CN106152846B - 一种自循环气液两相流相变换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自循环气液两相流相变换热器，包括蒸发板、冷凝板以及位于蒸发板和冷凝板之间壁面，在所述壁面内设置有毛细腔，所述毛细腔由吸液芯和位于吸液芯内具有气液两相的工质，其特征在于：在所述蒸发板的内表面上设置有沟槽结构，该沟槽为由中心沿径向向外分叉延伸的梯级分叉沟槽，所述吸液芯为轴心区域毛细力大、外缘区域毛细力小的梯度吸液芯，所述吸液芯的轴心区域正对所述沟槽结构的中心形成液态工质的主要通道，所述吸液芯的外缘区域正对所述沟槽结构的分叉沟槽形成气态工质的主要通道。本发明换热器能够在反重力条件下有效改善气、液工质循环，提高传热性能，为电子器件的高效可靠运行提供保证。

Description

一种自循环气液两相流相变换热器

技术领域

本发明涉及一种传热装置，具体涉及的是一种为在反重力条件下改善气液两相工质循环并实现高效快速传热而设计的具有梯级结构特征的自循环气液两相流相变换热器。

背景技术

电子元器件设备的有效散热始终是现代传热领域的主要应用之一。然而，伴随着电子信息工业和微电子机械系统（MEMS）等技术的迅猛发展，电子元器件微型化、高集成、高功率等的发展趋势已经愈演愈烈。如何确保在高发热热流密度下将芯片中的热量及时排走，使其温度控制在可以安全工作的范围内已经成为提高电子器件设备工作可靠性的关键技术之一。

热管式散热技术因其以相变传热作为基本传热方式而具有高效的散热性能，被广泛应用于高热流密度下的微电子设备散热等领域。热管式换热器作为一种相变换热装置，具有结构简单、热导率高、均温性良好、工作适应性好以及有利于对集中热源进行热扩散等优点，在空间热控系统﹑光电芯片散热等领域有着广阔应用前景。

目前传统的热管式换热器气液相变空间内的吸液芯结构一般是在腔体内壁面上设置沟槽、烧结多孔金属、贴附金属丝网等，这些结构设置对腔体内工质的循环产生了一定改善作用，但是在热管式换热器的实际应用中，毛细极限、携带极限等较常见的传热极限依然比较容易发生，这在一定程度上限制了热管式换热器的传热能力，尤其是在反重力条件下热管式换热器的工作性能将会受到大大的影响。因此，传统的热管式换热器内的吸液芯布置方案并不是特殊工作环境下（如反重力条件等）电子设备有效散热的最佳解决方案，迫切需要寻求一种新型高效的散热方案和技术。

丝网状吸液芯凭借其制作工艺简单、布置方便以及可以根据需要对丝网目数进行选择等优点受到广泛应用。因此，本发明设计了一种由不同孔径丝网卷制而成的梯度吸液芯，以达到有效促进工质循环以及增大传热能力的目的。

另外，本发明在换热器件的蒸发板上设计具有梯级分叉结构特征的沟槽，意在通过沟槽的分流效应减小气、液工质在流动过程中的相互影响作用，增强工质循环的顺畅性，保证换热器件在反重力条件下稳定高效运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供了一种可工作于反重力条件下的有效改善气液两相工质循环，提高传热能力的循环气液两相流相变换热器，为电子器件的高效可靠运行提供保证。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种自循环气液两相流相变换热器，包括蒸发板、冷凝板以及位于蒸发板和冷凝板之间壁面，在所述壁面内设置有毛细腔，所述毛细腔由吸液芯和位于吸液芯内具有气液两相的工质，其特征在于：在所述蒸发板的内表面上设置有沟槽结构，该沟槽为由中心沿径向向外分叉延伸的梯级分叉沟槽，所述吸液芯为轴心区域毛细力大、外缘区域毛细力小的梯度吸液芯，所述吸液芯的轴心区域正对所述沟槽结构的中心形成液态工质的主要通道，所述吸液芯的外缘区域正对所述沟槽结构的分叉沟槽形成气态工质的主要通道。

