CN106288530B - 一种环路热管的蒸发器及其制备方法 - Google Patents

一种环路热管的蒸发器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种环路热管的蒸发器及其制备方法，该蒸发器包括外筒壁、吸热面、上端盖、毛细芯和两端开口的汽液隔离桶，其中外筒壁、吸热面和上端盖形成空腔结构，毛细芯与吸热面贴合，汽液隔离桶的一端与毛细芯表面接触，并将毛细芯压紧在吸热面上，汽液隔离桶的另一端与上端盖固定连接，汽液隔离桶将外筒壁、吸热面和上端盖形成的空腔结构分为两部分，汽液隔离桶内部空腔为蒸汽腔，汽液隔离桶外部空腔为液体腔，本发明蒸发器结构设计巧妙，性能优异，有效保证了蒸发器内的汽、液分离，能承受一定的正压和负压，即耦合面不易变形，且加工方法简单可靠，便于批量生产。

Description

一种环路热管的蒸发器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种环路热管的蒸发器及其制备方法，属于工程热物理、热管学科中环路热管技术领域。
背景技术
热管是一种高性能的传热元件，是靠内部工作介质(工质)的蒸发、凝结和回流而将热量不断从热源传向热汇的装置。热管的应用十分广泛，随着科技的发展，热管的需求不断增长。
环路热管(Loop Heat Pipe，LHP)一般由蒸发器、补偿室、隔离器、冷凝器、蒸汽管和液体管组成。蒸汽器设计和加工方法是实现LHP预期性能的关键。
热管的结构多种多样，LHP是热管的一种。目前，科技发展迫切需要较高热流、较远距离传热、小空间取热等特殊场合的LHP。报道的LHP，有的启动可靠性差，有的传热能力小，有的工艺复杂，不能满足一些场合的温度控制要求，这些都与LHP的蒸发器设计不合理，工艺性不佳有直接关系。
在空间应用中，长柱形蒸发器的LHP报道得较多，毛细芯通常为圆柱形，多为烧结芯，工艺复杂，加工周期长，与蒸发器的圆柱壳体耦合，这种结构适于圆柱面取热(Y.Maydanik,Loop Heat Pipes,Appl.Therm.Eng.25,2005,635-657；S.Launay et.al.,Parametric Analysis of Loop Heat Pipe Operation,a Literature Review,Int.J.Therm.Sci.46(7),2007,621-636；何江等，氖工质深冷环路热管实验研究，第14届全国热管会议论文集，北京，2015，227-234)。现有的平板LHP蒸发器，多采用槽道结构，即反向式蒸发器(热流密度方向和蒸汽流出毛细芯的方向相反)，这种结构不利于汽液分离，表现是LHP的启动强烈依赖于启动前液体分布，可以说很多工况不能启动，可靠性不高。
此外现有LHP蒸发器的毛细芯的加工工艺中，无论是烧结芯结构、槽道结构、还是槽道加丝网结构，多需焊接，结构实现均不太方便，汽液分离的可靠性难以得到保证。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种环路热管的蒸发器，该蒸发器结构设计巧妙，性能优异，有效保证了蒸发器内的汽、液分离，能承受一定的正压和负压，即耦合面不易变形，且加工方法简单可靠，便于批量生产。
