CN104949557B - 抗重力毛细泵环 - Google Patents

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Abstract

抗重力毛细泵环，涉及一种毛细泵环。设有蒸发器、电磁分流阀、第一蒸汽联管、冷凝器、阀门、单向阀、三通阀、第二蒸汽联管和液体联管；蒸发器通过电磁分流阀分别与第一、二蒸汽联管一端连接，第一蒸汽联管另一端与冷凝器连接，第二蒸汽联管另一端依次通过三通阀、单向阀与冷凝器连接，阀门设在冷凝器的真空灌注口上，阀门用于抽真空、灌注工质并且保证内部密封；液体联管的两端分别与蒸发器和三通阀连接。采用相变散热的传热机理，传热能力大。吸液芯通孔率高，能够提供较大毛细力的同时减小流动阻力；导热率较大，纤维表面形貌丰富，有助于强化蒸发，提高传热效率。通过调节电磁分流器的流量以及闭合，可适应不同高度的抗重力工况运行。

Description

抗重力毛细泵环
技术领域
本发明涉及一种毛细泵环，具体涉及一种抗重力毛细泵环。
背景技术
随着电子技术以及航空航天技术的发展，散热问题已经成为一项越来越急需解决的问题摆在人们面前。比如，一颗1W的LED灯珠的热流密度已经达到100W/cm2，当电子芯片的热流密度超过0.08W/cm2时，自然散热已经无法满足其散热方式；热流密度超过0.3W/cm2时，强迫对流散热已经达到极限。又如，计算机CPU的热流密度普通在60～100W/cm2，有的甚至高达200W/cm2，电子芯片在70～80℃的基础上，温度每上升1℃，其可靠性就会下降5％，有三分之二以上的电子芯片均由于高温而失效。
当前的风扇散热、翅片散热已经无法满足大功率高热流密度电子芯片的散热要求，因此急需寻求一种新的散热方式。毛细泵环采用相变散热方式，液体工质吸收芯片大量热量汽化，相变压力迫使蒸汽沿着蒸汽联管到达冷凝器，液化后放出热量变成液体，在重力以及吸液芯的毛细抽吸作用下回到蒸发器的液体补偿室。由于采用相变传热机制，其散热能力要比当前主要的散热方式大好几个数量级。整个过程无需外部能源输入，具有节能减排的优势。同时，工作时振动小，无噪音。将蒸汽和液体分开，吸液芯只存在于蒸发器，避免了热管的携带极限，进一步提升了毛细泵环的散热能力。与热管相比，毛细泵环的散热能力高出了两个数量级。
但是目前的毛细泵环存在一个固有局限——无法在逆重力条件下工作。逆重力时，即蒸发器位于冷凝器之上时，当工质在冷凝器液化放出热量后，液体无法克服重力的作用回到蒸发器。而在实际应用过程中，无法避免地会出现蒸发器位于冷凝器之上的工况，如空间飞行器的姿态无时无刻在变化，电脑的不同放置以及LED灯的不同安装位置，等等。这一局限性在很大程度上限制了毛细泵环的推广应用。因此实现毛细泵环的抗重力运行非常重要。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供不仅具有一般毛细泵环所具有的传热能力大、等温性好、流动阻力小等优点，而且具有在逆重力工况下运行的特点的一种抗重力毛细泵环。
本发明设有蒸发器、电磁分流阀、第一蒸汽联管、冷凝器、阀门、单向阀、三通阀、第二蒸汽联管和液体联管；蒸发器通过电磁分流阀分别与第一蒸汽联管和第二蒸汽联管的一端连接，第一蒸汽联管的另一端与冷凝器连接，第二蒸汽联管的另一端依次通过三通阀、单向阀与冷凝器连接，阀门设在冷凝器的真空灌注口上，阀门用于抽真空、灌注工质并且保证内部密封；所述液体联管一端与三通阀连接，液体联管另一端与蒸发器的液体入口连接。。
所述冷凝器设有强化冷凝结构，所述强化冷凝结构为阵列插排形式的圆柱，圆柱的直径为3～4mm，高度为8～10mm。
所述第一蒸汽联管的内径为5～8mm，第二蒸汽联管的内径为2～4mm。液体联管的内径为3～4mm。
所述蒸发器上设有蒸发器底板、吸液芯、液体补偿室，蒸发器底板上设有蒸汽槽，吸液
芯与蒸汽槽和液体补偿室紧密贴合，保证热量及工质的顺利传输。
所述蒸汽槽可采用紫铜或铝合金。
所述蒸汽槽的宽度和高度均为1.5～2mm。
所述吸液芯采用铜纤维烧结板或者泡沫铜吸液芯。
所述吸液芯的孔隙率为70％～90％。
所述液体补偿室及蒸发器壳体均采用铝合金或者紫铜。
所述液体补偿室采用十字交叉的槽道结构，槽道的宽度为1～2mm，深度为4～8mm。
以下给出本发明的工作原理：
