CN105352349B - 一种二次芯蒸发器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二次芯蒸发器及其应用，其包括上主体、下端盖、主毛细芯和二次芯，所述上主体与下端盖相连，其上开设有入口和出口，入口与末端开设有多个孔的液体管路相连；主毛细芯和二次芯容置于密闭空间内，并分别与下端盖和上主体紧密接触；二次芯为环状结构，其内设有沿环状结构径向分布的将二次芯分为两个腔室直条筋，该腔室作为储存工质的补偿腔；直条筋上开设有孔道，液体管路末端直接插入孔道中；主毛细芯上开设有蒸汽槽道，蒸汽槽道的外围、上主体和下端盖围成的空间用于作为收集蒸汽的集气腔。本发明的二次芯蒸发器减小了过冷液的回流阻力、接触热阻以及背向导热，降低了补偿腔的温度，增加了系统的动力，提高了传热极限。

Description

一种二次芯蒸发器及其应用

技术领域

本发明属于平板型环路热管领域，更具体地，涉及一种应用于平板型环路热管系统(Flat Loop Heat Pipe:FLHP)中的二次芯蒸发器，适用于作为高热流电子器件的热控装置，如LED，燃料电池等的冷却。

背景技术

LHP是一种分离式热管，具有传输热流大、管路布置灵活、无活动部件等优势，在航天航空热控和地面高热流电子器件散热方面具有广阔的应用前景。LHP主要由蒸发器、蒸汽/液体管线、冷凝器等组成，毛细芯内置于蒸发器中，与蒸发器的壳体之间的空腔形成补偿腔。它的工作原理为：蒸发器的一个面和需要散热的设备壁面紧密贴合，当设备开始工作时产生的废热对蒸发器壁面进行加热，热量促使蒸发器内的工质发生相变蒸发，产生的蒸汽沿着毛细芯或蒸发器盖板上面的蒸汽槽道和蒸汽管线流动进入冷凝器，在冷凝器内冷凝成过冷液体，过冷液体通过液体管线回流到补偿腔，为蒸发面进行液体补给。工质完成这样一个蒸发和冷凝过程循环后，就把热量从蒸发器带到冷凝器排散掉，达到对运行设备散热控温的目的。

一般平板型蒸发器结构如图1所示，对于平板型LHP，补偿腔的温度决定系统的运行温度，降低补偿腔的温度成为提高平板型LHP传热性能的关键之一。由于蒸发器的壳体一般用金属材料加工而成，导热系数较大，通过侧壁和毛细芯的背向导热效应无法避免。CN201310700409.X提出了一种双毛细芯蒸发器，该蒸发器对背向导热有一定的削弱作用，但其仍然存在以下问题：背向导热无法完全消除；补偿腔内部仍然可能处于汽液两相共存状态，气泡在补偿腔内部周期性的产生和湮灭，其温度和压力不断地波动，会引起系统运行的不稳定性；另外，气泡将液体管路出口淹没，堵塞液体管路出口造成过冷液回流困难，进一步恶化系统的运行条件。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种二次芯蒸发器及其应用，其通过在蒸发器内部加入二次芯结构，并在二次芯结构上开设用于放置液体管路的孔道，以此解决液体管路末端被补偿腔内部产生的气泡淹没的现象，减小过冷液回流的阻力，从而改善补偿腔内部的温度和压力分布，稳定系统的运行和增强系统的传热性能。

为实现上述目的，本发明提出了一种二次芯蒸发器，其包括上主体、下端盖、主毛细芯和二次芯，其中：

所述上主体与下端盖相连，以在上主体内部形成密闭空间，其上开设有供工质进出蒸发器的入口和出口，所述入口与液体管路相连，所述液体管路的末端开设有多个孔；

所述主毛细芯和二次芯容置于该密闭空间内，并分别与所述下端盖和上主体紧密接触；所述二次芯位于所述上主体和主毛细芯之间，其为环状结构，其内设有沿该环状结构径向分布的直条筋，该直条筋将二次芯分为两个腔室，该腔室作为储存工质的补偿腔；所述直条筋上开设有与所述入口相通的孔道，所述液体管路末端直接插入孔道中，以避免暴露在补偿腔中；

