CN103344145B - 一种具有吸液芯流道的环路热管及其传热方法和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有吸液芯流道的环路热管，包括依次首尾连接形成环路的蒸发段、绝热段、冷凝段和输液段，所述蒸发段和输液段的管体内均填充有金属粉末并经过高温烧结，所述蒸发段的管体与金属粉末形第一吸液芯流道，所述输液段的管体与金属粉末形成第二吸液芯流道。本具有吸液芯流道的环路热管中的液态工作介质通过第一吸液芯流道和第二吸液芯流道中的毛细力在反重力条件下也可迅速移动，从而提高传热效率，降低运行温度和热阻。同时，本发明还提供了一种具有吸液芯流道的环路热管的传热方法和制造方法。

Description

一种具有吸液芯流道的环路热管及其传热方法和制造方法

技术领域

本发明涉及传热设备技术，具体涉及一种具有吸液芯流道的环路热管及其传热方法和制造方法。

背景技术

随着电子行业、航空航天业以及设备制造业等行业的迅猛发展，现代工业对散热的要求也越来越高。近几年来，由于高热流密度元件、设备等的诞生，传统的风冷散热已经达到散热极限而远不能满足散热要求，液冷散热也因其成本高、系统复杂以及有渗漏等缺点一直难以得到普及应用。环路热管作为一种高效的相变传热装置，主要通过传热工作介质的两相变化传递热量，在散热系统上显得越来越重要。

目前，传统的环路热管有三种安装模式：水平模式(安装于蒸发段的蒸发器与安装于冷凝段的冷凝器处于同一水平面)、重力辅助模式(安装于蒸发段的蒸发器位置低于冷凝段的冷凝器冷凝器)和抗重力模式(安装于蒸发段的蒸发器位置高于冷凝段的冷凝器冷凝器)。传统的环路热管的三种安装模式将受到重力对其不同程度的影响，特别是抗重力模式受到的影响最为明显。在抗重力条件下，抗重力模式环路热管的管内总压降增大，导致运行温度升高。这是由于在运行时，重力增加了环路热管工作介质回流负担，导致抗重力模式环路热管的运行温度提高、热阻增加、传热效率降低、散热效果差。大量实验表明：在抗重力条件下，热管的工作温度、传热性能以及系统热阻等都会受到非常消极影响，在长距离传热条件下显得尤为明显。由于上述原因，传统中的环路热管能解决散热问题，大多采用水平模式与重力辅助模式，而抗重力模式的环路热管，特别是长距离抗重力模式环路热管很难得到应用，这也将严重限制了环路热管的应用领域，令环路热管无法得到普遍的应用。

发明内容

本发明为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种具有吸液芯流道的环路热管。该具有吸液芯流道的环路热管运行温度低、热阻低，且传热效率高，散热效果好。同时，本发明还提供了一种具有吸液芯流道的环路热管的传热方法和制造方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：本具有吸液芯流道的环路热管，包括依次首尾连接形成环路的蒸发段、绝热段、冷凝段和输液段，所述蒸发段和输液段的管体内均填充有被烧结的金属粉末，所述蒸发段的管体与金属粉末形成第一吸液芯流道，所述输液段的管体与金属粉末形成第二吸液芯流道。

所述第一吸液芯流道内设有与蒸发段的管体同心的圆孔，所述圆孔与绝热段连通。

所述圆孔与蒸发段的管体之间的第一吸液芯流道的厚度为0.5mm～1.5mm。

所述蒸发段与绝热段之间设有连接件，所述蒸发段通过连接件与绝热段密封连接，所述连接件设有抽口。

所述的具有毛细流道的环路热管还包括加热块和散热翅片，所述加热块安装于蒸发段，所述散热翅片安装于冷凝段，且加热块的水平位置高于散热翅片的水平位置；所述金属粉末为铜粉或镍粉。