本发明的另外一个目的在于提供一种环路热管的蒸发器的制备方法。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种环路热管的蒸发器，包括外筒壁、吸热面、上端盖、毛细芯和两端开口的汽液隔离桶，其中外筒壁、吸热面和上端盖形成空腔结构，毛细芯与吸热面贴合，汽液隔离桶的一端与毛细芯表面接触，并将毛细芯压紧在吸热面上，汽液隔离桶的另一端与上端盖固定连接，汽液隔离桶将外筒壁、吸热面和上端盖形成的空腔结构分为两部分，汽液隔离桶内部空腔为蒸汽腔，汽液隔离桶外部空腔为液体腔。
在上述环路热管的蒸发器中，还包括蒸汽流出管接头和液体回流管接头，所述蒸汽流出管接头与蒸汽腔连通，所述液体回流管接头与液体腔连通。
在上述环路热管的蒸发器中，蒸汽流出管接头和液体回流管接头相互垂直，且蒸汽流出管接头的内径大于液体回流管接头的内径。
在上述环路热管的蒸发器中，还包括加强柱，所述加强柱位于蒸汽腔内部，一端与上端盖固定连接，另一端穿过毛细芯与吸热面固定连接。
在上述环路热管的蒸发器中，加强柱的直径为2～10mm；所述加强柱为一个或多个，安装位置避开蒸汽流出管接头。
在上述环路热管的蒸发器中，蒸发器热源的发热面位于汽液隔离筒的下端部，且蒸发器热源的发热面的面积等于或小于汽液隔离筒的截面面积。
在上述环路热管的蒸发器中，汽液隔离桶的截面形状与蒸发器热源的发热面形状相匹配，所述蒸发器热源的发热面为圆形或矩形时，汽液隔离桶的截面为相应的圆形或矩形。
在上述环路热管的蒸发器中，汽液隔离桶的截面为圆形或矩形，所述毛细芯的平面形状为与汽液隔离桶的截面相匹配的圆形或矩形。
在上述环路热管的蒸发器中，汽液隔离桶的壁厚为1～6mm。
在上述环路热管的蒸发器中，所述外筒壁、吸热面和上端盖形成的空腔结构为圆柱形空腔，所述蒸汽腔为圆柱形空腔。
在上述环路热管的蒸发器中，所述外筒壁、吸热面和上端盖形成的空腔结构为截面为矩形的柱形空腔，所述蒸汽腔为圆柱形空腔。
在上述环路热管的蒸发器中，所述外筒壁、吸热面和上端盖形成的空腔结构为截面为矩形的柱形空腔，所述蒸汽腔为截面为矩形的柱形空腔。
在上述环路热管的蒸发器中，所述外筒壁、吸热面和上端盖形成的空腔结构为圆柱形空腔，所述蒸汽腔为截面为矩形的柱形空腔。
在上述环路热管的蒸发器中，所述毛细芯的外缘尺寸等于或大于汽液隔离桶的截面外缘尺寸。
在上述环路热管的蒸发器中，当毛细芯的形状与汽液隔离桶的截面形状均为圆形时，毛细芯的直径与汽液隔离桶的外壁面直径的比值为1.0～1.2:1；当毛细芯的形状与汽液隔离桶的截面形状均为正方形时，毛细芯的边长与汽液隔离桶的外壁面边长的比值为1.0-1.2:1。
一种环路热管的蒸发器的制备方法，包括如下步骤：
(1)、分别加工外筒壁、吸热面、上端盖、毛细芯、加强柱、汽液隔离桶、蒸汽流出管接头和液体回流管接头；
(2)、将加强柱、汽液隔离桶和蒸汽流出管接头分别与上端盖焊接；
(3)、将外筒壁与液体回流管接头焊接；
(4)、将外筒壁与上端盖焊接；
(5)、将外筒壁、加强柱分别与吸热面焊接，完成蒸发器的制备。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明对环路热管的蒸发器结构进行了巧妙设计，在外筒壁、吸热面和上端盖形成空腔结构内部，设置汽液隔离桶，气液隔离筒将蒸汽腔和液体腔分开，中心柱状腔体为蒸汽腔，周边环腔为液体腔，有效保证了蒸发器内的汽、液分离。
