CN103712498B - 一种应用于平板型lhp系统的双毛细芯蒸发器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于平板型LHP系统的双毛细芯蒸发器，包括：主体、下端盖、上端盖、下毛细芯、上毛细芯、金属丝网，其中上下端盖分别固定设置在主体两端面，其上分别开有多个通槽构成上下蒸汽槽道；上下毛细芯容置于该密闭空间内，并分别与端盖紧密接触；毛细芯之间通过金属丝网密封，围成补偿腔，密闭空间中位于补偿腔一侧的多余空间形成蒸汽腔，其通过蒸汽出口与冷凝装置连通，补偿腔通过回流液管道与外部连通，从蒸汽槽道流出的蒸汽汇集在蒸汽腔后在外部冷凝后从回流液管道流入补偿腔以补偿上下毛细芯内的工质。本发明的蒸发器可以提高LHP系统的热传输能力，减小侧壁导热对补偿腔的影响，降低系统的运行温度，改善和提高系统的运行性能。

Description

一种应用于平板型LHP系统的双毛细芯蒸发器

技术领域

本发明属于毛细芯蒸发器技术领域，具体涉及一种应用于平板型LHP（Loop Heat Pipe：环路热管）系统的双毛细芯蒸发器，适用于便携式或台式计算机以及其他高热流密度电子器件等设备的散热。

背景技术

LHP是一种利用工质相变进行热量传递的装置。它具有传热能力大、传输距离长、无运动部件、效率高、等温性好等优点，适用于高热流密度电子器件的散热。传统的LHP系统由蒸发器、冷凝器、蒸汽管道和液体管道组成。LHP的工作过程为：蒸发器加热面与器件发热面贴合，热量通过蒸发器壁面导入毛细芯，毛细芯内的液态工质吸收热量蒸发，产生的蒸汽通过蒸汽管道进入冷凝器冷凝为液体，由于蒸发器内毛细芯的毛细抽吸作用，冷凝液经液体管道被抽吸回流到蒸发器的蒸发表面，形成蒸发—冷凝循环，从而将发热部件的热量不断传递到外界环境中。

目前的平板型LHP的蒸发器结构示意图如图1所示。这种系统运行时，由于蒸发器外壁使用导热系数较大的金属材料，蒸发器的侧壁导热很大，向补偿腔的传热大，不仅使补偿腔温度升高，而且增加了系统的波动性。补偿腔温度升高导致补偿腔内的液体发生相变，补偿腔处于气液两相状态，内部压力增大，增加了系统运行的阻力，因而也增加了系统的运行温度。当补偿腔处于气液两相时，侧壁导热可引起补偿腔内气泡的生成和湮灭，从而使系统的运行温度和压力发生波动的不利影响。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提供一种适合平板型LHP的双毛细芯蒸发器，通过该蒸发器可以提高系统的热传输能力，减小侧壁导热对补偿腔的影响，降低系统的运行温度，改善和提高系统的运行性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种双毛细芯蒸发器，其特征在于，包括：主体、下端盖、上端盖、下毛细芯、上毛细芯和金属丝网；

其中，所述上端盖和下端盖分别固定设置在所述主体两端面，以在该主体内部形成密闭空间，所述上端盖和下端盖上分别开有多个通槽，并分别构成上蒸汽槽道和下蒸汽槽道；

所述上毛细芯和下毛细芯容置于该密闭空间内，并分别与所述上端盖和下端盖紧密接触，使得所述下毛细芯和上毛细芯内工质在吸收热量后形成蒸汽可分别从所述下蒸汽槽道和上蒸汽槽道流出；

该上毛细芯和下毛细芯之间通过环形的所述金属丝网密封，从而在所述密闭空间内形成由上下毛细芯和金属丝网围成的补偿腔，所述主体的密闭空间中位于补偿腔一侧的多余空间形成用以收集蒸汽槽道产生的蒸汽的蒸汽腔，该蒸汽腔通过一蒸汽出口与外部冷凝装置连通，所述补偿腔通过一回流液管道与外部连通，从所述下蒸汽槽道和上蒸汽槽道流出的蒸汽汇集在所述蒸汽腔后通过该蒸汽出口在外部冷凝后再从所述回流液管道流入补偿腔以补偿上下毛细芯内的工质。