所述的一种具有吸液芯流道的环路热管的传热方法，包括以下步骤：

A、所述蒸发段的液态工作介质受热转化成气态工作介质，气态工作介质经过绝热段进入冷凝段；

B、所述气态工作介质在冷凝段受到冷却的作用，则所述气态工作介质重新恢复成液态工作介质，此液态工作介质进入输液段的第二吸液芯流道中；

C、所述第一吸液芯流道通过毛细力吸取第二吸液芯流道中的液态工作介质，液态工作介质自第二吸液芯流道中进入第一吸液芯流道。

在所述步骤A中，由于蒸发段中液态工作介质因受热转变成气态工作介质流走，则第一吸液芯流道中的液态工作介质减少，从而第一吸液芯流道具有较大的毛细力，通过毛细力的作用，所述第一吸液芯流道从第二吸液芯流道中吸液态的工作介质。因此蒸发段可以持续有液态工作介质从第二吸液芯流道中进入转变成气态工作介质，即工作介质以液态和气态的转换，在蒸发段、绝热段、冷凝段和输液段循环流动。同时，由于第一吸液芯流道和第二吸液芯流道均具有毛细力，且此毛细力可以克服重力的影响，令工作介质的回流迅速、稳定，因此本具有吸液芯流道的环路热管即使在抗重力环境也可以具有良好的传热效率，提高了散热效果。

所述的一种具有吸液芯流道的环路热管的制造方法，包括以下步骤：

(1)选取具有一定长度和一定内径的紫铜管，将紫铜管弯曲成首尾连接的环形，从而制成包含有蒸发段、绝热段、冷凝段和输液段的管体；

(2)分别向输液段的管体和蒸发段的管体填充金属粉末：当输液段的管体内的金属粉末填充完成后，在蒸发段的管体内插入一根芯棒，且芯棒与蒸发段的管体同心，再继续填充金属粉末，令蒸发段的管体内填满金属粉末；

在氢气或惰性气体的保护下，以一定的烧结温度对金属粉末进行烧结，令金属粉末与蒸发段的管体、输液段的管体烧结为一体，再抽取芯棒，从而形成第一吸液芯流道和第二吸液芯流道；此处的惰性气体可以为氮气、氩气等。

(3)对管体进行抽真空处理后，再注入工作介质，然后令蒸发段与绝热段进行密封连接，制造成具有吸液芯流道的环路热管。

所述步骤(2)中蒸发段中的金属粉末填充率为100％；所述输液段中的金属粉末填充率为80％～100％。

所述步骤(2)中的烧结温度为850℃～1000℃。

所述步骤(2)中的芯棒为石墨棒或不锈钢棒。

本具有吸液芯流道的环路热管的工作原理：当环路热管工作运行时，蒸发段内的工作介质受热，液态的工作介质转变为气态，蒸发段气压增加，气态工作介质从处于高气压状态的蒸发段经过绝热段进入相对低压的冷凝段；气态的工作介质进入冷凝段后，气态的工作介质恢复成液态的工作介质，而重新恢复为液态的工作介质从冷凝段进入输液段；而当蒸发段的工作介质从液态转变为气态后，蒸发段中的第一吸液芯流道中液态工作介质减少，则第一吸液芯流道中的毛细力变大，输液段的第二吸液芯流道中的液态工作介质受到毛细力的作用，克服重力，第二吸液芯流道中的液态工作介质进入蒸发段，从而形成一个完整的液气两相循环。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：本具有吸液芯流道的环路热管在蒸发段和输液段设有第一吸液芯流道和第二吸液芯流道，由于第一吸液芯流道和第二吸液芯流道均具有毛细力，因此液态工作介质受毛细力的作用，自主进入第一吸液芯流道，即液态工作介质因毛细力克服重力的影响而自主进入蒸发段，故本具有吸液芯流道的环路热管即使在抗重力的条件下也具有优越的换热性能，运行温度低，热阻减小，而且传热效率高，保证本具有吸液芯流道的环路热管应用于散热器时，采用任意一种安装模式，都可以令散热器具有优越的性能；本具有吸液芯流道的环路热管利用第一吸液芯流道和第二吸液芯流道中的毛细力作用驱动液态工作介质移动，从而可以实现长距离传热，且抗重力高度可达500mm以上，故非常适用于航空航天、化工、动力工程等对散热条件要求高而复杂的领域，大大扩大了传统环路热管的应用领域。

