CN105246302B - 一种热管散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热管散热装置，解决了传统热管在高负荷运行时易产生干涸的难题，提高了热流密度器件的运行稳定性与安全性。膨胀腔位于壳体的最外部及顶部，膨胀腔的内侧有绝热腔，绝热腔的内侧通过隔板分隔成工质贮存腔和补偿腔，补偿腔的外周有第二吸热芯，第二吸热芯的下部与第一吸热芯相接，第一吸热芯的下表面与底板之间形成蒸发腔，底板的上表面上有多个微槽道，微槽道与第一吸液芯紧密接触；膨胀腔的下端与壳体的底板相接；工质贮存腔的上部与膨胀腔之间有弹性膜片，弹性膜片与隔板之间有复位弹簧；补偿腔内有连通工质贮存腔和补偿腔的补水管路，内部供液管路一端与工质贮存腔连接，另一端位于第一吸液芯和第二吸液芯相接处。

Description

一种热管散热装置

技术领域

本发明涉及散热器技术领域，特别涉及一种能应对变工况和高负荷的热管散热装置。

背景技术

随着大功率LED照明、大型服务器以及航空航天领域中高热流密度器件技术的飞速发展，单一设备的热流密度从原先的0.1-10W/cm²的量级向着10-1000W/cm²乃至更高的量级快速发展。传统热管散热器的蒸发器由于其单纯依靠毛细抽力维持着液态工质向相变界面传递的过程，在应对小功率散热时运行稳定性问题尚不严重，但在应对变负荷工况或高负荷工况时，由于热流密度急剧波动或急剧上升，传统热管散热器依靠单一的吸液芯往往不能应对突变的工况以及急剧上升的热流，因此其散热效果和运行稳定性不甚理想，严重影响着高热流密度器件本身的安全。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够稳定运行并有效帮助高热流密度器件应对工况频繁转换，克服传统热管在高负荷运行时易产生干涸的难题，提高热流密度器件的运行稳定性与安全性的热管散热装置。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种热管散热装置，包括蒸发器和冷凝器，所述蒸发器包括壳体、第一吸热芯、第二吸热芯、蒸发腔、膨胀腔、工质贮存腔、补偿腔和绝热腔，所述膨胀腔位于所述壳体的最外部及顶部，所述膨胀腔的内侧设置有所述绝热腔，所述绝热腔的内侧通过隔板分隔成所述工质贮存腔和补偿腔，所述补偿腔的外周设置有所述第二吸热芯，所述第二吸热芯的下部与所述第一吸热芯相接，所述第一吸热芯的下表面与所述壳体的底板之间形成所述蒸发腔，在所述蒸发腔内，所述底板的上表面上设置有多个微槽道，所述微槽道与所述第一吸液芯紧密接触；所述绝热腔环绕于所述微槽道的四周；所述膨胀腔的下端与所述壳体的底板相接；所述工质贮存腔的上部与所述膨胀腔之间设置有弹性膜片，所述弹性膜片与所述隔板之间设置有复位弹簧；所述补偿腔内安装有连通所述工质贮存腔和补偿腔的补水管路，所述补水管路上安装有第一单向阀，内部供液管路一端与所述工质贮存腔连接，另一端位于所述第一吸液芯和第二吸液芯相接处，所述内部供液管路上安装有第二单向阀；所述膨胀腔内充注有相变膨胀工质，所述补偿腔内充注有冷却工质；蒸汽接管一端与所述蒸发腔的蒸汽出口连接，另一端与所述冷凝器进口连接，液体接管一端与所述冷凝器的出口连接，另一端与所述补偿腔的冷凝液回流口连接。