所述主毛细芯上开设有蒸汽槽道，该蒸汽槽道在二次芯作用下与下端盖紧密接触；所述蒸汽槽道的外围、上主体和下端盖围成的空间作为集气腔，用以收集蒸汽槽道内产生的蒸汽。

作为进一步优选的，所述上主体整体为柱体，该柱体由筒体和圆盘组合而成；

作为进一步优选的，所述下端盖上开设有蒸汽槽道，所述槽道的断面为矩形、三角形、梯形或半圆形。

作为进一步优选的，所述二次芯具有弹性，使主毛细芯和下端盖紧密接触。

作为进一步优选的，所述二次芯采用导热系数小的金属丝网制成。

作为进一步优选的，所述主毛细芯为圆盘形，其由金属粉末烧结而成，或由高分子多孔材料制成。

本发明还提出了将所述二次芯蒸发器在平板型LHP系统中的应用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明在蒸发器中加入二次芯结构，液体管线末端开多个孔作为液体的出口并将其插入到二次芯结构内部，就可以避免上述存在的问题，达到减小过冷液体回流阻力的目的。

2.在LHP工作时，要求主毛细芯和蒸发器的加热面紧密接触，来减小主毛细芯和加热面的接触热阻。本发明提出的二次芯结构具有一定的弹性，既可以避免主毛细芯被压裂，又可以保证主毛细芯和加热面紧密贴合，达到减小接触热阻效果。

3.对于常见的蒸发器为了放置毛细芯，需要在蒸发器壳体上面留出凸台来定位毛细，凸台的存在增加了蒸发器的壁厚，使得热量通过蒸发器壳体导向补偿腔的热量增加，导致补偿腔的温度升高。本发明的二次芯和主毛细芯一起使用，主毛细芯直接与二次芯贴合，并由二次芯固定，主毛细芯、二次芯和蒸发器背面(相对于加热面)一起围成补偿腔，避开了补偿腔和侧壁的直接接触，减小背向导热，降低补偿腔的温度。

4.环路热管系统运行的主要动力来源来自毛细芯的毛细抽吸力，产生的蒸汽在冷凝器内冷凝成的过冷液体在毛细抽吸力的作用下回流到补偿腔，为毛细芯的蒸发侧供液，增大系统的动力是提高平板型LHP的传热性能关键之一。本发明的二次芯为多孔结构，其和主毛细芯一起将过冷液体输送到补偿腔，保证液体的补给，增加了系统的动力，提高传热极限。

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是本发明的二次芯蒸发器的正面结构剖面示意图；

图3是本发明的二次芯蒸发器的侧面结构剖面示意图；

图4(a)是本发明的二次芯俯视结构示意图；

图4(b)是图4(a)的A-A向剖视图；

图5是10W热负荷下的启动运行工况；

图6是100W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是变负荷下二次芯蒸发器LHP的运行热阻图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图2和3所示，本发明实施例的二次芯蒸发器，主要包括四个部分：上主体1、下端盖2、主毛细芯4和二次芯7。其中，上主体和下端盖采用焊接的方式连接后形成密闭空间；主毛细芯4和二次芯7容置于密闭空间内，并分别与下端盖2和上主体1紧密接触；二次芯7位于主毛细芯4和上主体1之间，一端和上主体的底面接触，另一端和主毛细芯接触。

其中，上主体1上半部分开一个孔作为工质进入蒸发器的入口5，上主体的下半部分开一个孔作为蒸发器的出口6，蒸发器的入口5与出口6通过蒸汽管路和液体管路连接，形成一个闭合回路。