所述蒸发板和冷凝板均为圆形平面结构，所述壁面为一圆环状柱体结构。

在所述冷凝板上设置可向所述毛细腔内充入一定量的工质的充液孔。

所述梯度吸液芯由不同孔径丝网卷制而成，位于梯度吸液芯轴心区域的丝网孔径小，位于梯度吸液芯外缘区域的丝网孔径大。

所述梯度吸液芯是将单片状金属丝网以蒸汽腔中心轴线为轴心旋转为一个卷状柱体结构，直至该柱体完全充满整个毛细腔空间，且卷状柱体结构两端分别与蒸发板和冷凝板接触。

所述轴心区域与外缘区域的径向宽度根据热源面积大小而调整。

位于梯度吸液芯中部的丝网大小为160-400目，位于梯度吸液芯外部的丝网大小为80-150目。

所述梯级分叉沟槽的分叉支数为8-20支，分叉级数为2-8级，每一级沟槽在下一级都将分成两个更小的沟槽，所述沟槽的宽度为0.1-0.8mm，所述沟槽的深度为0.5-1mm。

所述冷凝板的内表面为经过疏水处理过的光滑表面。

梯级分叉沟槽可增加蒸发板上的汽化核心数，有利于产生更多气泡，增强蒸发板上的换热水平；另外，梯级分叉沟槽可为蒸发板上产生的气态工质提供一定的横向流动效应，即蒸发板附近的回流液体受热后汽化产生的蒸汽将首先在分叉沟槽的导流作用下由蒸发板中心向四周横向扩散，然后再流向冷凝端，这样蒸发板上产生的蒸汽将更倾向于从毛细腔的外缘向冷凝端流动，因此梯级分叉沟槽为气、液两相工质的循环提供了分流效应，能在一定程度上减少两者在流动过程中的相互影响作用，改善工质循环。此外，梯级分叉沟槽凭借其优良的热质输运特性，还可进一步增强蒸发板上的均温特性。

冷凝板的内表面为疏水性处理过的光滑表面，经过疏水性处理后可为珠状凝结提供有利条件，有效减小冷凝板上覆盖的冷凝液厚度，改善冷凝液的回流，增强冷凝端的凝结换热能力。

吸液芯为由不同孔径的金属丝网卷制而成的梯度吸液芯，金属丝网的目数为80-200目，丝网目数是指 1 英寸（25.4毫米）长度拥有的孔数，目数可以说明丝网的丝与丝之间的疏密程度，即目数越高，丝网越密集，网孔孔径越小；反之，目数越低，丝网越稀疏，网孔孔径也就越大。目数高的丝网其对应的吸液芯对液体工质的毛细抽吸力也就越大，同时气体工质在网孔内的流动阻力也越大。吸液芯制作方式如下：将单片状金属丝网（如铜丝网、铝丝网等）以所述的毛细腔的中心轴线为轴心旋转为一个卷状柱体结构，直至该柱体完全充满整个毛细腔空间，其两端分别与蒸发板和冷凝板接触，其中，目数较高的丝网（如160-400目）位于吸液芯的轴心区域，而目数较低的丝网（如80-150目）位于吸液芯的外缘区域，轴心区域与外缘区域具有相同的径向宽度，且轴心区域和外缘区域的容积之和与毛细腔空间相等。对于该型吸液芯来说，由于较高目数的丝网位于毛细腔空间的轴心区域，其目数较高，丝网较密，毛细抽吸效应也就较强，可有效促使冷凝液从中回流到蒸发段；而较低目数的丝网位于所述的毛细腔空间的外缘区域，其目数较低，对冷凝液的抽吸效应较弱，因此冷凝液不易通过其回流；同时，由于外缘区域的丝网较稀疏，蒸发板上通过梯级分叉沟槽横向流动过来的蒸汽在此区域吸液芯中向冷凝板流动的阻力将会大大降低。即该型梯度吸液芯的丝网组合形式有效地配合了梯级分叉沟槽结构为气、液两相工质流动提供的分流效应，进一步减小了气、液两相工质在流动过程中的相互影响程度，使得工质循环更加顺畅，以此增强传热效率和能力。