(2)、本发明蒸发器热源的发热面位于汽液隔离桶的下部，且蒸发器热源的发热面的面积等于或小于汽液隔离桶的截面面积，只有在汽液分离筒内腔的毛细芯面积才受到加热。产生的蒸汽流出蒸汽腔的阻力远远小于穿过毛细芯边缘进入液体腔的，因此不论启动还是正常工作，都保证了汽液分离。
(3)、本发明采用汽液隔离桶设计，隔离筒将蒸汽腔和液体腔分开，汽液隔离桶的上端部截面与蒸发器的上端面密封焊接，下端部截面与毛细芯接触，通过合适的筒高设计，实现将毛细芯周缘压紧在加热面上，去掉了毛细芯与壁面的焊接工序，安装简便易行。
(4)、本发明蒸发器的全部连接中，除毛细芯采用中间穿孔定位，周边压紧连接外，其他采用焊接密封，结构简单适用，在保证性能的基础上便于加工；此外蒸汽腔为扁圆柱或扁方柱，上端面布置汽管接头法向引出，位置避开加强柱的位置；液体腔为扁圆环柱或扁方环柱，外壁布置液管接头法向引出，该结构设计大大减小了当蒸发器较小时管路接头及管路安装的空间干涉问题。
(5)、本发明蒸发器内部采用单面圆形或方形平面毛细芯，中心打孔，孔的直径与穿过其的加强柱的外径大小相当，实现通过加强柱来定位；四周外缘通过汽液隔离桶壁下端面来压紧。毛细芯紧贴于取热面一侧，减小了接触热阻；此外加强柱用于防止由于内外压差过大而导致的发热面变形，强度计算不满足变形要求时，可增加加强柱的数量和布置，可以实现灵活设计。
(6)、本发明圆形或方形板状毛细芯的外缘尺度等于或略大于相应的汽液分离筒壁的外径，该设计放宽了毛细芯的面积加工精度，更便于批量生产。
(7)、本发明中汽管接头和液管接头相互垂直，前者内径大于后者，在匹配了蒸汽和液体在同质量流率的同时，减小了由于密度差而引起的流阻的巨大差别。
(8)、本发明蒸发器工作时，受热面毛细芯的各毛细孔都是相变传热的汽化核心，蒸汽容易产生，蒸汽离开毛细芯向上进入蒸汽腔的阻力远小于蒸汽可能穿过毛细芯周边的液体通道的阻力，蒸发器的环路热管正常工作循环就不会因为任何扰动而改变，这就从结构上保证了其工作稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明环路热管的蒸发器的三面视图；其中图1a为主视图，图1b为侧视图，图1c为局部俯视图。
图2为本发明环路热管的矩形平板-圆形吸热面蒸发器的俯视图。
图3为本发明环路热管的矩形平板-矩形吸热面蒸发器的俯视图。
图4为本发明环路热管的圆形平板-矩形吸热面蒸发器的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明环路热管的蒸发器的三面视图，其中图1a为主视图，图1b为侧视图，图1c为局部俯视图，由图可知，本发明环路热管的蒸发器包括外筒壁1、吸热面2、上端盖3、毛细芯4、加强柱5、汽液隔离桶6、蒸汽流出管接头7和液体回流管接头8，其中汽液隔离桶6为两端开口的筒形薄壁结构，上端盖3和吸热面2分别位于外筒壁1的上下端面，外筒壁1、吸热面2和上端盖3通过焊接连接形成空腔结构，毛细芯4与吸热面2贴合，汽液隔离桶6的一端与毛细芯4表面接触，并实现将毛细芯4周缘压紧在吸热面2上，汽液隔离桶6的另一端与上端盖3通过焊接固定连接，汽液隔离桶6将外筒壁1、吸热面2和上端盖3形成的空腔结构分为两部分，汽液隔离桶6内部空腔为蒸汽腔13，汽液隔离桶6外部空腔为液体腔14，即汽液隔离桶6内壁、上端盖3与毛细芯4围成的空间形成蒸汽腔13，汽液隔离桶6外壁、上端盖3与吸热面2围成的空间形成液体腔14。