其中，主毛细芯4上开设有蒸汽槽道3，该蒸汽槽道3在二次芯7的作用下，与下端盖2紧密接触；蒸汽槽道3的外围、上主体1的下半部分和下端盖2围成的空间作为集气腔10，用以收集蒸汽槽道3内产生的蒸汽。集气腔10也可以由其他的结构组成，根据蒸发器的结构和主毛细芯4的具体形状来确定。

如图4(a)和(b)所示，二次芯7为环状结构，其内设有沿环状结构径向分布的直条筋，该直条筋将二次芯7分为两个腔室，该腔室作为储存从冷凝器回来的过冷液体(即工质)的补偿腔8，以为主毛细芯供液。直条筋上开设有与入口5相通的一定长度的孔道9，以接纳液体管路出来的液体，液体管路末端开设有多个孔，液体管路末端通过蒸发器的入口5直接插入二次芯的孔道9中，以避免液体管路末端直接暴露在补偿腔8中。

工作时，热负荷通过下端盖2传递到主毛细芯4中的液体工质，与下端盖2接触的蒸汽槽道顶部中的液体被加热迅速汽化，产生的蒸汽沿着蒸汽槽道3流动，然后在集气腔10积累，集气腔10中的蒸汽达到一定压力后沿着蒸汽管路流动到冷凝器，蒸汽在冷凝器内冷凝成液体，随后在主毛细芯4的毛细抽力的作用下，液体沿着液体管道通过入口5和孔道9从冷凝器回到补偿腔8，为主毛细芯4的蒸发提供工质。

其中，上主体1整体为柱体，该柱体由筒体和圆盘组合而成；主毛细芯4为圆盘形；二次芯7采用导热系数小的多层金属丝网叠合制成，使其具有一定的弹性，可以使主毛细芯4和下端盖2紧密接触。例如采用不锈钢丝网制成，丝网的目数可以是200目、300目、400目、500目等单一目数组成，也可以由多种目数叠加组成，它即参与补偿腔8的围成，又可以支撑住毛细芯4，并且二次芯的孔道9还可以稳定液体进入补偿腔的过程。

其中，蒸汽槽道3可以开设在主毛细芯4上面，也可以开设在下端盖2上面，可以和主毛细芯4一体烧结，也可以在下端盖2上面通过机械加工形成，蒸汽槽道3的断面形状可以为矩形、三角形、梯形或半圆形。

其中，主毛细芯4作为蒸发器的重要部件，以及整个系统中工质循环的动力来源，其可以由金属粉末烧结而成，也可以由高分子多孔材料制成，可以根据要求烧结成不带槽道的圆形平板，也可以烧结成带槽道的圆形平板。

如图2所示，液体管道末端直接插入二次芯的孔道9中，本发明实施组装的过程为：首先放置好二次芯7和主毛细芯4，其次将下端盖2与上主体1焊接起来，再将液体管道插入二次芯的孔道9中，焊接好液体管道和蒸发器入口5，然后再焊接蒸汽管道和蒸发器出口6。当然，上主体1和下端盖2的连接除了焊接方式外，根据蒸发器的结构还可以采用其他的连接方式。

下面将具体描述本发明实施例的蒸发器的工作过程：

本发明的蒸发器整体上是一种柱体结构，其下端盖2为受热面，工作时直接与热负荷贴合，以导热的方式吸收热量，然后传递到主毛细芯4的肋片上，主毛细芯4中充满液体工质；工质汽化后，沿着蒸汽槽道3进入集气腔10，然后通过蒸发器出口6进入到液体管路，流向冷凝器；在冷凝器中释放热量后，蒸汽冷凝为液体，然后在主毛细芯4的毛细抽力的作用下，沿着液体管路回到补偿腔8；补偿腔中的液体通过主毛细芯4渗透到汽液界面。为了提高蒸发器的散热效率，蒸发器可以采用多种材料的复合，如下端盖2可以采用导热系数大的金属材料制作；在LHP系统中，进入补偿腔8中的回流液的过冷度越大，对补偿腔8的冷却越好，蒸发器壁面的温度越低；为了减小通过上主体1侧壁、主毛细芯4和二次芯7的导热作用对补偿腔的加热，主毛细芯4采用导热系数小的金属粉末烧结，二次芯7采用不锈钢丝网制作。