附图说明

图1是本实施例1的一种具有吸液芯流道的环路热管的剖视意图。

图2是本实施例1的一种具有吸液芯流道的环路热管的结构示意图。

图3是本实施例1的管体结构的结构示意图。

图4是本实施例1第二吸液芯流道制备的工艺示意图。

图5是本实施例1第一吸液芯流道制备的工艺示意图。

图6是本实施例1的一种具有吸液芯流道的环路热管安装有加热块和散热翅片时的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1和图2所示的一种具有吸液芯流道的环路热管，包括依次首尾连接形成环路的蒸发段1、绝热段2、冷凝段3和输液段4，所述蒸发段1和输液段4的管体内均填充有被烧结的金属粉末，所述蒸发段1的管体与金属粉末形成第一吸液芯流道5，所述输液段4的管体与金属粉末形成第二吸液芯流道6。

所述第一吸液芯流道6内设有与蒸发段1的管体同心的圆孔7，所述圆孔7与绝热段2连通。

所述圆孔7与蒸发段1的管体之间的第一吸液芯流道5的厚度为1mm。

所述蒸发段1与绝热段2之间设有连接件8，所述蒸发段1通过连接件8与绝热段2密封连接，所述连接件8设有抽口9。此连接件8为紫铜材料的三通接头，蒸发段1与绝热段2通过焊接分别与三通接头的其中两个接口密封连接，然后在三通接头的另一个接口设置抽口9，此抽口9用于抽真空及注入工作介质。

如图6所示，所述的具有吸液芯流道的环路热管还包括加热块11和散热翅片12，所述加热块11安装于蒸发段1，所述散热翅片12安装于冷凝段3，且加热块11的水平位置高于散热翅片12的水平位置。所述加热块11相当于蒸发器，令蒸发段1的液态工作介质迅速转变为气态；而散热翅片12相当于冷凝器，令冷凝段3的气态工作介质迅速转变为液态。所述金属粉末为铜粉或镍粉。本实施例优选铜粉。

所述的一种具有吸液芯流道的环路热管的传热方法，包括以下步骤：

A、所述蒸发段1的液态工作介质受热转化成气态工作介质，气态工作介质经过绝热段2进入冷凝段3；

B、所述气态工作介质在冷凝段3受到冷却的作用，则所述气态工作介质重新恢复成液态工作介质，此液态工作介质进入输液段4的第二吸液芯流道6中；

C、所述第一吸液芯流道5通过毛细力吸取第二吸液芯流道6中的液态工作介质，液态工作介质自第二吸液芯流道6中进入第一吸液芯流道5。

在所述步骤A中，由于蒸发段1中液态工作介质因受热转变成气态工作介质流走，则第一吸液芯流道5中的液态工作介质减少，从而第一吸液芯流道5具有较大的毛细力，通过毛细力的作用，所述第一吸液芯流道5从第二吸液芯流道6中吸液态的工作介质。因此蒸发段1可以持续有液态工作介质从第二吸液芯流道6中进入转变成气态工作介质，即工作介质以液态和气态的转换，在蒸发段1、绝热段2、冷凝段3和输液段4循环流动。同时，由于第一吸液芯流道5和第二吸液芯流道6均具有毛细力，且此毛细力可以克服重力的影响，令工作介质的回流迅速、稳定。因此本具有吸液芯流道的环路热管即使在抗重力环境也可以具有良好的传热效率，提高了散热效果。