加强柱5位于蒸汽腔13内部，一端与上端盖3固定连接，另一端穿过毛细芯4与吸热面2固定连接。本发明中，蒸发器的吸热面2和上端盖3中心各打一孔，孔径与加强柱5的外径配合，两面分别耦合焊接穿过的加强柱5。加强柱5用于防止由于内外压差过大而导致的发热面变形。强度计算不满足变形要求时，可增加加强柱5的数量和布置。
加强柱5根据蒸发器腔承压能力设计，直径不宜过大，分别装配穿过吸热面2和上端盖3上的对应孔后，焊接后不突出于外表面，必要时磨平。加强柱5采用一个或多个，安装位置让开蒸汽流出管接头7。加强柱5的直径为2～10mm，本实施例中为3mm。
蒸汽流出管接头7与蒸汽腔13连通，液体回流管接头8与液体腔14连通。本发明中蒸汽腔13上端面布置蒸汽流出管接头7法向引出，位置避开加强柱5的位置；液体腔14外壁布置液体回流管接头8法向引出。这种设计大大减小了当蒸发器较小时管路接头及管路安装的空间干涉。
本发明中蒸汽流出管接头7和液体回流管接头8相互垂直，且蒸汽流出管接头7的内径大于液体回流管接头8的内径。这就匹配了蒸汽和液体在同流率时，减小了由于密度差而引起的流阻的巨大差别。本实施例中蒸汽流出管接头7的内径与液体回流管接头8的内径分别为12mm和4mm。
蒸发器热源的发热面位于汽液隔离桶6的下端部，且蒸发器热源的发热面的面积等于或小于汽液隔离桶6的内腔横截面面积。蒸发器热源的发热面不超出汽液隔离桶6覆盖的面积。这样，只有在汽液隔离桶6内腔的毛细芯面积才受到加热。产生的蒸汽流出蒸汽腔13的阻力远远小于穿过毛细芯边缘进入液体腔14的，因此不论启动还是正常工作，都保证了汽液分离。
汽液隔离桶6的截面形状与蒸发器热源的发热面形状相匹配，当蒸发器热源的发热面为圆形或矩形时，汽液隔离桶6的截面为相应的圆形或矩形。汽液隔离桶6的截面为圆形或矩形时，毛细芯4的平面形状为与汽液隔离桶6的截面相匹配的圆形或矩形。
本发明中外筒壁1、吸热面2和上端盖3形成的空腔结构以及蒸汽腔13的腔体结构根据需要设计，本发明给出了上述结构的优选设计，分别如图1、2、3、4所示，其中图1为环路热管的圆形平板-圆形吸热面蒸发器的三面视图，由图可知外筒壁1、吸热面2和上端盖3形成的空腔结构为圆柱形空腔，蒸汽腔13为圆柱形空腔。
如图2所示为本发明环路热管的矩形平板-圆形吸热面蒸发器的俯视图，由图可知外筒壁1、吸热面2和上端盖3形成的空腔结构为截面为矩形的柱形空腔，蒸汽腔13为圆柱形空腔。
如图3所示为本发明环路热管的矩形平板-矩形吸热面蒸发器的俯视图，由图可知外筒壁1、吸热面2和上端盖3形成的空腔结构为截面为矩形的柱形空腔，蒸汽腔13为截面为矩形的柱形空腔。
如图4所示为本发明环路热管的圆形平板-矩形吸热面蒸发器的俯视图，由图可知外筒壁1、吸热面2和上端盖3形成的空腔结构为圆柱形空腔，蒸汽腔13为截面为矩形的柱形空腔。
汽液隔离桶6的壁厚为1～6mm，本实施例中为2mm。
毛细芯4的外缘尺寸等于或大于汽液隔离桶6的截面外缘尺寸。当毛细芯4的形状与汽液隔离桶6的截面形状均为圆形时，毛细芯4的直径与汽液隔离桶6的截面外(外壁面)直径的1.0～1.2:1，本实施例中为1.1:1，本实施例中吸热面2的直径为60mm，汽液隔离桶6的高度为10mm。
当毛细芯4的形状与汽液隔离桶6的截面形状均为正方形时，毛细芯4的边长与汽液隔离桶6的截面(外壁面)边长的比值为1.0～1.2:1，本实施例中为1.1:1。本实施例中吸热面2的边长为60mm，汽液隔离桶6的高度为10mm。
