围。
相变驱动环路热管散热器，其结构是热管蒸发段的上部设有吸液芯，蒸发段底端为受热面，工质循环管的进口接于吸液芯；工质循环管的出口接于吸液芯与受热面所构成的空间夹层内。工质循环管进口与吸液芯之间设有储液箱。热管蒸发段为扁平管，吸液芯与受热面所构成的空间夹层高度为0.1至2mm。吸液芯是烧结金属吸液芯。为强化冷凝效果在工质循环管的外侧镶有翅片。为了利用纳米流体的殊性能强化热管的相变传热能力，所以环路热管散热器内循环的工质加有纳米颗粒材料。
本实施例热管散热器采用铜质，吸液芯与受热面所构成的空间夹层高度为1.5mm；热管蒸发段为矩形的扁平管，在蒸发段的两端通过一段导流管段与圆形的工质循环管焊接。吸液芯为优化的拓扑结构，吸液芯采用孔经不一的烧结金属（镍）金属芯。纳米种类选择以适用于烧结金属芯特性为主，选择极少量纳米粒子来增加汽化核心，利用纳米粒子降低汽液表面张力和固液接触角，强化液膜对流换热；同时纳米颗粒沉积在冷凝壁面上可形成一极薄的颗粒沉积层，有利于薄液膜凝结形态。使用时将热管蒸发器与被散热器件接触，蒸发器与被散热器件之间设有高导热率的热结合层材料。
实施例曾在自建的实验台上进行，发热源热流密度在150W/cm2以上，在不同环境温度、风速等不同工况下，被冷却的发热器件的温度符合工作温度范围。

Claims (6)

1.相变驱动环路热管散热器，其特征是热管蒸发段的上部设有吸液芯（1），蒸发段底端为受热面（2），工质循环管（3）的进口接于吸液芯；工质循环管的出口接于吸液芯与受热面所构成的空间夹层内，工质循环管进口与吸液芯之间设有储液箱（4）。
2.按照权利要求1所述的相变驱动环路热管散热器，其特征是所述吸液芯（1）与受热面（2）所构成的空间夹层高度为0.1至2mm。
3.按照权利要求1所述的相变驱动环路热管散热器，其特征是所述热管蒸发段为扁平管。
4.按照权利要求1所述的相变驱动环路热管散热器，其特征是所述吸液芯（1）是烧结金属吸液芯。
5.按照权利要求1所述的相变驱动环路热管散热器，其特征是所述工质循环管（3）的外侧镶有翅片。
6.按照权利要求1所述的相变驱动环路热管散热器，其特征是所述环路热管散热器内循环的工质加有纳米颗粒材料。
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