逆重力条件下，毛细泵环蒸发器的底部与被散热元器件如电子芯片紧密贴合，蒸发器里面的液体工质吸收了来自于芯片的热量后汽化，产生的蒸汽在相变压力的作用下通过蒸汽槽排到蒸发器的蒸汽出口。此时电磁分流阀将高温高压蒸汽分成两路，其中一路流量较大，携带大量的热量通过第一蒸汽联管到达冷凝器，在强化冷凝器结构的作用下迅速放出热量，完成热量的传输。液化后的工质经过单向阀流向三通阀。另外一路流量较小，通过第二蒸汽联管到达三通阀，利用高压将来自冷凝器出口的液体通过液体联管压回蒸发器的液体补偿室，而单向阀的作用使得液体不会流回冷凝器。体液补偿室的工质在吸液芯的毛细抽吸作用下回到蒸发区域，重新吸收热量，完成一个循环。工作的时候，电磁分流阀可以根据工况的不同调节两路流量的比例，完成不同高度下的抗重力回流。同时为了防止蒸汽直接流回液体补偿室，电磁阀可控制第二蒸汽管间断开启，将液化后的工质一段一段压回液体补偿室。为了降低液体流动阻力，在确保不逆向流动的情况下，单向阀的正向流动阻力尽可能要小。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：采用相变散热的传热机理，传热能力大。吸液芯采用铜纤维烧结板或者泡沫金属，通孔率高，能够提供较大毛细力的同时减小流动阻力；导热率较大，纤维表面形貌丰富，有助于强化蒸发，提高传热效率。通过调节的电磁分流器的流量以及闭合，将冷凝器的液化工质源源不断地输送会液体补偿室，还可以适应不同高度的抗重力工况运行。
附图说明
图1为本发明实施例的整体剖视示意图。
图2为本发明实施例的蒸发器剖视示意图。
图3为本发明实施例的蒸汽槽结构示意图。
图4为本发明实施例的冷凝器剖视示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案做进一步说明和描述，但本发明不仅限于本实施例。
实施例1
如图1、图2、图3、图4所示，本发明实施例设有蒸发器1、电磁分流阀2、第一蒸汽联管3、冷凝器4、阀门5、单向阀6、三通阀7、第二蒸汽联管8和液体联管9；所述蒸发器1设有蒸发器底板1-1、蒸发器蒸汽出口1-2、吸液芯1-3、液体补偿室1-4、蒸发器液体入口1-5和蒸发器壳体1-6，蒸发器底板1-1上设有蒸汽槽1-7，吸液芯1-3与蒸汽槽1-7和液体补偿室1-4紧密贴合，保证热量及工质的顺利传输；所述冷凝器4设有上翅片4-1、微柱4-2、冷凝器蒸汽入口4-3、下翅片4-4、冷凝器液体出口4-5、真空灌注口4-6，阀门5设在真空灌注口4-6上，便于抽真空和往系统内部灌注工质，同时保证内部密封。
所述电磁分流阀2的入口2-1与蒸发器蒸汽出口1-2连接，电磁分流阀2的第一出口2-2、第二出口2-3分别与第一蒸汽联管3和第二蒸汽联管8连接；第一蒸汽管3的另一端与冷凝器4的蒸汽入口4-3连接；第二蒸汽管8的另一端与三通阀7的第二入口7-2连接。三通阀7的第一入口7-1通过单向阀6与冷凝器4的液体出口4-5连接；液体联管9一端连接三通阀7的出口7-3，液体联管9另一端连接蒸发器液体入口1-5。
所述第一蒸汽蒸汽联管3的外径为8mm，内径为5mm，材质为PU管；第二蒸汽联管8外径为4mm，内径为2.5mm，材质为PU管；液体联管9外径为6mm，内径为4mm，材质为PU管。所述吸液芯1-4为铜纤维烧结板，其孔隙率为80％。所述蒸发器底板1-1采用紫铜，蒸汽槽1-7的宽和高分别为1.5mm和1.5mm；蒸发器壳体1-6采用铝合金制作而成。冷凝器4的材质为铝合金；强化冷凝器结构4-2采用圆柱铝棒，其高为10mm，直径为3mm，并且采用插排的形式排列。
所述一种抗重力毛细泵环装配时各部件之间均采用密封胶进行密封连接。装配完毕后，打开阀门5，连接真空泵通过阀门5对本抗重力毛细泵环抽真空，保持内部绝对压力在10Pa以下，关闭阀门5。用注射器量取40mm的无水乙醇作为工质，与阀门5对接，打开阀门5开关，待工质完全灌注进毛细泵环后，关闭阀门5开关，保证密封。
图1给出逆重力工况下的毛细泵环安装姿态。工作时，蒸发器底板1-1吸收电子芯片的热量，并且通过蒸汽槽1-7的壁面传到吸液芯1-3的蒸发区域。由于毛细作用，吸液芯1-3里面充满了来自液体补偿室1-4的液体工质。液体工质在此吸收热量汽化，高温高压的沿着蒸汽槽1-7进入电磁分流阀的入口2-1，调节电磁分流阀的流量以及闭合，使得蒸汽分为两路不同流量的支流。第一路流量较大，占90％～95％左右，通过分流阀第一出口2-2沿着第一蒸汽管3到达冷凝器4。在强化冷凝结构4-2的作用下，蒸汽迅速冷凝液化，释放出汽化潜热，并且通过上、下散热翅片4-1、4-4散发到环境中去。液化后的工质通过单向阀6进入三通阀7，并且在此存储。此时控制电磁阀第二出口2-3开启，一小部分高温高压的蒸汽通过第二蒸汽联管8到达三通阀的第二入口7-2，将存储于此的液体工质沿着液体联管9压回蒸发器液体补偿室1-4。由于单向阀6的作用，防止将液体重新压回冷凝器4。到达液体补偿室1-4的工质在吸液芯1-3的毛细抽吸作用下重新回到蒸发区域，进行下一轮的循环。为了防止第二路蒸汽直接回到液体补偿室1-4，电磁分流2阀控制第二出口2-3间断开启，当存储在三通阀7的液体压回液体补偿室1-4之后，关闭分流阀第二出口2-3；当液体存储到一定量之后重新开启分流阀第二出口2-3，如此间断循环。
本发明由于其高效的传热能力以及抗重力性能，因此可用于电脑CPU、显卡、大功率LED灯以及高热流密度电子芯片的散热，航空航天飞行器的热控制等领域，具有较好的应用前景。