本发明环路热管的蒸发器的工作过程为：与热源贴合的吸热面2受热后，毛细芯4中的液体受到加热，当满足毛细芯4的毛细孔成核条件后，蒸汽在毛细芯4的上表面不断产生。蒸汽流入蒸汽腔13，通过蒸汽流出管接头7流向环路热管的冷凝器。在冷凝中的蒸汽凝结成液体，在重力的作用下，沿液体回流管接头8返回到液体腔14。液体腔14中的液体沿吸热面2的周向进入毛细芯4，形成闭环流动。
本发明中全部连接中，除毛细芯4采用中间穿孔定位，周边压紧连接外，其他采用焊接密封，结构简单适用，在保证性能的基础上便于加工。蒸发器内部采用单面圆形或方形平面毛细芯4，中心打孔，孔的直径与穿过其的加强柱5的外径大小相当，实现通过加强柱5来定位；四周外缘通过汽液隔离桶6壁下端面来压紧。毛细芯4紧贴于取热面一侧，减小了接触热阻。
本发明的LHP蒸发器和隔离器可实现一体化结构，这种结构通过汽液腔隔离筒壁的端部压紧毛细芯，对毛细芯的紧固作用简单实用。汽液隔离桶壁在结构上实现了汽液分离，有二方面的原理。其一，从液体腔到蒸汽腔的液体通道是最大的，最大限度地减小了流阻，即通过毛细芯的外缘向内，实现毛细芯径向渗流供液。其二，结构上液体腔避开热源加热，蒸汽从蒸汽腔汇集流出蒸汽管的阻力远远小于进入液体腔的阻力，因此不会倒流进入液体腔，使蒸发器实现工作时汽液有效分离，即使在LHP启动时，也不会使蒸汽倒流。这种结构能完全保证LHP蒸发器在各种工况下启动、稳定运行时绝对可靠性。这就解决了各种所报道的蒸发器依赖于液态工质的初始分布，较难保证每次都启动成功这一主要缺陷。蒸发器壳体通过中间的加强柱，来承受一定范围的正压和负压，使耦合面不变形。该新型结构便于工艺实现和批量生产，本发明的LHP蒸发器在结构上尤其适用于重力辅助LHP。
本发明环路热管的蒸发器的制备方法具体包括如下步骤：
(1)、分别加工外筒壁1、吸热面2、上端盖3、毛细芯4、加强柱5、汽液隔离桶6、蒸汽流出管接头7和液体回流管接头8；
(2)、将加强柱5、汽液隔离桶6和蒸汽流出管接头7分别与上端盖3耦合，并按照图1a中标注的部位焊接；
(3)、将外筒壁1与液体回流管接头8耦合，并按照图1a中标注的部位焊接；
(4)、将外筒壁1与上端盖3耦合，并按照图1a中标注的部位焊接；
(5)、将外筒壁1、加强柱5分别与吸热面2耦合，并按照图1a中标注的部位焊接；
(6)、打掉各焊接部位的毛刺，使吸热面2底面平整，完成蒸发器的制备。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (14)

1.一种环路热管的蒸发器，其特征在于：包括外筒壁(1)、吸热面(2)、上端盖(3)、毛细芯(4)和两端开口的汽液隔离桶(6)，其中外筒壁(1)、吸热面(2)和上端盖(3)形成空腔结构，毛细芯(4)与吸热面(2)贴合，汽液隔离桶(6)的一端与毛细芯(4)表面接触，并将毛细芯(4)压紧在吸热面(2)上，汽液隔离桶(6)的另一端与上端盖(3)固定连接，汽液隔离桶(6)将外筒壁(1)、吸热面(2)和上端盖(3)形成的空腔结构分为两部分，汽液隔离桶(6)内部空腔为蒸汽腔(13)，汽液隔离桶(6)外部空腔为液体腔(14)；
还包括蒸汽流出管接头(7)和液体回流管接头(8)，所述蒸汽流出管接头(7)与蒸汽腔(13)连通，所述液体回流管接头(8)与液体腔(14)连通；所述蒸汽流出管接头(7)和液体回流管接头(8)相互垂直，且蒸汽流出管接头(7)的内径大于液体回流管接头(8)的内径。
