CN104634147A - 带微槽道结构的脉动热管 - Google Patents

Abstract

一种带微槽道结构的脉动热管，它包括由毛细管弯曲一体成型的蒸发段、绝热段和冷凝段，冷凝段的三通连接有抽真空/注液口，其特征是所述的毛细管的内壁面具有微槽道结构，微槽道结构的尺寸大小为数十至数百微米量级。本发明不仅可以具有普通脉动热管结构简单、传热性能好的优点，还可以利用内壁面微槽道结构的毛细作用实现工质由冷端向热端的自发流动，从而兼具吸液芯热管的功能。本发明具有结构紧凑、制作成本低、无需外加辅助装置和能够长期稳定运行的特点。

Description

带微槽道结构的脉动热管

技术领域

本发明涉及一种电子元器件的无源驱动散热冷却技术，尤其是一种脉动动散热技术，具体地说是一种带微槽道结构的脉动热管。

背景技术

目前，随着各种电子元器件集成度的不断提高，其工作热负荷和单位面积发热量也显著增加，严重影响了器件的工作性能及正常使用，导致散热问题越来越突出，并成为制约其发展的瓶颈。而脉动热管结构简单，无内部毛细芯，具有小型化、成本低的优点，非常适合于高热流密度下的散热冷却领域，但其工作性能也会受工作环境（如重力场倒置、微重力场）的一定影响。而传统的吸液芯热管，可借助毛细作用实现工质自冷凝段向蒸发段的自发回流，从而有效克服了微重力场及重力场变化等环境因素的不利影响。

申请号201310626276.6、名称为“一种具有粗化结构的脉动热管”公开了一种蒸发段内壁面为颗粒状的脉动热管，用以实现对电子元器件进行散热。传统的脉动热管由内壁光滑的毛细管弯制而成，热流密度需达到一定程度后才能启动，而采用这种颗粒状结构后能有效降低脉动热管启动所需的最低温度，进而缩短了启动时间。但是在整个散热冷却过程中，蒸发段内部采用颗粒结构后对脉动热管的整体传热性能并没有明显改善，并且无法克服重力场变化等因素的不利影响。上述专利所述的脉动热管，仅在蒸发段部位使用了吸液芯颗粒结构，未将其应用于整个脉动热管内部。而Xu等在《ASME Journal of Heat Transfer》（2009年卷131编号121012）上发表的“Effect of Internal Wick Structure on Liquid-Vapor Oscillatory Flow and Heat Transfer in an Oscillating Heat Pipe”一文则模拟研究了内壁面整体具有颗粒吸液芯结构后脉动热管的工质运动和传热性能，发现与光管相比此类脉动热管在潜热和显热传递方面均得到提高，从而有效增强了热管的传热性能。虽然以上理论研究表明添加颗粒吸液芯结构在增强脉动热管传热能力方面行之有效，但鉴于该热管内径较小（通常1~5 mm），实际加工存在较大困难，并将提高其应用成本。因此，寻找或采用其它更加简易实用的吸液芯结构，在推广脉动热管技术方面具有很高的潜在应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对现有的脉动式热管启动状态差，尤其是在水平或反重力放置时无法正常工作的问题，设计一种兼具吸液芯热管和普通脉动热管的特点，能明显改善脉动热管的启动状况，提高其传热性能的带微槽道结构的脉动热管，以便能够改进传统脉动热管水平和反重力模式放置时难以启动和工作性能严重下降的缺陷，增强其实际应用能力。

本发明的技术方案是：

一种带微槽道结构的脉动热管，它包括由毛细管弯曲一体成型的蒸发段、绝热段和冷凝段，冷凝段通过三通连接有抽真空/注液口，其特征是所述的毛细管的内壁面具有微槽道结构，微槽道结构的尺寸大小为数十至数百微米量级。

