CN107782189A - 耐正压、大功率平板蒸发器及其加工方法以及基于该蒸发器的平板环路热管 - Google Patents

耐正压、大功率平板蒸发器及其加工方法以及基于该蒸发器的平板环路热管 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种耐正压、大功率平板蒸发器及其加工方法以及基于该蒸发器的平板环路热管，属于航天器结构领域技术领域。该蒸发器包括壳体和位于壳体内部的加强筋和毛细芯，加强筋的设置能够确保整个蒸发器的强度满足耐正压的要求。毛细芯由四部分复合而成，分别为蒸发芯、隔热芯、密封芯和传输芯，通过传输芯的大渗透率可实现低流阻的供液，大幅提升环路热管的传热能力，解决了大面积蒸发器导致供液路径长、流阻大的问题。低导热的传输芯和隔热芯能够减小蒸发器向储液器的漏热现象，同时具有良好的渗透率，减小毛细芯内的流通阻力，同时提升产品运行稳定性。

Description

耐正压、大功率平板蒸发器及其加工方法以及基于该蒸发器 的平板环路热管
技术领域
本发明涉及一种高效传热元件及其加工方法，具体涉及一种平板环路热管蒸发器及其加工方法，属于航天器及地面其它电子设备散热技术领域。
背景技术
环路热管是一种高效两相传热设备，其具有高传热性能、远距离传输热量、优良的控温特性以及管路的可任意弯曲、安装方便等特点，由于具有众多其它传热设备无可比拟的优点，环路热管在航空、航天以及地面电子设备散热等众多领域中具有十分广阔应用前景。
如图1所示，环路热管主要包括蒸发器、冷凝器、储液器、蒸气管线和液体管线。整个循环过程如下：液体在蒸发器中的毛细芯外表面蒸发，吸收蒸发器外的热量，产生的蒸气从蒸气管线流向冷凝器，在冷凝器中释放热量给热沉冷凝成液体，液体最后经过液体管路流入储液器，储液器内的液体工质维持对蒸发器内毛细芯的供给。
传统环路热管蒸发器的结构如图2所示，包括壳体和设置在壳体内部的毛细芯，毛细芯外圆周设置有蒸气槽道，蒸气槽道与蒸气管线连通；毛细芯中心孔与储液器连通作为液体干道，与液体管线连通的液体引管位于毛细芯中心孔。其中毛细芯是蒸发器的核心部件，其主要作用为：多孔结构毛细芯与热源接触的表面作为蒸发面，蒸发面的毛细小孔形成弯月面，提供驱动工质循环的毛细驱动力，而液体循环流入储液器后，通过毛细芯传输至蒸发器。
平板结构的环路热管因为其所需安装空间小，蒸发器与热源平面便于安装，是近年来的研究热点和重点应用方向。而矩形平板环路热管由于储液器在蒸发器一侧，厚度上可以做到更薄，具有更好的发展优势。
平板环路热管的发展目前存在两个技术问题：
(1)目前，文献报道的矩形平板环路热管大多使用水、丙酮等工质，这些工质在工作时处于负压或微正压，对蒸发器结构没有耐压方面的强度要求。为追求良好的传热性能和适宜的工作温区，平板环路热管还要选用氨、氟利昂等高品质因数的正压工质，常规的结构强度将无法满足要求。目前，未见正压矩形平板环路热管的研究文献发表。