在冷凝板上还设置有所述的充液孔，通过充液孔可向所述的毛细腔内充入一定充液比的工作介质，工作介质根据实际条件可选用水、乙醇、甲醇、丙酮等。

蒸发板、环形壁面以及冷凝板材料根据实际应用情况可选用铜、铝、不锈钢以及合金等材料。

有益效果

本发明一种自循环气液两相流相变换热器，蒸发板上的梯级分叉沟槽可有效增加汽化核心数，为气、液两相工质流动提供分流效应，减少两者在流动过程中的相互影响作用，改善工质循环；经过疏水性处理的冷凝板可为珠状凝结提供有利条件，促进冷凝液回流，增强冷凝端的凝结换热能力；使用由不同孔径丝网卷制而成的梯度吸液芯有效地配合了梯级分叉沟槽结构为气、液两相工质流动提供的分流效应，进一步减小了气、液两相工质在流动过程中的相互影响程度，使得工质循环更加顺畅，以此增强传热效率和能力；该型密闭换热器工作不受重力条件的限制，可在顺重力、反重力等任意重力条件下稳定高效运行。

附图说明

图1为本发明换热器的结构示意图。

图2为本发明的蒸发板立体结构示意图。

图3为本发明的沟槽平面结构示意图。

图4为图3的局部放大示意图。

图5为本发明的冷凝板立体结构示意图。

图6为本发明的吸液芯结构示意图。

图7为图6的局部放大示意图。

图8为本发明换热器在反重力条件下的工作示意图。

图中，1.蒸发板；2.冷凝板；3.环形壁面；4.吸液芯；5.沟槽；6.充液孔；7. 目数较高的丝网；8. 目数较低的丝网；9.蒸汽；10.回流液体；11.输入热量；12.输出热量。

具体实施方式

下面结合附图说明进行更进一步的详细说明：

图1所示为工作于反重力条件下的自循环气液两相流相变换热器的立体结构示意图，是由蒸发板1、冷凝板2、环形壁面3和毛细腔构成的密闭换热器，毛细腔由吸液芯4和气液两相工质组成。蒸发板1和冷凝板2通过环形壁面3连接；吸液芯4为由不同孔径丝网卷制而成的梯度吸液芯，且梯度吸液芯布满毛细腔；在蒸发板1上配置有沟槽5，沟槽5为由中心沿径向向外分叉延伸的梯级分叉沟槽。另外，在冷凝板2上还设置充液孔6。

图2所示为蒸发板1的立体结构示意图，蒸发板1为一圆形平面结构，蒸发板1上配置有沟槽5，图3给出了沟槽5的平面结构示意图，如图所示，沟槽5为由中心沿径向向外分叉延伸的梯级分叉沟槽，分叉支数为8-20支，分叉级数为2-8级，每一级微通道在下一级都将分成两个更小的微通道。该梯级分叉沟槽可为蒸发板上产生的气态工质提供一定的横向流动效应，在一定程度上减少了气、液两相工质在流动过程中的相互干扰程度，改善工质循环。

图5所示为冷凝板2的立体结构示意图，冷凝板2为经过疏水性处理过的圆形光滑平面，疏水性冷凝板可为珠状凝结提供有利条件，有效改善冷凝液的回流，增强冷凝端的凝结换热能力。另外，在冷凝板2上设置有充液孔6，通过充液孔6可向毛细腔内充入一定充液比的气液相变工质。

图6、图7给出了吸液芯内不同目数丝网的分布情况。该型吸液芯有效地配合了分叉沟槽结构为气、液两相工质流动提供的分流效应，进一步减小了气、液两相工质在流动过程中的相互影响程度，使得工质循环更加顺畅，以此增强传热效率和能力。