本发明中，所述上下端盖与所述主体固定连接；所述毛细芯布置所述主体后空余出来的空间形成蒸汽腔，用以收集蒸汽槽道产生的蒸汽；所述两个毛细芯和环形的所述金属丝网密封组成补偿腔，环形金属丝网为上毛细芯供液；在所述上下端盖上开多个纵向槽道构成上下蒸汽槽道，所述下毛细芯和上毛细芯分别和下蒸汽槽道和上蒸汽槽道压紧，并由蒸发器主体固定。

本发明中，回流液管道伸入补偿腔，蒸汽出口布置在该蒸发器的上部，

本发明中，所述主体为半椭圆形，所述毛细芯为圆形平板，由此所述蒸汽腔，由半椭圆主体超过圆形毛细芯的部分空间组成。

本发明中，所述上下蒸汽槽道，由上下端盖开纵向槽道构成，槽道的断面可为矩形、V型、上梯形、下梯形、半圆形。

本发明中，所述毛细芯由粉末材料烧结而成，或由多层金属丝网压制而成。

本发明中，所述环形金属丝网采用导热系数较低的不锈钢金属丝网。

本发明中，所述蒸发器主体，在使用圆形毛细芯时，主体结构为半圆结合半椭圆的结构，所述半圆部分用来固定毛细芯，半椭圆超出另外半圆的部分作为蒸汽腔。

本发明中，所述环形金属丝网，既密封补偿腔，又为上部的毛细芯供液，并且所述金属丝网具有一定弹性，能与回流液进口管道紧密接触密封。

本发明的双毛细芯蒸发器应用于LHP时，具有以下显著优点：

1）使LHP启动迅速

在本蒸发器结构中，蒸发器主体和上下端盖采用导热系数较大的金属材料，由于蒸发器的侧壁导热，蒸发器背面也具有较高的温度，在蒸发器加热面和背面同时布置毛细芯，毛细芯与加热肋片表面紧密接触。在蒸发器上加热负荷后，与肋片接触的毛细芯表面的液体工质迅速被加热到饱和温度，产生蒸汽，吸收热量。在蒸发界面两侧压力差达到足以克服工质在回路中流动的阻力时，LHP启动运行，由于两个毛细芯表面均有液体蒸发，蒸发器内蒸汽侧压力上升较快，使用本蒸发器结构的LHP启动更快。

2）能够降低系统的运行温度

由于本蒸发器结构的LHP启动更加迅速，加到蒸发器上的热量更多的被毛细芯内的液体工质吸收，蒸发器的金属主体结构吸收的热量相对减少，温升减小，从而降低了蒸发器的主体温度。蒸发器背面具有工作的毛细芯，相当于蒸发器侧壁的扩展表面，可以加强上毛细芯内的工质蒸发效果。另外，由于蒸发器的蒸汽腔结构为光滑的曲线型，没有流动死角，同时也减小了蒸汽的流动阻力，在系统运行所需的总驱动压力一定的条件下，由于蒸发器内蒸汽流动的动压提高，蒸发器内部的静压相对减小，毛细芯内的液体工质更容易蒸发。处在蒸汽腔部分的毛细芯和金属丝网直接与过热蒸汽接触，接触表面的液体工质也进行蒸发，增加了蒸发面，从而降低了系统的运行温度。

3）可以减小系统的运行波动

根据已有的理论和实验工作，认为补偿腔内的温度和压力波动是导致系统温度波动的主要因素。本发明的蒸发器结构，补偿腔由两个毛细芯和环形金属丝网密封形成，相比以前的补偿腔与蒸发器金属外壁直接接触，可以降低补偿腔内的温度，从而减小补偿腔内因气泡的生成和湮灭带来的温度和压力波动。同时，补偿腔内的温度减小后，系统的运行阻力也减小，工质循环所需的蒸汽侧压力减小，加快了系统的启动，降低了系统的运行温度。

