CN108917443A - 一种层状堆叠结构的平板式微型环路热管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热管技术领域，公开了一种层状堆叠结构的平板式微型环路热管，该环路热管包括：上端开口的中空壳体，中空壳体内部从下到上依次设置有蒸发器与储液腔，蒸发器包括位于底端的受热面，设置于受热面上方的加热齿与蒸汽室，设置于加热齿与蒸汽室上方的毛细芯层，储液腔包括由毛细芯层的顶面、中空壳体的侧壁与位于中空壳体上方的盖板形成的空腔。上述环路热管通过设计层状堆叠结构，实现蒸发器和储液腔的一体化集成，能够充分利用外部热量驱动工质进行输运，不需要额外能量输入，同时最大化地简化工质输运途径，使工质均匀分布于毛细芯表面，能够实现对储液腔工质的预加热，充分发挥了环路热管的技术优势，从而易于实现环路热管的微小型化。

Description

一种层状堆叠结构的平板式微型环路热管

技术领域

本发明属于热管技术领域，特别涉及一种层状堆叠结构的平板式微型环路热管。

背景技术

随着电子器件和能源系统不断向轻量化、小型化、高集成化的方向快速发展，系统内的热流密度和温度急剧增加。一般而言，高温会引起电阻阻值增加，变压器、扼流圈材料的绝缘性能下降，焊点合金结构的变化，晶体管元件失效等问题，严重影响了系统及核心器件的可靠性和使用寿命，因此器件的散热冷却和系统的热管理问题已经成为制约电子器件和能源系统发展的瓶颈问题之一。在此背景下，传统的被动式翅片散热器和主动式风扇热管结合散热器，受限于体积大、重量大、散热效率低等缺点，其散热能力已接近极限，无法应对热流密度的进一步升高。

为了解决上述问题，研究人员尝试将航天航空领域中的大型热管理系统小型化，以便于解决小空间高效热管理问题，并提出了热管技术、毛细泵回路技术(CPL)和环路热管技术(LHP)。这三种技术与航天航空领域中的热管理技术一一对应。

热管具有最为简单的整体结构，制备、部署较为容易，成本低廉，并且其外形可根据实际应用进行适当调整，因此应用较广。然而热管复用内部腔提作为气液工质的输运通道，在实际运行中会产生“捐携效应”，导致工质输运能力受限。因此热管的散热能力较为一般。毛细泵回路采用分离的气液管路以提升散热能力。液态工质在蒸发器内吸收潜热发生相变，随后经由蒸汽管路进入冷凝室进行放热，冷凝后的液态工质再经由液体管路回流至蒸发器。毛细泵回路的典型特征是在液体回路存在一个单独分支，连接了液体回路和储液腔。储液腔中的液态工质通过泵结构进行主动控制，用于调节毛细泵回路中的液态工质压力分布和工质温度。相比较于热管而言，毛细泵回路大大提升了工质传递效率，使得系统能够具有较强的散热能力。在实际应用中，可进一步为毛细泵回路增加多个蒸发器/冷凝器支路，使得毛细泵回路能够被大规模、分布式部署。环路热管与毛细泵回路具有相近的整体结构，其主要改进之处在于将储液腔和蒸发室进行一体化集成，使得回流的液态工质先进入储液腔，再进入蒸发室。这种改进的优势在于：1、简化了系统结构，不需要为储液腔配备专门的管路支路，这使得环路热管更易于小型化；2、储液腔和蒸发室一体化集成能够加快管路工质压力调节过程，避免因为管路过长导致压力震荡；3、储液腔中的液态工质在进入蒸发器前能够得到有效预热，便于工质在蒸发器中快速吸收潜热发生相变，避免工质受热过程较长导致系统性能下降。

环路热管在小型化方面具有先天优势，并且其紧凑的结构能够有效提升散热性能，因此其小型化具有较高研究价值和应用价值。然而，环路热管技术的小型化研究较少，其商业化应用也难以寻觅。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种层状堆叠结构的平板式微型环路热管，通过将环路热管设计为层状堆叠结构，实现了蒸发器和储液腔的紧密一体化集成，能够充分利用外部热量驱动工质进行输运，不需要额外能量输入，同时最大化地简化了工质输运途径，使工质均匀分布于毛细芯表面，能够实现对储液腔工质的预加热，充分发挥了环路热管技术所具有的主要技术优势，从而易于实现环路热管的微小型化。

为了实现上述技术目的，本发明实施例提出了一种层状堆叠结构的平板式微型环路热管，该环路热管包括：上端开口的中空壳体，中空壳体内部从下到上依次设置有蒸发器与储液腔，蒸发器包括位于底端的受热面，设置于受热面上方的加热齿与蒸汽室，设置于加热齿与蒸汽室上方的毛细芯层，储液腔包括由毛细芯层的顶面、中空壳体的侧壁与位于中空壳体上方的盖板形成的空腔。