所述微槽道的高与宽分别为0.1-5mm，所述微槽道与所述蒸汽出口呈平行或垂直布置。

所述壳体为铜或不锈钢材料。

所述壳体的截面为圆形或矩形。

所述第一吸液芯的孔隙率低于所述第二吸液芯的孔隙率。

所述第一吸液芯和第二吸液芯为金属丝网、分子筛、烧结金属粉末或有机聚合物。

所述第一吸液芯的孔隙率在30％-50％之间，所述第二吸液芯的孔隙率在50-80％之间。

与现有技术相比，本发明具有下述有益效果：

1、本发明的热管散热装置通过各部分结构的合理设计，解决了在高负荷运行时易产生干涸的难题，能够提高热流密度器件的运行稳定性与安全性，并能够有效帮助高热流密度器件应对工况频繁转换。

2、本发明的热管散热装置设置有绝热腔，一方面起到减少壳体吸收底板的加热量，另一方面，绝热腔的设置可以隔绝周围环境的热量传递至蒸发器的内部，防止补偿腔内部因热量的急剧变化而使得液态工质产生蒸发阻断液体向相变界面的传递，提高了热管散热装置的运行稳定性。

3、本发明的热管散热装置采用不同孔隙率的吸液芯，使得两个吸液芯的导热系数不同，第一吸液芯的孔隙率高于所述第二吸液芯的孔隙率，第一吸液芯采用较小的孔隙率可以保证汽液相变界面具有较高的毛细抽吸压头，高负荷运行时不易干涸，而第二吸液芯采用较高的孔隙率，渗透效果好。综合效果表现为：在保持热管较高驱动压头同时减小了冷却工质在向蒸发腔的传输过程中遇到的渗透阻力，并较大幅度的削弱了底板从蒸发腔向补偿腔的漏热。

附图说明

图1所示为本发明热管散热装置的结构示意图；

图2所示为本发明热管散热装置中壳体截面为矩形的俯视图；

图3所示为本发明热管散热装置中壳体截面为圆形的俯视图；

图4所示为图1中的A-A剖视图；

图5所示为图1中的B-B剖视图；

图6所示为图1中的C-C剖视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明热管散热装置的示意图如图1-图6所示，包括蒸发器1和冷凝器12。所述蒸发器1包括壳体10、第一吸热芯6、第二吸热芯7、蒸发腔8、膨胀腔3、工质贮存腔4、补偿腔5和绝热腔22，所述壳体10的截面为圆形或矩形。壳体10为铜或不锈钢材料。矩形壳体的俯视图如图2所示，圆形壳体的俯视图如图3所示。本实施例以矩形壳体为例，其A-A剖视图、B-B剖视图和C-C剖视图如图4-图6所示。所述膨胀腔3位于所述壳体10的最外部及顶部，所述膨胀腔3的内侧设置有绝热腔22，所述绝热腔22的内侧通过隔板24分隔成所述工质贮存腔4和补偿腔5，所述补偿腔5的外周设置有所述第二吸热芯7，所述第二吸热芯7的下部与所述第一吸热芯6相接。所述第一吸热芯6的下表面与所述壳体的底板9部分之间形成所述蒸发腔8，在所述蒸发腔8内，所述底板9的上表面上设置有多个微槽道23。所述微槽道23与所述第一吸液芯6紧密接触。所述绝热腔22环绕于所述微槽道23的四周；所述膨胀腔3的下端与所述壳体的底板9相接。所述工质贮存腔4的上部与所述膨胀腔3之间设置有弹性膜片14，所述弹性膜片14与所述隔板24之间设置有复位弹簧15。所述补偿腔5内安装有连通所述工质贮存腔4和补偿腔5的补水管路16，所述补水管路16上安装有第一单向阀17，内部供液管路18一端与所述工质贮存腔4连接，另一端位于所述第一吸液芯6和第二吸液芯7相接处。所述内部供液管路18上安装有第二单向阀19。所述膨胀腔3内充注有相变膨胀工质，相变膨胀工质可以选择水、氨、丙酮、乙醇或制冷剂等具有相变特性的工质。所述补偿腔5内充注有制冷工质。蒸汽接管11一端与所述蒸发腔的蒸汽出口20连接，另一端与所述冷凝器12进口连接，液体接管13一端与所述冷凝器的出口连接，另一端与所述补偿腔的冷凝液回流口21连接。

