CN106767068A - 一种薄型蒸汽腔 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种薄型蒸汽腔，蒸汽腔为薄厚度的平板形状，包括两平面夹板、多根圆棒组成的圆棒阵列和细丝，圆棒阵列设置于两平面夹板之间，细丝缠绕在圆棒上，三者紧密接触。平板和圆柱棒之间的尖楔空间，以及相邻的细丝之间的周向尖楔空间，分别形成毛细结构。这两级毛细结构在空间上相通，组成干线与支线的关系。工质充装后分别在这两种尖楔空间上形成弯月面。由于相邻的细丝之间形成的尖楔空间比平板和圆柱之间形成的尖楔空间更小，弯月面的半径也更小，因此能产生更强的毛细抽吸力。与此同时，相邻细丝之间形成的周向尖楔空间扩大了工质的蒸发面积，工质的液膜厚度更薄，有利于提高蒸发段的换热系数，能实现更高的临界热流密度和更低的热阻。

Description

一种薄型蒸汽腔

技术领域

本发明涉及传热元件，具体地，涉及一种薄型蒸汽腔。

背景技术

现有的薄板形状的相变导热蒸汽腔，主要是利用热管原理，相变工质在高温区域蒸发吸热，在低温区域冷凝放热，工质通过毛细抽吸的压力差进行输运，从而实现高效、均匀的导热，其导热率远远高于现有的任何单一固体材料。薄型蒸汽腔在电子元器件的散热、LED灯的冷却和宇宙辐射器的换热等许多方面都有巨大的应用潜力。蒸汽腔完全由热源热量驱动的被动工作特性，使得其具有工作寿命长、可靠性高、无需保养维护等优点。当蒸汽腔为适应热管理系统轻薄设计的要求，厚度减小到一定程度，如2mm左右的时候，不论是采用烧结芯毛细结构、微槽道毛细结构，还是两平板中间夹多根圆棒的“三明治”式组合毛细结构，由于工质流动截面变小，流动阻力上升，均会导致系统总体的热阻增大，蒸汽腔的均温性能下降，并且所能承受的热流密度减小。在所有影响相变导热极限的因素中，毛细极限是的薄型蒸汽腔中主要限制因素。要改善这种情况，主要的措施应该是在蒸汽腔处于临界热流密度工作时降低工质的流动阻力或提升毛细抽吸力。因此，本发明提供了一种在“三明治”薄型蒸汽腔结构的基础上，保留了原有毛细结构组成简单、易于生产等优点，通过改进其中的圆棒，实现更高的临界热流密度的新型蒸汽腔。

发明内容

针对现有薄型蒸汽腔性能中的不足，本发明的目的是提供一种具有更高临界热流密度的薄型蒸汽腔。

本发明通过以下方案实现：

一种薄型蒸汽腔，包括两平面夹板、多根圆棒组成的圆棒阵列和细丝，所述圆棒阵列设置于两平面夹板之间，细丝缠绕在圆棒上，三者紧密接触。

优选地，所述两平面夹板均为导热面，与热源、冷源接触，采用导热率较高的材料，如金属等。

优选地，所述两平面夹板的各边密封连接，两平面夹板的平面为矩形或其他适于应用的形状，其中一个边上设有工质充装口。

优选地，，缠绕形状为螺旋状，类似于轴向弹簧的弹簧丝；相邻的细丝为紧绕，不留轴向空隙，细丝截面为圆形，以单层或多层的方式紧密缠绕在圆棒上

优选地，两平面夹板以面平行和各边平行的方式放置，其中两平面夹板的各边以密封的方式连接，而缠绕有细丝的圆棒以机械夹紧或烧结的方式固定在夹板上。

与现有薄型蒸汽腔相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明对原有的“三明治”式薄型蒸汽腔进行了改进，通过设置干、支路两级液相工质槽道，能提高毛细抽吸力和降低液相工质流动阻力，实现更低的热阻和更大的临界热流密度；

2、本发明能实现蒸汽腔很薄的结构厚度和较大的工作面积；

3、本发明布局合理，结构简单，易于推广。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的总体结构示意图，为了展示结构，上下夹板在各侧边未连接封闭；

图2为本发明在去掉上方夹板时的结构示意图；

图3为缠绕有细丝的圆棒的示意图；

图4为从侧面观察，当上、下夹板与单根缠绕细丝的圆棒形成组合时，工质在这三者之间的尖楔空间形成弯月形气液界的示意图；

图5为从上方观察，在单根缠绕细丝的圆棒的中心横截面处，工质在圆棒与细丝之间的空隙处受毛细作用填满，以及细丝与相邻细丝之间的尖楔空隙处形成弯月形气液界面的示意图。

图中：1-平面夹板；2-表面紧密缠绕细丝的圆棒；3-圆棒；4-细丝；5-液相工质；6为工质的弯月形气液界面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种薄型蒸汽腔，包括两平面夹板1、多根圆棒3组成的圆棒阵列2和细丝4，所述圆棒阵列3设置于两平面夹板1之间，细丝4缠绕在圆棒上，三者紧密接触。