4）适合于负荷的散热要求

本发明采用平面式蒸发器结构，可以直接贴合于被冷却表面之上，降低了接触热阻，提高系统的传热效率，使用比管式蒸发器更为方便。在一些特殊场合下，本蒸发器的上下两面均可加载热负荷，可以拥有更高的传热性能。

附图说明

图1是现有技术中平板型LHP的蒸发器结构示意图；

图2是本发明的蒸发器的正面结构剖面示意图；

图3是本发明的蒸发器的侧面结构剖面示意图；

图4是本发明的蒸发器的主体和下端盖的俯视结构示意图。

图5是130W热负荷下的启动运行工况。

图6是170W热负荷下的启动运行工况。

图7是变热负荷下的连续运行工况。

图8是变负荷下双毛细芯蒸发器LHP的运行温度分布图。

附图标记说明：

1—蒸汽腔，2—下端盖，3—下蒸汽槽道，4—下毛细芯，5—蒸发器主体，6—回流液进口，7—环形金属丝网，8—上毛细芯，9—上端盖，10—上蒸汽槽道，11—补偿腔，12—蒸汽出口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2-3所示，本发明实施例的蒸发器主要由3个部分组成：主体5；下端盖2和上端盖9；下毛细芯4、上毛细芯8和金属丝网7。其中上下端盖2、9与主体5采取焊接的方式固连。由优选为半椭圆的主体5布置圆形毛细芯后空余出来的空间形成蒸汽腔1，用以收集各蒸汽槽道产生的蒸汽。补偿腔11由两个平板型的毛细芯4、8和环形金属丝网7密封组成，环形金属丝网7还可为布置在上方的毛细芯8供液。在上下端盖2、9上开多个纵向槽道构成上下蒸汽槽道10和3。毛细芯4和8分别和蒸汽槽道3和10的齿顶压紧，由蒸发器主体5的半圆部分固定。蒸汽出口12布置在贴近上端盖9的位置，在地面应用中，利用了蒸汽的浮升力。回流液进口管道6布置在半椭圆的主体5相对蒸汽出口12的另一侧，并与补偿腔11相通，其由具有一定弹性的金属丝网来密封。

工作时，热负荷通过下端盖2的肋片传递到毛细芯4中的液体工质，与肋片顶部接触的液体工质可以迅速被加热到饱和温度，发生汽化，产生的蒸汽通过蒸汽槽道3流动到蒸汽腔1。同时，由于主体5使用的是金属材料，导热系数比较大，通过侧壁的导热量也比较大，上端盖9的温度也升高较快，与蒸发器底部发生类似的现象，热量通过上端盖9的肋片传递到毛细芯8中的液体工质，与肋片顶部接触的液体工质迅速被加热到饱和温度，发生汽化，产生的蒸汽通过蒸汽槽道10流动到蒸汽腔1；蒸汽腔1内的蒸汽通过蒸汽出口12流出，通过蒸汽管道进入冷凝器冷凝为液体；在蒸发面的气液界面产生毛细抽吸力，在毛细抽吸力的作用下，回流液从液体进口管道6进入补偿腔11，当液体充满补偿腔11时，上下毛细芯都能很好地被供液，当补偿腔11未被充满时，环形金属丝网7为上部的毛细芯8供液，在使用优质的毛细芯时，毛细芯孔隙内始终充满液体，能够稳定工作。