所述第一吸液芯和第二吸液芯为金属丝网、分子筛、烧结金属粉末或有机聚合物。

所述第一吸液芯的孔隙率低于所述第二吸液芯的孔隙率。所述第一吸液芯的孔隙率在30％-50％之间，所述第二吸液芯的孔隙率在50-80％之间。

为了达到最佳的散热效果，所述微槽道23的高与宽分别为0.1-5mm，所述微槽道23可以与所述蒸汽出口20呈平行或垂直布置。

所述膨胀腔3为一密闭空间，所述膨胀腔3内的压力以及相变膨胀工质的充注量由散热装置所处环境温度、加热热流密度等多种参数决定。即所述底板9在正常运行时底部的热流密度值以及热管散热装置所处的环境温度共同决定所述膨胀腔内的工质充灌量。所述弹簧15的数量由所述膨胀腔3内的相变膨胀工质压力以及单个弹簧15的弹力以及所述工质贮存腔4对所述弹性膜片14施加的反作用力等共同决定，优选的弹簧数量为2-4个。

所述蒸发器1的底部在受到外界施加于所述底板9的热负荷作用后，本发明的热管散热装置开始启动并逐渐开始建立稳定运行循环，加热量通过所述底板9上的微槽道23传递至所述第一吸液芯6的下表面，热量的施加使得所述底板9上的微槽道之间及所述第一吸液芯6中的工质相变蒸发，相变蒸发后产生的蒸汽通过所述蒸汽接管11经所述蒸汽出口20排出蒸发器，并将施加于所述底板9热量的带走，相变产生的蒸汽进入所述冷凝器12并在所述冷凝器12中完成冷凝，释放出所携带的热量并重新成为液体状态，一般液体会在所述冷凝器12中进行过冷，过冷后的液体在液体接管13中向前传输，经所述冷凝液回流口21后进入所述补偿腔5中。由于所述底板9与所述第一吸液芯6附近的液态工质因相变蒸发而不断离开所述蒸发器，在所述第一吸液芯6和所述第二吸液芯7的毛细抽力的作用下，所述补偿腔5内的液态工质向着相变界面——所述微槽道23与所述第一吸液芯6的交界面传输，补充因相变蒸发而离开所述蒸发器的液态工质。

当施加于所述底板9的热负荷逐渐增加时，所述蒸发腔8内相变蒸发速率会因热负荷的增加而加快，而第一吸热芯和第二吸液芯的毛细抽力是有一定极限的。当热负荷增加到一定程度时，普通热管散热器会因蒸发速率大于吸液芯的中液态工质补充速率而导致所述蒸发器产生干涸现象，这对于散热设备的正常运行是非常危险的。本发明的所述蒸发器中设置有所述膨胀腔3、绝热腔22、工质贮存腔4及带有所述第一单向阀17的所述内部补水管路16和带有所述第二单向阀19的所述内部供液管路18。当热负荷逐渐增加时，所述膨胀腔3内的工质因下部的底面和侧面分别受到来自所述底板的导热和蒸发腔8内工质对流换热的热量的不断加热而相变，此时所述膨胀腔3内的压力会不断上升，使得所述弹性膜片14的上下表面受力不平衡，在上表面作用力不断增大的作用下，所述弹性膜片14会向下产生变形，所述工质贮存腔4内的液态工质受到挤压后，经所述带有所述第二单向阀19的内部供液管路18被输送到所述第一吸液芯6和所述第二吸液芯7的结合处，借助所述膨胀腔3的强制供液，所述蒸发器内的工质循环量有所增加，可以有效提升本发明热管散热装置的散热量和效率，并可有效抑制散热器干涸现象的产生。