使用两块平板和多根圆棒组成的“三明治”薄型蒸汽腔最早由Wang和Peterson等人提出(Wang，Y.X.&Peterson,G.P.,Analysis of Wire-Bonded Micro Heat PipeArrays,JOURNAL OF THERMOPHYSICS AND HEAT TRANSFER,Vol.16,No.3,2002)。在这种蒸汽腔中，圆棒和平板之间的尖角区域，在工质的表面张力作用下用作连接蒸发区和冷凝区的液相工质流道，并形成毛细结构，而相邻圆棒和两夹板(以矩形形状为例)之间的大部分空间则作为蒸汽通道(图1、图2)。液相工质弯月面在与上下夹板的接触处可以形成厚度很小的液膜，液膜蒸发的高效吸热能力能进一步提升蒸发段的吸热热流密度。这种热管的优点是结构组成非常简单，同时厚度可以做得很薄，在制作成本、体积和重量方面都有相当优势。其导热性能的主要限制因素是热管原理中的毛细限。当热流密度不断增大时，蒸发段的液相工质弯月面不断向里收缩，弯月面的半径随之减小。这个过程中虽然蒸发段的毛细抽吸力逐渐提高，但是由于液相工质从冷凝段向蒸发段流动的横截面也在缩小，流动阻力不断增长，一旦流动阻力的增长超过抽吸力的提高，蒸汽腔的导热能力就达到瓶颈。再增大热流密度会导致蒸发段的液相工质烧干，两相换热能力失效。

基于以上技术的不足，本发明提出了一种改进的圆棒结构。原来的圆棒改为直径更小的圆棒，在圆棒的外表面用截面为圆形的细丝紧密缠绕，其余结构特征不变。细丝缠绕时，相邻的圈与圈之间紧密连接，螺距接近细丝的直径(如图3所示)。缠绕可以是单层的，也可以是多层。现有的加工工艺可以做出缠绕以后外径仍然很小，而且细丝缠绕后不会松散的细长圆棒(<1mm)。因此在大多数情况下，这种薄型蒸汽腔改进后的总厚度可以不受影响。经过改进后的圆棒，细丝与两侧夹板，细丝与细丝之间分别形成内尖楔的空间，均可以作为液相工质的流动通道。这两种通道是干线与支线之间的关系：圆棒与夹板之间的尖楔空间作为液相工质的干线槽道连接蒸发段与冷凝段，一根圆棒与两块夹板可以形成4个这种槽道，如图4所示；而细丝与细丝之间的内尖楔空间构成更小的支线槽道连接上下的干线槽道，这种小槽道同样可以形成工质气液界面的弯月面和产生毛细抽吸力，如图5所示。干线与支线的槽道形成了两级的毛细结构。由于细丝的缠绕圈数巨大，因此这种支线槽道的数量是干线槽道的长千上万倍。

经过这样改进后，蒸汽腔的蒸发区域具有比原来大得多的蒸发面积，支线槽道处的液膜厚度比干线槽道处的更薄，高效的液膜蒸发的面积也比原有设计的更大，从而有利于降低整体蒸发热阻。在高热流密度状态下，由于支线槽道所存储工质的量相对更小，气液界面将首先收缩，接近烧干。此时支线槽道的弯月面半径趋于非常小，毛细抽吸力增大，但干线槽道的流动截面却未受影响变小，蒸发区域与冷凝区域之间的总体流动阻力暂时不会增大。由于各支线槽道的长度非常短，即使其气液界面向里收缩，流动阻力增大，影响也不如干线槽道严重。而且细丝与中心圆棒之间的空隙也可以储存液相工质，一定程度上可以延缓局部的烧干现象。所以这种设计综合了多种有利因素，能充分提高蒸汽腔的工作临界热流密度。而在蒸汽腔的冷凝区域，圆棒与夹板之间的内尖楔空间形成干线槽道，对工质冷凝回流所起的作用首先并不比原有设计减弱。而且细丝缠绕后的凹凸表面相当于一种微肋结构，微助产生的表面张力能使冷凝工质快速地排泄和使冷凝段液膜减薄，从而减小了凝结换热的热阻。此外，这种微肋结构还对蒸汽腔内气相工质的流动产生局部的扰动，从而起到了强化蒸发和凝结换热的效果。根据以上论述，这种改进设计将能全面提升蒸汽腔的导热性能和临界热流密度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种薄型蒸汽腔，其特征在于，包括两平面夹板、多根圆棒组成的圆棒阵列和细丝，所述圆棒阵列设置于两平面夹板之间，细丝缠绕在圆棒上，三者紧密接触。

2.根据权利要求1所述的薄型蒸汽腔，其特征在于，所述两平面夹板均为导热面，与热源、冷源接触。

3.根据权利要求1所述的薄型蒸汽腔，其特征在于，所述两平面夹板的各边密封连接，留出工质充装口。

4.根据权利要求1所述的薄型蒸汽腔，其特征在于，细丝截面为圆形，以单层或多层的方式紧密缠绕在圆棒上。

5.根据权利要求1所述的薄型蒸汽腔，其特征在于，两平面夹板以面平行和各边平行的方式放置。

6.根据权利要求1所述的薄型蒸汽腔，其特征在于，缠绕有细丝的圆棒以机械夹紧或烧结的方式固定在上平面夹板和下平面夹板上。