所述的微槽道结构布满毛细管的整个内壁面，通过表面机械处理、腐蚀或烧结的方式形成。

所述的毛细管内的微槽道结构的横截面形状为矩形、三角形或梯形。

所述的三角形微槽道结构的齿高e=0.14 mm，齿顶角β=40°，齿根宽T _b=0.102 mm。

所述的微槽道结构的长度方向与毛细管轴向平行或呈螺旋形布置在毛细管内壁上。

所述的毛细管内充注纯水、醇水溶液或自润湿液体工质，体积充液率在30~70%。

所述的毛细管弯曲成蛇形结构。

本发明的有益效果：

本发明在继承传统脉动热管结构简单、传热能力强、易于小型化等优点的同时，与现有脉动热管技术相比主要还具有以下优点或效果：

（1）在继承传统脉动热管基本功能的同时，可由内壁面微槽道结构的毛细作用实现工质由冷凝段向蒸发段的自发回流作用，实现类似普通热管吸液芯的功能。这对高热流负荷情况下避免蒸发段的烧干、提高传热极限极为有利，增强了脉动热管工作时的稳定性，提高了传热性能。同时，该微槽毛细作用还利于实现脉动热管水平或反重力加热模式下的运行，而传统脉动热管在弯头数量较小情况下则难以实现此效果。

（2）在蒸发段部位，与光管相比微槽道结构更容易实现液体工质的核态沸腾，增加单位面积汽化核心数，利于在较低温度下实现脉动热管的启动；同时也将增大汽液界面面积及工质与热管内壁面的接触面积，进一步达到增强流动沸腾换热的效果。而在冷凝段部位，表面张力作用下微槽道结构的尖端凸起部位能够有效减小冷凝液膜厚度，显著增强冷凝换热能力。因此，与普通脉动热管相比，带内微槽道结构脉动热管在运行过程中工质的整体流动相变（沸腾和冷凝）传热系数更高，热管的传热能力也更强。

另外，与颗粒状吸液芯结构相比微槽道毛细结构二次加工性能更好，在弯曲、压扁等加工过程中，不会出现类似颗粒状吸液芯结构与壁面剥离甚至整体脱落的现象，加工成本更低，使用可靠性更强。

本发明提出的微槽道结构脉动热管，槽道宽、深尺寸大小为数十至数百微米，而热管水力直径为数毫米，因此槽道尺寸与内径相差百余倍。虽然微槽道脉动热管运行过程中其内部工质较之光管结构需要克服更大的流动阻力，但增加程度相当有限，与传热强化效果相比可基本忽略。

附图说明

图1为本发明带内微槽道结构的脉动热管装置结构示意图。

图2为本发明带内微槽道结构的脉动热管装置的铜毛细管横截面示意图

图1中，1、2和3分别为带内微槽道结构脉动发热管的蒸发段、绝热段和冷凝段，4为三通。图2中，5为一个微槽道管的横截面示意图，6为微槽道管横截面局部放大图，其中e为齿高，s为两齿距离，β为齿顶角，T _w为管壁厚，T _b为齿根宽。

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。

实施例一。

如图1所示。

一种带微槽道结构的脉动热管，它包括由毛细管呈蛇形弯曲一体成型的蒸发段、绝热段和冷凝段，如图1所示。冷凝段通过三通连接有抽真空/注液口，所述的毛细管的内壁面具有通过表面机械处理、腐蚀或烧结的方式形成的微槽道结构，微槽道结构的尺寸大小为数十至数百微米量级且布满毛细管的整个内壁面，微槽道结构的横截面形状为矩形、三角形或梯形。微槽道结构的长度方向既可采用与毛细管轴向平行的方式，也可采用螺旋方式布置在毛细管内壁上。毛细管内充注纯水、醇水溶液或自润湿液体工质，体积充液率在30~70%。

实施例二。

如图1和图2所示，本发明实施例的一种带内微槽道结构的脉动热管装置主要由内壁面加工有微槽道结构的铜毛细管一体定型完成，包括蒸发段1、绝热段2、冷凝段3和抽真空/注液三通4。通过三通4实现抽真空和工质的注入，三通由高温胶结的方法与铜毛细管的两端口连接成整体，构成脉动热管回路。本实施例中，脉动热管内充注50%体积分数的纯水。