当施加于所述底板9的热负荷开始减少时，所述膨胀腔3内的工质因底部受到来自所述蒸发腔8的热量加热的影响减弱，此时所述膨胀腔8内的压力逐渐减小，因此，所述弹性膜片14的上下表面受力不平衡，在上表面作用力不断减小的作用下，所述弹性膜片14会向上逐渐减小形变，所述工质贮存腔4内的液态工质受到减压后，会经所述带有所述第一单向阀17的内部补水管路16被抽吸回所述工质贮存腔4，借助所述膨胀腔3的强制回液，所述蒸发器内的工质循环量会有所减少，可以减小因循环系统内不必要的存液导致的较大的循环流动阻力，有效提升本发明热管散热装置的运行稳定性和高效性。

实际运行过程中，设置于所述膨胀腔3与所述第一吸液芯6、第二吸液芯7、所述工质贮存腔4之间的绝热腔22一方面起到减少外壳吸收所述底板9的加热量，另一方面，所述绝热腔22的设置可以隔绝周围环境的热量传递至所述蒸发器1的内部，防止所述补偿腔4内部因热量的急剧而使得液态工质产生蒸发，阻断液体向相变界面的传递而降低热管散热器的运行稳定性。本发明的热管散热装置采用了双低导热系数吸液芯的设置，第一吸液芯6采用较小的孔隙率可以保证汽液相变界面具有较高的毛细抽吸压头，高负荷运行时不易干涸，而第二吸液芯7采用较高的孔隙率，渗透效果好。综合效果表现为：在保持热管较高驱动压头同时减小了冷却工质在向蒸发腔8的传输过程中遇到的渗透阻力，并较大幅度的削弱了底板9从蒸发腔8向补偿强5的漏热。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种热管散热装置，包括蒸发器和冷凝器，其特征在于，所述蒸发器包括壳体、第一吸热芯、第二吸热芯、蒸发腔、膨胀腔、工质贮存腔、补偿腔和绝热腔，所述膨胀腔位于所述壳体的最外部及顶部，所述膨胀腔的内侧设置有所述绝热腔，所述绝热腔的内侧通过隔板分隔成所述工质贮存腔和补偿腔，所述补偿腔的外周设置有所述第二吸热芯，所述第二吸热芯的下部与所述第一吸热芯相接，所述第一吸热芯的下表面与所述壳体的底板之间形成所述蒸发腔，在所述蒸发腔内，所述底板的上表面上设置有多个微槽道，所述微槽道与所述第一吸液芯紧密接触；所述绝热腔环绕于所述微槽道的四周；所述膨胀腔的下端与所述壳体的底板相接；所述工质贮存腔的上部与所述膨胀腔之间设置有弹性膜片，所述弹性膜片与所述隔板之间设置有复位弹簧；所述补偿腔内安装有连通所述工质贮存腔和补偿腔的补水管路，所述补水管路上安装有第一单向阀，内部供液管路一端与所述工质贮存腔连接，另一端位于所述第一吸液芯和第二吸液芯相接处，所述内部供液管路上安装有第二单向阀；所述膨胀腔内充注有相变膨胀工质，所述补偿腔内充注有冷却工质；蒸汽接管一端与所述蒸发腔的蒸汽出口连接，另一端与所述冷凝器进口连接，液体接管一端与所述冷凝器的出口连接，另一端与所述补偿腔的冷凝液回流口连接；所述第一吸液芯的孔隙率低于所述第二吸液芯的孔隙率；所述第一吸液芯的孔隙率在30％-50％之间，所述第二吸液芯的孔隙率在50％-80％之间。

2.根据权利要求1所述的热管散热装置，其特征在于，所述微槽道的高与宽分别为0.1-5mm，所述微槽道与所述蒸汽出口呈平行或垂直布置。

3.根据权利要求1所述的热管散热装置，其特征在于，所述壳体为铜或不锈钢材料。

4.根据权利要求1所述的热管散热装置，其特征在于，所述壳体的截面为圆形或矩形。

5.根据权利要求1所述的热管散热装置，其特征在于，所述第一吸液芯和第二吸液芯为金属丝网、分子筛、烧结金属粉末或有机聚合物。