图8所示为自循环气液两相流相变换热器在反重力条件下的工作示意图。如图所示，蒸发板1位于上部，冷凝板2位于下部，由不同孔径丝网卷制而成的梯度吸液芯4布满毛细腔，整个传热系统处于反重力条件下。蒸发板1输入热量11后，靠近蒸发板的吸液芯内存储的液体工质受热后汽化，产生的蒸汽9在蒸发板梯级分叉沟槽的导流作用下倾向于向毛细腔外缘流动。由于毛细腔轴心区域的丝网目数较高，其对液体的毛细抽吸作用较强，且对蒸汽流动的阻力较大；而外缘区域的丝网目数较低，其对液体的毛细抽吸作用较弱，且对蒸汽流动的阻力较小。这样，聚集在蒸发端外缘的蒸汽9会倾向于通过流动阻力较小的低目数丝网（即毛细腔外缘区域）向冷凝端流动，蒸汽9到达冷凝板后遇冷凝结为液体10，而液体10会倾向于通过毛细抽吸作用较强的高目数丝网（即毛细腔轴心区域）向蒸发端流动。由此一来，在反重力条件下，蒸发板上的梯级分叉沟槽配合由不同孔径丝网卷制而成的梯度吸液芯为腔体内的气、液两相工质循环提供了分流效应，使他们倾向于在各自的流道内流动，因此减小了气、液两相工质在流动过程中的相互影响程度，有效促进了工质的循环，避免携带极限的产生，以此增强传热效率和能力。

Claims (9)

1.一种自循环气液两相流相变换热器，包括蒸发板、冷凝板以及位于蒸发板和冷凝板之间壁面，在所述壁面内设置有毛细腔，所述毛细腔由吸液芯和位于吸液芯内具有气液两相的工质，其特征在于：在所述蒸发板的内表面上设置有沟槽结构，该沟槽为由中心沿径向向外分叉延伸的梯级分叉沟槽，所述吸液芯为轴心区域毛细力大、外缘区域毛细力小的梯度吸液芯，所述吸液芯的轴心区域正对所述沟槽结构的中心形成液态工质的主要通道，所述吸液芯的外缘区域正对所述沟槽结构的分叉沟槽形成气态工质的主要通道。

2.根据权利要求1所述的自循环气液两相流相变换热器，其特征在于：所述蒸发板和冷凝板均为圆形平面结构，所述壁面为一圆环状柱体结构。

3.根据权利要求1所述的自循环气液两相流相变换热器，其特征在于：在所述冷凝板上设置可向所述毛细腔内充入一定量的工质的充液孔。

4.根据权利要求1、2或3所述的自循环气液两相流相变换热器，其特征在于：所述梯度吸液芯由不同孔径丝网卷制而成，位于梯度吸液芯轴心区域的丝网孔径小，位于梯度吸液芯外缘区域的丝网孔径大。

5.根据权利要求4所述的自循环气液两相流相变换热器，其特征在于：所述梯度吸液芯是将单片状金属丝网以蒸汽腔中心轴线为轴心旋转为一个卷状柱体结构，直至该柱体完全充满整个毛细腔空间，且卷状柱体结构两端分别与蒸发板和冷凝板接触。

6.根据权利要求1所述的自循环气液两相流相变换热器，其特征在于：所述轴心区域与外缘区域的径向宽度根据热源面积大小而调整。

7.根据权利要求1所述的自循环气液两相流相变换热器，其特征在于：位于梯度吸液芯中部的丝网大小为160-400目，位于梯度吸液芯外部的丝网大小为80-150目。

8.根据权利要求4所述的自循环气液两相流相变换热器，其特征在于：所述梯级分叉沟槽的分叉支数为8-20支，分叉级数为2-8级，每一级沟槽在下一级都将分成两个更小的沟槽，所述沟槽的宽度为0.1-0.8mm，所述沟槽的深度为0.5-1mm。

9.根据权利要求4所述的自循环气液两相流相变换热器，其特征在于：所述冷凝板的内表面为经过疏水处理过的光滑表面。