下面通过实验验证本发明的效果。

图5为10W热负荷下的启动运行工况，图6为100W热负荷下的运行工况，图7为变热负荷下的连续运行工况，图8为变热负荷下二次芯蒸发器的热组图。

图5显示在10W热负荷下，二次芯蒸发器LHP启动运行工况，加载热负荷后，系统迅速启动，并很快达到稳定运行。

图6显示在100W热负荷下，二次芯蒸发器LHP启动运行工况，与10W启动工况类似，系统快速进入到稳定状态。

图7显示二次芯蒸发器LHP在变热负荷下连续运行的工况，在实验的各个热负荷下，系统可以快速地对热负荷改变做出响应，并很快达到该热负荷下的稳定运行状态。

图8显示随着热负荷的增大，蒸发器热阻变化不大，从蒸发器到冷凝器的热阻逐渐减小，当热负荷大于50W时，热阻基本不变。

由上可知，本发明设计的用于平板型LHP的二次芯蒸发器，克服了之前的平板型LHP在小热负荷下启动困难，在大热负荷下运行波动的现象，提高了其工作性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种二次芯蒸发器，其特征在于，包括上主体(1)、下端盖(2)、主毛细芯(4)和二次芯(7)，其中：

所述上主体(1)与下端盖(2)相连，以在上主体(1)内部形成密闭空间，其上开设有供工质进出蒸发器的入口(5)和出口(6)，所述入口(5)与液体管路相连，所述液体管路的末端开设有多个孔；

所述主毛细芯(4)和二次芯(7)容置于该密闭空间内，并分别与所述下端盖(2)和上主体(1)紧密接触；所述二次芯(7)位于所述上主体(1)和主毛细芯(4)之间，所述二次芯(7)具有弹性，使主毛细芯(4)和下端盖(2)紧密接触，所述二次芯(7)为环状结构，其内设有沿该环状结构径向分布的直条筋，该直条筋将二次芯(7)分为两个腔室，该腔室作为储存工质的补偿腔(8)；所述直条筋上开设有与所述入口(5)相通的孔道(9)，所述液体管路末端直接插入孔道(9)中，以避免暴露在补偿腔(8)中；

所述主毛细芯(4)上开设有蒸汽槽道(3)，该蒸汽槽道(3)在二次芯(7)作用下与下端盖(2)紧密接触；所述蒸汽槽道(3)的外围、上主体(1)和下端盖(2)围成的空间作为集气腔(10)，用以收集蒸汽槽道(3)内产生的蒸汽，蒸汽冷凝成液体后沿着液体管路通过入口(5)和孔道(9)回到补偿腔(8)，为主毛细芯(4)的蒸发提供工质。

2.如权利要求1所述的二次芯蒸发器，其特征在于，所述上主体(1)整体为柱体，该柱体由筒体和圆盘组合而成。

3.如权利要求1所述的二次芯蒸发器，其特征在于，所述下端盖(2)上开设有蒸汽槽道(3)，所述槽道的断面为矩形、三角形、梯形或半圆形。

4.如权利要求1-3任一项所述的二次芯蒸发器，其特征在于，所述二次芯(7)采用导热系数小的金属丝网制成。

5.如权利要求4所述的二次芯蒸发器，其特征在于，所述主毛细芯(4)为圆盘形，其由金属粉末烧结而成，或由高分子多孔材料制成。

6.权利要求1-5任一项所述的二次芯蒸发器在平板型LHP系统中的应用。