所述的一种具有吸液芯流道的环路热管的制造方法，包括以下步骤：

(1)选取具有一定长度和一定内径的紫铜管，将紫铜管弯曲成首尾连接的环形，从而制成包含有蒸发段1、绝热段2、冷凝段3和输液段4的管体；本实施例中，如图3所示，紫铜管被弯曲成一个具有倒圆角的矩形环。本实施例中，选取紫铜管的外径为8mm，管壁厚为0.41mm，即内径为7.18mm。

(2)分别向输液段4的管体和蒸发段1的管体填充金属粉末：当输液段4的管体内的金属粉末填充完成后，在蒸发段1的管体内插入一根芯棒10，且芯棒10与蒸发段1的管体同心，再继续填充金属粉末，令蒸发段1的管体内填满金属粉末；矩形环被倾斜一定的角度，此角度值可为30°～60°；本实施例中，如图4所示，矩形环倾斜45°，此时向蒸发段1的出气口和绝热段2的进气口注入金属粉末，令输液段4的金属粉末填充率为90％；当输液段4的金属粉末填充完成后，令矩形环呈90°倾斜，即令蒸发段1与水平面垂直，此时插入芯棒10，令芯棒10与蒸发段1的管体同心，再继续向蒸发段1的出气口填充金属粉末，令蒸发段1的金属粉末的填充率为100％，从而完成金属粉末的填充。

在氢气保护下，以一定的烧结温度对金属粉末进行烧结，令金属粉末与蒸发段1的管体、输液段4的管体烧结为一体，再抽取芯棒10，从而形成第一吸液芯流道5和第二吸液芯流道6；

(3)对管体进行抽真空处理后，再注入工作介质，然后令蒸发段1与绝热段2进行密封连接，制造成具有吸液芯流道的环路热管。

所述步骤(2)中第一吸液芯流道5中的金属粉末填充率为100％；所述第二吸液芯流道6中的金属粉末填充率为90％。第一吸液芯流道5中的金属粉末填充率较大，从而令第一吸液芯流道5的孔径较小，这可保证第一毛细流5道具有较大的毛细力，从而可以提供充足的工作介质于蒸发段1，从而避免蒸发段1中的工作介质被蒸干而发生损坏；而第二吸液芯流道6中的金属粉末采用较小的填充率，使第二吸液芯流道6中的孔径较大，这利于第二吸液芯流道6更好的吸收工作介质，从而能够更好地平衡渗透率与毛细力。

所述步骤(2)中的烧结温度为900℃。

所述步骤(2)中的芯棒10为石墨棒或不锈钢棒。本实施例优选石墨。

实施例2

本具有吸液芯流道的环路热管除以下技术特征外同实施例1：所述圆孔7与蒸发段1的管体之间的第一吸液芯流道5的厚度为0.5mm。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有吸液芯流道的环路热管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选取具有一定长度和一定内径的紫铜管，将紫铜管弯曲成首尾连接的环形，从而制成包含有蒸发段、绝热段、冷凝段和输液段的管体；

(2)分别向输液段的管体和蒸发段的管体填充金属粉末：当输液段的管体内的金属粉末填充完成后，在蒸发段的管体内插入一根芯棒，且芯棒与蒸发段的管体同心，再继续填充金属粉末，令蒸发段的管体内填满金属粉末；

在氢气或惰性气体的保护下，以一定的烧结温度对金属粉末进行烧结，令金属粉末与蒸发段的管体、输液段的管体烧结为一体，再抽取芯棒，从而形成第一吸液芯流道和第二吸液芯流道；

(3)对管体进行抽真空处理后，再注入工作介质，然后令蒸发段与绝热段进行密封连接，制造成具有吸液芯流道的环路热管。

2.根据权利要求1所述的一种具有吸液芯流道的环路热管的制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中蒸发段中的金属粉末填充率为100％；所述输液段中的金属粉末填充率为80％～100％。

3.根据权利要求1所述的一种具有吸液芯流道的环路热管的制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中的烧结温度为850℃～1000℃。

4.根据权利要求1所述的一种具有吸液芯流道的环路热管的制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中的芯棒为石墨棒或不锈钢棒。