Claims (10)

1.抗重力毛细泵环，其特征在于设有蒸发器、电磁分流阀、第一蒸汽联管、冷凝器、阀门、单向阀、三通阀、第二蒸汽联管和液体联管；蒸发器通过电磁分流阀分别与第一蒸汽联管和第二蒸汽联管的一端连接，第一蒸汽联管的另一端与冷凝器连接，第二蒸汽联管的另一端依次通过三通阀、单向阀与冷凝器连接，阀门设在冷凝器的真空灌注口上，阀门用于抽真空、灌注工质并且保证内部密封；所述液体联管一端与三通阀连接，液体联管另一端与蒸发器的液体入口连接。
2.如权利要求1所述抗重力毛细泵环，其特征在于所述冷凝器设有强化冷凝结构，所述强化冷凝结构为阵列插排形式的圆柱，圆柱的直径为3～4mm，高度为8～10mm。
3.如权利要求1所述抗重力毛细泵环，其特征在于所述第一蒸汽联管的内径为5～8mm，第二蒸汽联管的内径为2～4mm，液体联管的内径为3～4mm。
4.如权利要求1所述抗重力毛细泵环，其特征在于所述蒸发器上设有蒸发器底板、吸液芯、液体补偿室，蒸发器底板上设有蒸汽槽，吸液芯与蒸汽槽和液体补偿室紧密贴合，保证热量及工质的顺利传输。
5.如权利要求4所述抗重力毛细泵环，其特征在于所述蒸汽槽采用紫铜或铝合金。
6.如权利要求4或5所述抗重力毛细泵环，其特征在于所述蒸汽槽的宽度和高度均为1.5～2mm。
7.如权利要求4所述抗重力毛细泵环，其特征在于所述吸液芯采用铜纤维烧结板或者泡沫铜吸液芯。
8.如权利要求4或7所述抗重力毛细泵环，其特征在于所述吸液芯的孔隙率为70％～90％。
9.如权利要求4所述抗重力毛细泵环，其特征在于所述液体补偿室及蒸发器壳体均采用铝合金或者紫铜。
10.如权利要求4或9所述抗重力毛细泵环，其特征在于所述液体补偿室采用十字交叉的槽道结构，槽道的宽度为1～2mm，深度为4～8mm。
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