(2)随着散热功率和热收集面积的不断增大，与热源耦合的平板环路热管蒸发器也需做成匹配的大面积，性能上要求更大的传热能力。在蒸发器厚度不增加的情况下，一方面，传热量大意味着更大的工质循环流量，导致液体从储液器向蒸发器供液的流动阻力增大；另一方面，更大的蒸发器面积也增加的供液流通路径，导致阻力增大。阻力的增大将导致传热能力的下降。因此，如何增大蒸发器面积同时提升传热能力是平板环路热管技术发展的另一个关键问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种耐正压、大功率的平板环路热管蒸发器，采用复合式毛细芯结构提升传热能力，解决了平板环路热管使用正压工质时的耐压强度问题以及不增加厚度的情况下提高传热能力的技术问题。
所述的耐正压、大功率平板蒸发器，包括：壳体和设置在壳体内部的毛细芯；其特征在于，所述壳体内部设置有一个以上加强筋，所述加强筋位于壳体的中间段，即加强筋长度方向的两端均不伸出壳体；
所述毛细芯为与壳体内腔结构一致的矩形结构，包括蒸发芯、隔热芯和传输芯；所述蒸发芯用于提供毛细力，蒸发芯一侧端面上设置有与其长度一致的蒸气槽道；
所述蒸发芯长度方向的一端与所述壳体内表面之间的间隙形成的空间为积气室；另一端设置用于阻断蒸发器向储液器漏热的隔热芯；
在所述蒸发芯上蒸气槽道所在面的相对面设置传输芯，所述传输芯用于实现从储液器向蒸发芯的低流阻液体传输；所述传输芯靠近所述积气室侧的端头不贯穿所述蒸发芯，被所述蒸发芯包裹。
作为本发明的一种优选方式，该耐正压、大功率平板蒸发器还包括设置在所述隔热芯端部，用于密封所述隔热芯的密封芯。
本发明还提供了一种耐正压结构的大功率平板环路热管蒸发器的加工方法：
(1)在限位工装上表面的凸台上竖直放置蒸气槽道工装，然后将壳体安装在限位工装上表面的凸台上，使蒸气槽道工装均位于壳体内部，且蒸气槽道工装与壳体一侧端面贴合；所述壳体为内部设置有加强筋的壳体；
(2)在壳体内填入设定填充厚度的蒸发芯所需粉末，形成蒸发芯前端；
(3)将与壳体内壁尺寸匹配的丝网或烧结毡插入壳体内，并与蒸气槽道工装相对侧贴合，作为传输芯；
(4)继续向壳体内填入蒸发芯所需粉末，直至其与蒸气槽道工装顶部齐平，形成蒸发芯后端；所述蒸发芯前端和蒸发芯后端共同组成蒸发芯；
(5)在壳体内蒸发芯上方填入设定厚度的隔热芯所需粉末，形成隔热芯；
(6)在壳体内隔热芯上方填入设定厚度的密封芯所需粉末，形成密封芯；
(7)若蒸发芯所需粉末、隔热芯所需粉末或密封芯所需粉末需要烧结则将步骤(6)中形成的整体放入高温炉内，进行烧结；若隔热芯所需粉末、蒸发芯所需粉末和密封芯所需粉末为直接压制而成则直接进行下一步；
(8)整体脱模，得到蒸发器。
本发明还提供了另一种耐正压结构的大功率平板环路热管蒸发器的加工方法：
(1)在限位工装上表面的凸台上竖直放置蒸气槽道工装，然后将壳体安装在限位工装上表面的凸台上，使蒸气槽道工装均位于壳体内部，且蒸气槽道工装与壳体一侧端面贴合；
(2)在壳体内填入设定填充厚度的蒸发芯所需粉末，形成蒸发芯前端；
(3)将占位工装插入壳体内，并与壳体内蒸气槽道工装的相对侧贴合，所述占位工装用于预先对传输芯所需空间进行占位；
(4)继续向壳体内填入蒸发芯所需粉末，直至其与蒸气槽道工装顶部齐平，形成蒸发芯后端；所述蒸发芯前端和蒸发芯后端共同组成蒸发芯；
(5)若蒸发芯所需粉末为需要烧结的粉体则在此状态下进行蒸发芯的烧结步骤，如不需要烧结则直接进行下一步；
(6)移除占位工装，在原占位工装空隙处填入传输芯所需粉末，填充高度与步骤(4)中所形成的蒸发芯高度一致，形成传输芯；