图2中，铜毛细管的外直径D=5 mm，壁厚T _w=0.21 mm，内壁面齿高e=0.14 mm，齿顶角β=40°，齿根宽T _b=0.102 mm，螺旋角α=18°，齿条数N=40，由此形成的铜毛细管水力直径约为2.81 mm。

在充注工质前，需通过注液口对所述具有内微槽道结构的脉动热管装置进行抽真空处理，待内部不凝性气体充分排除后，方可充注一定量的纯水，然后将注液口密封，即可得到带内微槽道结构的脉动热管冷却装置。脉动热管的蒸发段与高功率发热器件直接相连，当发热器件将热量传递给蒸发段微槽道内的工质时，工质将吸热沸腾并持续产生气泡，气泡长大、聚集、膨胀后推动周围的汽、液塞进行不稳定振荡运动，热量通过汽、液塞的运动传递至脉动热管的冷凝段，在该处通过自然对流或强迫对流（风冷或液冷）的方式传递给周围环境，实现冷却效果。除汽、液塞在热管冷热段的振荡运动外，冷凝液还具有在微槽道毛细力作用下自发向热端流动的趋势，利于实现脉动热管水平或反重力加热模式下的运行，且能够有效提高脉动热管蒸发段在高热负荷下的传热极限，避免烧干现象的发生，由此增强脉动热管的传热性能、运行稳定性和环境适应性。

实施例三。

如图1、图2所示，同实施例1，所不同的是，脉动热管的内微槽道结构其长度方向沿毛细管的轴向方向，即螺旋角为0°。本实施例中，图2所示共有40条微槽道，等间距圆周分布，对应铜毛细管的水力直径为2.95 mm。

实施例四。

同实施例1、实施例2，所不同的是，内微槽道横截面的形状为矩形，对应铜毛细管的水力直径为2.39 mm。

实施例五。

同实施例1、实施例2，所不同的是，内微槽道横截面的形状为三角形，铜毛细管内共有141条微槽道，对应铜毛细管的水力直径为1.256 mm。

实施例六。

同实施例1、实施例2，所不同的是，充注50%体积分数的正丁醇水溶液，其质量浓度为1.0%。

实施例七。

同实施例1、实施例2，所不同的是，充注50%体积分数的乙醇水溶液，乙醇和水的体积比为1：13。

上例详细说明是针对本发明可行的实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围。其中，脉动热管的弯头数可根据实际需要进行调整，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种带微槽道结构的脉动热管，它包括由毛细管弯曲一体成型的蒸发段、绝热段和冷凝段，冷凝段通过三通连接有抽真空/注液口，其特征是所述的毛细管的内壁面具有微槽道结构，微槽道结构的尺寸大小为数十至数百微米量级。

2.根据权利要求1所述的带微槽道结构的脉动热管，在特征是所述的微槽道结构布满毛细管的整个内壁面，通过表面机械处理、腐蚀或烧结的方式形成。

3.根据权利要求1所述的带微槽道结构的脉动热管，在特征是所述的毛细管内的微槽道结构的横截面形状为方形、矩形、三角形、椭圆形或梯形。

4.根据权利要求3所述的带微槽道结构的脉动热管，在特征是所述的三角形微槽道结构的齿高e=0.14 mm，齿顶角β=40°，齿根宽T _b=0.102 mm。

5.根据权利要求1所述的带微槽道结构的脉动热管，在特征是所述的微槽道结构的长度方向与毛细管轴向平行或呈螺旋形布置在毛细管内壁上。

6.根据权利要求1所述的带微槽道结构的脉动热管，在特征是所述的毛细管内充注纯水、醇水溶液或自润湿液体工质，体积充液率在30~70%。

7.根据权利要求1所述的带微槽道结构的脉动热管，在特征是所述的毛细管弯曲成蛇形或椭圆形、圆形结构。