2.根据权利要求1所述的一种环路热管的蒸发器，其特征在于：还包括加强柱(5)，所述加强柱(5)位于蒸汽腔(13)内部，一端与上端盖(3)固定连接，另一端穿过毛细芯(4)与吸热面(2)固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种环路热管的蒸发器，其特征在于：所述加强柱(5)的直径为2～10mm；所述加强柱(5)为一个或多个，安装位置避开蒸汽流出管接头(7)。
4.根据权利要求1所述的一种环路热管的蒸发器，其特征在于：蒸发器热源的发热面位于汽液隔离桶(6)的下端部，且蒸发器热源的发热面的面积等于或小于汽液隔离桶(6)的截面面积。
5.根据权利要求4所述的一种环路热管的蒸发器，其特征在于：所述汽液隔离桶(6)的截面形状与蒸发器热源的发热面形状相匹配，所述蒸发器热源的发热面为圆形或矩形时，汽液隔离桶(6)的截面为相应的圆形或矩形。
6.根据权利要求1所述的一种环路热管的蒸发器，其特征在于：所述汽液隔离桶(6)的截面为圆形或矩形，所述毛细芯(4)的平面形状为与汽液隔离桶(6)的截面相匹配的圆形或矩形。
7.根据权利要求1～6之一所述的一种环路热管的蒸发器，其特征在于：所述汽液隔离桶(6)的壁厚为1～6mm。
8.根据权利要求1～6之一所述的一种环路热管的蒸发器，其特征在于：所述外筒壁(1)、吸热面(2)和上端盖(3)形成的空腔结构为圆柱形空腔，所述蒸汽腔(13)为圆柱形空腔。
9.根据权利要求1～6之一所述的一种环路热管的蒸发器，其特征在于：所述外筒壁(1)、吸热面(2)和上端盖(3)形成的空腔结构为截面为矩形的柱形空腔，所述蒸汽腔(13)为圆柱形空腔。
10.根据权利要求1～6之一所述的一种环路热管的蒸发器，其特征在于：所述外筒壁(1)、吸热面(2)和上端盖(3)形成的空腔结构为截面为矩形的柱形空腔，所述蒸汽腔(13)为截面为矩形的柱形空腔。
11.根据权利要求1～6之一所述的一种环路热管的蒸发器，其特征在于：所述外筒壁(1)、吸热面(2)和上端盖(3)形成的空腔结构为圆柱形空腔，所述蒸汽腔(13)为截面为矩形的柱形空腔。
12.根据权利要求1～6之一所述的一种环路热管的蒸发器，其特征在于：所述毛细芯(4)的外缘尺寸等于或大于汽液隔离桶(6)的截面外缘尺寸。
13.根据权利要求12所述的一种环路热管的蒸发器，其特征在于：当毛细芯(4)的形状与汽液隔离桶(6)的截面形状均为圆形时，毛细芯(4)的直径与汽液隔离桶(6)的外壁面直径的比值为1.0～1.2:1；当毛细芯(4)的形状与汽液隔离桶(6)的截面形状均为正方形时，毛细芯(4)的边长与汽液隔离桶(6)的外壁面边长的比值为1.0-1.2:1。
14.根据权利要求1～6之一所述的一种环路热管的蒸发器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)、分别加工外筒壁(1)、吸热面(2)、上端盖(3)、毛细芯(4)、加强柱(5)、汽液隔离桶(6)、蒸汽流出管接头(7)和液体回流管接头(8)；
(2)、将加强柱(5)、汽液隔离桶(6)和蒸汽流出管接头(7)分别与上端盖(3)焊接；
(3)、将外筒壁(1)与液体回流管接头(8)焊接；
(4)、将外筒壁(1)与上端盖(3)焊接；
(5)、将外筒壁(1)、加强柱(5)分别与吸热面(2)焊接，完成蒸发器的制备。
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