(7)在壳体内蒸发芯上方填入设定厚度的隔热芯所需粉末，形成隔热芯；
(8)在壳体内隔热芯上方填入设定厚度的密封芯所需粉末，形成密封芯；
(9)若传输芯所需粉末、隔热芯所需粉末或密封芯所需粉末需要烧结，则将步骤(8)中形成的整体放入高温炉内，进行烧结；若传输芯所需粉末、隔热芯所需粉末或密封芯所需粉末为直接压制而成则直接进行下一步；
(10)整体脱模，得到蒸发器。
最后本发明提供一种耐正压、大功率平板环路热管，包括：蒸发器、冷凝器、储液器、蒸气管线和液体管线，所述蒸发器为上述的耐正压、大功率平板蒸发器。
有益效果：
1)本发明中的蒸发器采用中段带加强筋、两端贯穿的结构，一方面能够提高壳体耐压强度以适用于正压工质；另一方面两端贯穿空间的毛细芯可进行流量自调节实现均匀供液。
2)在毛细芯中新增传输芯，传输芯延伸至蒸发芯底部，通过传输芯的大渗透率可实现低流阻的供液，大幅提升环路热管的传热能力，解决了大面积蒸发器导致供液路径长、流阻大的问题。
3)低导热的传输芯和隔热芯能够减小蒸发器向储液器的漏热现象，同时具有良好的渗透率，减小毛细芯内的流通阻力，同时提升产品运行稳定性。
附图说明
图1为现有技术中环路热管的结构示意图；
图2为现有技术中蒸发器的剖视图；
图3为本发明的蒸发器的主剖视图；
图4为本发明的蒸发器的左剖视图；
图5为采用一体异型结构的大渗透率金属烧结毡或丝网的结构示意图；
图6为传输芯选用一体异型结构的金属烧结毡或丝网时蒸发器的俯剖视图；
图7为传输芯选用大粒径分体烧结或压制成型时蒸发器的俯剖视图；
图8为传输芯采用金属烧结毡或丝网时该平板环路热管蒸发器的加工过程；
图9为传输芯采用粉末烧结或压制成型时该平板环路热管蒸发器的加工过程。
其中：1-壳体，2-加强筋，3-蒸发芯、4-隔热芯、5-密封芯、6-传输芯、7-蒸气槽道
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种耐正压结构的大功率平板环路热管蒸发器，采用复合式毛细芯结构提升传热能力，解决了蒸发器使用正压工质时的耐压强度问题，且能够在不增加厚度的前提下提高传热能力。
蒸发器的结构如图3所示，包括：壳体1和设置在壳体1内部的毛细芯。
其中壳体1的结构兼顾了对耐正压所需强度和均匀供液功能的要求，壳体1为两端开口且内部设置有加强筋2的矩形结构。具体为：壳体1内部沿其高度方向平行设置两个加强筋2，加强筋2的宽度与壳体1的宽度一致。加强筋2位于蒸发器的中间段，即加强筋2的长度小于蒸发器壳体1的长度，加强筋2的两端均不伸出壳体1，壳体1内部两端没有设置加强筋2的区域为贯穿空间。当毛细芯填满壳体1时，贯穿空间的毛细芯可以实现流量的自调节以均匀供液，而中间段的加强筋2确保整个蒸发器的强度满足耐正压的要求，加强筋2的厚度和间距的选取应针对工质工作温区内的压力、基于材料物性通过力学分析确定。
毛细芯整体为与壳体1内腔结构一致的矩形结构，其由四部分复合而成，分别为蒸发芯3、隔热芯4、密封芯5和传输芯6。其中沿其长度方向依次为蒸发芯3、隔热芯4和密封芯5。蒸发芯3使用高导热(如铜、镍等)的小粒径粉末烧结或压制而成，选用小粒径粉末可以提供小的毛细孔径，从而提供大的毛细力。令蒸发芯3与蒸气管线相连的端面为左端面，与左端面相对的端面为右端面(储液器设置在蒸发器的右侧)；设置在蒸发芯3前端面上的凹槽为蒸气槽道7，蒸气槽道7两端分别延伸至蒸发芯3的左端面和右端面。使用时，与蒸气槽道7相对的蒸发器壁面与发热设备贴合，用于吸收设备热量。蒸发芯3左端面与壳体1之间的空间为积气室。