其中，所述蒸汽腔1由半椭圆主体5超过圆形毛细芯的部分空间组成，蒸汽腔1的形状也可以为其他结构，根据散热面和毛细芯的具体形状来确定。

其中，所述上下蒸汽槽道10和3分别由上下端盖开纵向槽道构成，槽道的断面可以为矩形、V型、上梯形、下梯形、半圆形或其他形状。

其中，所述毛细芯4和8由粉末材料烧结而成，它是蒸发器的重要组成，液体工质在其表面发生汽化相变，相变界面两侧的压力差形成的毛细抽吸力是系统运行的主要驱动力。

所述蒸发器主体5在使用圆形毛细芯时，主体结构优选设计为半圆结合半椭圆的结构，半圆部分用来固定毛细芯，半椭圆超出另外半圆的部分作为蒸汽腔1。

所述环形金属丝网7，既要密封补偿腔11，又要为上部的毛细芯8供液。金属丝网7具有一定弹性，能与回流液进口管道6紧密接触，达到密封的效果。它的孔隙尺寸既要足够小以维持其孔隙内液面的稳定，防止蒸汽进入补偿腔11，又要适当大，减小液体在其内部的流动阻力，在液体不能充满补偿腔时，保证上部毛细芯8的连续供液。

所述蒸汽出口12布置在蒸发器的上部，在重力条件下运行，利用了蒸汽的浮升力，减小了蒸汽在蒸发器内部的流动阻力。

另外，如图4所示，由于没有合适的工具直接在蒸发器主体5上加工下端盖2的槽道，本实施例中优选将已加工有槽道的下端盖2焊接在蒸发器主体5上；蒸发器主体5的外形根据毛细芯的形状设计，既要固定毛细芯，又要留有蒸汽腔。

如图2所示，回流液管道6需要伸入补偿腔11，因此本发明实施例的组装过程为：首先焊接好下端盖2和主体5，放置毛细芯4和环形金属丝网7，再放置回流液进口管道6，然后将毛细芯8和上端盖9顺序放置好，压紧，进行焊接，完成组装。上下端盖和主体的连接方式还可采用其他方式，例如法兰螺栓连接方式，采用O型圈密封方式。采用此种方式可以根据工作要求，方便地拆卸和更换毛细芯，降低系统的开发费用。

下面具体描述本发明的蒸发器的工作过程，本发明整体上是一种平面结构，其下表面为受热面，工作时受热面直接与热负荷表面贴合，以导热的方式吸收热量；下端盖2有许多并联肋片，肋片直接和毛细芯4接触；毛细芯4中充满液体工质；当受热面吸收热量时，热量迅速传递给各个肋片，这样与肋片直接接触的毛细芯4中的液体工质被迅速加热汽化；汽化后形成的蒸汽沿纵向槽道而成的蒸汽槽道3流到蒸汽腔1；同时，由于蒸发器主体5和上下端盖使用的是导热系数较大的金属材料，蒸发器的侧壁导热较大，这部分热量通过上端盖9的肋片，传递到与其接触的毛细芯8中的液体工质，接触表面的液体汽化，汽化后的蒸汽沿纵向槽道形成的蒸汽槽道10流到蒸汽腔1；然后，两个表面产生的蒸汽通过出口蒸汽通道12进入蒸汽管线，流向冷凝器；在冷凝器中放出热量后，蒸汽凝结为液体，然后在蒸发器毛细芯工质汽、液相变产生毛细抽吸力的作用下，沿液体管道经回流液体通道6进入蒸发器补偿腔11；液体工质在补偿腔11进入毛细芯4和8，流向汽、液相变界面。为了提高蒸发器的散热效率，下端盖2可以使用导热系数大的金属材料，如综合考虑性能、价格等因素，可以使用铜、铝等材料；在LHP系统中，入口回流液体的过冷度越高，系统的承载能力以及工作性能越好，为了减小热负荷对入口回流液体的导热作用，毛细芯4和8采用导热系数比较小的烧结多孔芯，环形金属丝网7采用导热系数较小的不锈钢金属丝网。