传输芯6与蒸发芯3后端面(即与蒸气槽道6所在面相对的端面)贴合，用于实现从储液器向蒸发芯3的低流阻液体传输，由于加强筋2的宽度与壳体1的宽度一致，则加强筋2在宽度方向上延伸至传输芯6。传输芯6可以直接选用一体异型结构的大渗透率金属烧结毡或丝网直接插入壳体内，如图5所示(其上的凹槽用于放置加强筋2)，也可以选用低导热的大粒径粉末烧结或压制而成。传输芯6靠近积气室侧的端头并不贯穿蒸发芯3，而是被蒸发芯3包裹，从而确保蒸发芯3具备提供循环毛细驱动力的功能。当选用一体异型结构的金属烧结毡或丝网时，传输芯6另一端可以直接贯穿整个毛细芯结构延伸至储液器，如图6所示，也可以延伸至隔热芯4处截止；当选用大粒径分体烧结或压制成型时，传输芯6延伸至隔热芯4处截止，如图7所示。
隔热芯4的作用是阻断或减小蒸发器向储液器的漏热，同时不增大液体由储液器向蒸发器的流阻，隔热芯4应为低导热大粒径粉末层，如不锈钢、钛及钛合金或聚四氟乙烯粉等。隔热芯4可以为松散状态，也可以烧结或压制成型。
密封芯5作用是将松散状态的隔热芯4粉末密封在传输芯6与密封芯5之间，若隔热芯4成型后自身具有强度时，则不需要密封芯5。当隔热芯4为松散状态时，则需要密封芯5。如果采用金属烧结毡或丝网作为传输芯6，密封芯5所用粉末颗粒大小不受限制，通过够烧结或压制后能够起到密封作用即可，如果传输芯6采用粉末烧结或压制成型，密封芯5应选用大粒径材料以提高渗透率减小储液器向蒸发器的供液流阻。
实施例2：
本实施例提供一种耐正压结构的大功率平板环路热管蒸发器的加工方法，该蒸发器中的传输芯6采用金属烧结毡或丝网。
原材料包括壳体、丝网或烧结毡、隔热芯所需粉末、蒸发芯所需粉末、密封芯所需粉末，限位工装、蒸气槽道工装。
(1)在限位工装上表面的凸台上竖直放置蒸气槽道工装(金属丝)，然后将壳体(加强筋和壳体为一体式结构)安装在限位工装上表面的凸台上(蒸发器加工完成后，该凸台所占壳体内部的空间即为积气室)，使蒸气槽道工装均位于壳体内部，且蒸气槽道工装与壳体一侧端面贴合，如图8A所示；
(2)将蒸发芯所需粉末填入壳体内，粉体填充厚度为5mm，加压90-120MPa，形成蒸发芯前端，如图8B所示；
(3)将丝网或烧结毡裁剪至与壳体内壁合适尺寸后，插入壳体内，并与蒸气槽道工装相对侧贴合，作为传输芯，如图8C所示；
(4)继续向壳体内填入蒸发芯所需粉末，直至其与蒸气槽道工装顶部齐平，形成蒸发芯后端，如图8D所示；所述蒸发芯前端和蒸发芯后端共同组成蒸发芯；
(5)将隔热芯所需粉末灌入壳体内蒸发芯上方，厚度为2～5mm，形成隔热芯，如图8E所示；
(6)将密封芯所需粉末填入壳体内隔热芯上方，厚度为3mm，加压90-120MPa，形成密封芯，如图8F所示；
(7)如粉体需要烧结则将上述装配好整体放入高温炉内，按粉体烧结温度进行烧结，如粉体为直接压制而成则不需要烧结，直接进行下一步；
(8)整体脱模，得到蒸发器；
实施例3：
本实施例提供一种耐正压结构的大功率平板环路热管蒸发器的加工方法，该蒸发器中的传输芯6采用粉末烧结或压制成型。
原材料包括壳体、传输芯所需粉末、隔热芯所需粉末、蒸发芯所需粉末，限位工装、占位工装，蒸气槽道工装。
(1)将限位工装与蒸气槽道工装组合(即在限位工装上表面的凸台上竖直放置蒸气槽道工装)，然后将壳体安装在限位工装上表面的凸台上，使蒸气槽道工装均位于壳体内部，且蒸气槽道工装与壳体一侧端面贴合，如图9A所示；
(2)将蒸发芯所需粉末填入壳体内，厚度5mm，加压90-120MPa，形成蒸发芯前端，如图9B所示；
(3)将占位工装插入壳体内，并与壳体内蒸气槽道工装的相对侧贴合，如图9B所示，占位工装用于预先对传输芯所需空间进行占位，其尺寸与传输芯尺寸一致；
(4)继续向壳体内填入蒸发芯所需粉末，直至其与蒸气槽道工装顶部齐平，形成蒸发芯后端，如图9C所示；所述蒸发芯前端和蒸发芯后端共同组成蒸发芯；
(5)如果蒸发芯所需粉末为需要烧结的粉体则在此状态下进行蒸发芯的烧结步骤，烧结工艺按实际使用粉体烧结工艺进行，如不需要烧结则直接进行下一步；
(6)移除占位工装，在原占位工装空隙处填入传输芯所需粉末，填充高度与步骤(4)中填充后的蒸发芯高度一致，形成传输芯，如图9D所示；
(7)将隔热芯所需粉末填充与壳体内蒸发芯上方，厚度为2～5mm，形成隔热芯，如图9E所示；
(8)将密封芯所需粉末填充在壳体内隔热芯上方，厚度为2～5mm，加压90-120MPa，形成密封芯，如图9F所示；
(9)如果密封芯粉末为需要烧结，则在此状态下进行粉末烧结，烧结工艺按密封芯所用粉末烧结工艺进行，如不需要烧结则进行下一步。
(10)整体脱模，得到蒸发器；
实施例4：
本实施例提供一种耐正压、大功率的平板环路热管，包括蒸发器、冷凝器、储液器、蒸气管线和液体管线。其中蒸发器采用上述实施例1中的蒸发器，该蒸发器采用上述实施例2或3的方法加工制成。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.耐正压、大功率平板蒸发器，包括：壳体(1)和设置在壳体(1)内部的毛细芯；其特征在于，所述壳体(1)内部设置有一个以上加强筋(2)，所述加强筋(2)位于壳体(1)的中间段，即加强筋(2)长度方向的两端均不伸出壳体(1)；
所述毛细芯为与壳体(1)内腔结构一致的矩形结构，包括蒸发芯(3)、隔热芯(4)和传输芯(6)；所述蒸发芯(3)用于提供毛细力，蒸发芯(3)一侧端面上设置有与其长度一致的蒸气槽道(7)；
所述蒸发芯(3)长度方向的一端与所述壳体(1)内表面之间的间隙形成的空间为积气室；另一端设置用于阻断蒸发器向储液器漏热的隔热芯(4)；
在所述蒸发芯(3)上蒸气槽道(6)所在面的相对面设置传输芯(6)，所述传输芯(6)用于实现从储液器向蒸发芯(3)的低流阻液体传输；所述传输芯(6)靠近所述积气室侧的端头不贯穿所述蒸发芯(3)，被所述蒸发芯(3)包裹。
2.如权利要求1所述的耐正压、大功率平板蒸发器，其特征在于，还包括设置在所述隔热芯(4)端部，用于密封所述隔热芯(4)的密封芯(5)。
3.如权利要求1或2所述的耐正压、大功率平板蒸发器，其特征在于，所述传输芯(6)为金属烧结毡或丝网。
4.如权利要求1或2所述的耐正压、大功率平板蒸发器，其特征在于，所述传输芯(6)由粉末烧结或压制而成。