下面通过实验验证本发明的效果。图5为130W热负荷下的启动运行工况，图6为170W热负荷下的启动运行工况，图7为变热负荷下的连续运行工况，图8变负荷下双毛细芯蒸发器LHP的运行温度分布图。图5显示在130W热负荷下，双毛细芯蒸发器LHP启动运行工况。加上热负荷后，系统有一个产生蒸汽的预启动过程，一旦蒸汽产生流出蒸发器进入冷凝器，系统就很快完成启动，进入稳定运行状态。

图6显示在170W热负荷下，双毛细芯蒸发器LHP启动运行工况,与130W的启动时间和工况类似，启动能够迅速稳定完成。

图7是双毛细芯蒸发器LHP在变热负荷下连续运行的工况，在实验的各段热负荷下，系统的运行温度相对稳定。

如图8所示，可以看出在不同热负荷下，设定冷凝器工作温度，冷凝器出口温度基本不变，在蒸发器壁面温度不超过85℃的情况下，双毛细芯蒸发器LHP的工作热负荷能够达到140W。

由上可知，本发明设计的用于平板型LHP的双毛细芯蒸发器，克服了之前的平板型LHP的一些缺点，工作性能得到提高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双毛细芯蒸发器，其特征在于，包括：主体(5)、下端盖(2)、上端盖(9)、下毛细芯(4)、上毛细芯(8)和金属丝网(7)；

其中，所述上端盖(9)和下端盖(2)分别固定设置在所述主体(5)两端面，以在该主体(5)内部形成密闭空间，所述上端盖(9)和下端盖(2)上分别开有多个通槽，并分别构成上蒸汽槽道(10)和下蒸汽槽道(3)；

所述上毛细芯(8)和下毛细芯(4)容置于该密闭空间内，并分别与所述上端盖(9)和下端盖(2)紧密接触，使得所述下毛细芯(4)和上毛细芯(8)内工质在吸收热量后形成蒸汽可分别从所述下蒸汽槽道(3)和上蒸汽槽道(10)流出；

该上毛细芯(8)和下毛细芯(4)之间通过环形的所述金属丝网(7)密封，从而在所述密闭空间内形成由上下毛细芯(4，8)和金属丝网(7)围成的补偿腔(11)，所述主体(5)的密闭空间中位于补偿腔(11)一侧的多余空间形成用以收集蒸汽槽道产生的蒸汽的蒸汽腔(1)，该蒸汽腔(1)通过一蒸汽出口(12)与外部冷凝装置连通，所述补偿腔(11)通过一回流液管道(6)与外部连通，从所述下蒸汽槽道(3)和上蒸汽槽道(10)流出的蒸汽汇集在所述蒸汽腔(1)后通过该蒸汽出口(12)在外部冷凝后再从所述回流液管道(6)流入补偿腔以补偿上下毛细芯(4，8)内的工质。

2.根据权利要求1所述的双毛细芯蒸发器，其中，所述蒸发器主体(5)为筒体，该筒体由半圆筒壁与半椭圆筒壁组合形成，其中，上毛细芯(8)和下毛细芯(4)为圆形平板，其固定于半圆形一侧的筒体上，另一侧的半椭圆超出上该毛细芯(8)和下毛细芯(4)的部分作为蒸汽腔(1)。

3.根据权利要求1所述的双毛细芯蒸发器，其中，所述上下蒸汽槽道(3，10)分别由在上下端盖的面对所述密闭空间的表面上开设槽道构成，其中所述槽道的断面为矩形、V型、上梯形、下梯形或半圆形。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的双毛细芯蒸发器，其中，所述环形金属丝网(7)既密封补偿腔(11)，又为上部的毛细芯(8)供液，并且所述金属丝网具有一定弹性，能与回流液管道(6)紧密接触密封。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的双毛细芯蒸发器，其中，所述环形金属丝网(7)采用导热系数较低的不锈钢金属丝网。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的双毛细芯蒸发器，其中，所述上毛细芯(8)或下毛细芯(4)由粉末材料烧结而成，或由多层金属丝网压制而成。

7.权利要求1-6之一所述的双毛细芯蒸发器在平板型LHP系统中的应用。