5.如权利要求3所述的耐正压、大功率平板蒸发器，其特征在于，所述传输芯(6)远离所述积气室一侧的端部贯穿整个毛细芯延伸至储液器或延伸至所述蒸发芯(3)与所述隔热芯(4)对接处截止。
6.如权利要求4所述的耐正压、大功率平板蒸发器，其特征在于，所述传输芯(6)远离所述积气室一侧的端部延伸至所述蒸发芯(3)与所述隔热芯(4)对接处截止。
7.如权利要求1或2所述的耐正压、大功率平板蒸发器，其特征在于，所述蒸发芯(3)为高导热的小粒径粉末烧结或压制而成；所述隔热芯(4)为低导热大粒径粉末层。
8.一种耐正压结构的大功率平板环路热管蒸发器的加工方法，其特征在于：
(1)在限位工装上表面的凸台上竖直放置蒸气槽道工装，然后将壳体安装在限位工装上表面的凸台上，使蒸气槽道工装均位于壳体内部，且蒸气槽道工装与壳体一侧端面贴合；所述壳体为内部设置有加强筋的壳体；
(2)在壳体内填入设定填充厚度的蒸发芯所需粉末，形成蒸发芯前端；
(3)将与壳体内壁尺寸匹配的丝网或烧结毡插入壳体内，并与蒸气槽道工装相对侧贴合，作为传输芯；
(4)继续向壳体内填入蒸发芯所需粉末，直至其与蒸气槽道工装顶部齐平，形成蒸发芯后端；所述蒸发芯前端和蒸发芯后端共同组成蒸发芯；
(5)在壳体内蒸发芯上方填入设定厚度的隔热芯所需粉末，形成隔热芯；
(6)在壳体内隔热芯上方填入设定厚度的密封芯所需粉末，形成密封芯；
(7)若蒸发芯所需粉末、隔热芯所需粉末或密封芯所需粉末需要烧结则将步骤(6)中形成的整体放入高温炉内，进行烧结；若隔热芯所需粉末、蒸发芯所需粉末和密封芯所需粉末为直接压制而成则直接进行下一步；
(8)整体脱模，得到蒸发器。
9.一种耐正压结构的大功率平板环路热管蒸发器的加工方法，其特征在于：
(1)在限位工装上表面的凸台上竖直放置蒸气槽道工装，然后将壳体安装在限位工装上表面的凸台上，使蒸气槽道工装均位于壳体内部，且蒸气槽道工装与壳体一侧端面贴合；
(2)在壳体内填入设定填充厚度的蒸发芯所需粉末，形成蒸发芯前端；
(3)将占位工装插入壳体内，并与壳体内蒸气槽道工装的相对侧贴合，所述占位工装用于预先对传输芯所需空间进行占位；
(4)继续向壳体内填入蒸发芯所需粉末，直至其与蒸气槽道工装顶部齐平，形成蒸发芯后端；所述蒸发芯前端和蒸发芯后端共同组成蒸发芯；
(5)若蒸发芯所需粉末为需要烧结的粉体则在此状态下进行蒸发芯的烧结步骤，如不需要烧结则直接进行下一步；
(6)移除占位工装，在原占位工装空隙处填入传输芯所需粉末，填充高度与步骤(4)中所形成的蒸发芯高度一致，形成传输芯；
(7)在壳体内蒸发芯上方填入设定厚度的隔热芯所需粉末，形成隔热芯；
(8)在壳体内隔热芯上方填入设定厚度的密封芯所需粉末，形成密封芯；
(9)若传输芯所需粉末、隔热芯所需粉末或密封芯所需粉末需要烧结，则将步骤(8)中形成的整体放入高温炉内，进行烧结；若传输芯所需粉末、隔热芯所需粉末或密封芯所需粉末为直接压制而成则直接进行下一步；
(10)整体脱模，得到蒸发器。
10.耐正压、大功率平板环路热管，包括：蒸发器、冷凝器、储液器、蒸气管线和液体管线，其特征在于，所述蒸发器为权利要求1或2所述的耐正压、大功率平板蒸发器。
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