进一步的，加热齿平行且均匀分布于受热面上，相邻加热齿之间形成蒸汽槽道。

进一步的，蒸汽槽道的长度小于中空腔体的长度。

进一步的，蒸汽槽道的形状为直线。

进一步的，蒸汽槽道的一端固定于中空腔体的侧壁，蒸汽室设置于蒸汽槽道的另一端。

进一步的，蒸汽室设置有第一通孔，第一通孔用于输出气态工质。

进一步的，毛细芯层固定于中空壳体的侧壁，毛细芯层的底面与加热齿的顶面相接触。

进一步的，毛细芯层中毛细芯的孔径从上到下依次减小，远离加热齿的毛细芯的孔径大于靠近加热齿的毛细芯的孔径。

进一步的，盖板与中空腔体的顶端密封连接。

进一步的，盖板上设置有第二通孔，第二通孔用于输入液体工质。

相较于现有技术，本发明具有如下技术效果：

本发明提出了一种层状堆叠结构的平板式微型环路热管，该环路热管包括：上端开口的中空壳体，中空壳体内部从下到上依次设置有蒸发器与储液腔，蒸发器包括位于底端的受热面，设置于受热面上方的加热齿与蒸汽室，设置于加热齿与蒸汽室上方的毛细芯层，储液腔包括由毛细芯层的顶面、中空壳体的侧壁与位于中空壳体上方的盖板形成的空腔。上述环路热管通过设计为层状堆叠结构，实现了蒸发器和储液腔的紧密一体化集成，能够充分利用外部热量驱动工质进行输运，不需要额外能量输入，同时最大化地简化了工质输运途径，使工质均匀分布于毛细芯表面，能够实现对储液腔工质的预加热，充分发挥了环路热管技术所具有的主要技术优势，从而易于实现环路热管的微小型化。

附图说明

图1为本发明实施例提出的一种层状堆叠结构的平板式微型环路热管的主视图；

图2为本发明实施例提出的一种层状堆叠结构的平板式微型环路热管的俯视示图；

其中：1、中空壳体；11、侧壁；2、蒸发器、21、受热面；22、加热齿；23、蒸发室；24、毛细芯层；25、蒸汽槽道；26、第一通孔；3、储液器；31、盖板；32、空腔；33、第二通孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

如图1所示，本发明实施例提出了一种层状堆叠结构的平板式微型环路热管，该环路热管包括：上端开口的中空壳体1，中空壳体1内部从下到上依次设置有蒸发器2与储液腔3，蒸发器2包括位于底端的受热面21，设置于受热面21上方的加热齿22与蒸汽室23，设置于加热齿22与蒸汽室23上方的毛细芯层24，储液腔3包括由毛细芯层的顶面、中空壳体的侧壁11与位于中空壳体上方的盖板31形成的空腔32。

其中，中空壳体1包括周向设置的侧壁11与位于侧壁11一端的底壁，形成上端开口的壳体，中空壳体1内部从下到上依次设置有蒸发器2与储液腔3，形成层状堆叠结构。

上述平板式微型环路热管通过设计为层状堆叠结构，使蒸发器和储液腔一体化集成，省去了隔离蒸发器和储液器的隔板，使得蒸发器和储液器的集成度更高，同时避免储液器被外部热源直接加热导致的漏热问题，进而更加充分地利用环路热管空间进行传质传热，充分发挥了环路热管技术所具有的主要技术优势，从而易于实现环路热管的微小型化。

蒸发器2包括位于底端的受热面21，设置于受热面21上方的加热齿22与蒸汽室23，设置于加热齿22与蒸汽室23上方的毛细芯层24，从上到下形成层状堆叠结构。采用层状堆叠布局的蒸发器2，能够优化工质流动路径，回流的液态工质可直接进入毛细芯，所需经过路径大幅缩短，有助于降低侧壁导热效应引起的系统运行不稳定问题。同时相变生成的气态工质导出不需要再经过蛇形蒸汽槽道，能够大幅降低气态工质流动阻力，直接提升环路热管泵浦能力

优选的，受热面21设置于中空腔体1的底面，用于接收外部热量。

优选的，加热齿22平行且均匀分布于受热面21上，相邻加热齿22具有一定间隔并形成蒸汽槽道，加热齿22的形状为直线型。

优选的，蒸汽室23设置于蒸汽槽道的另一端，用于将液体工质相变后转化的气体工质进行输出。

优选的，蒸汽室23上设置有第一通孔26，第一通孔26用于输出气态工质。第一通孔26的孔径与位置可依实际情况而具体设定。

优选的，毛细芯层24固定于中空壳体1的侧壁，毛细芯层24的底面与加热齿22的顶面相接触，使用毛细芯与加热齿直接接触形成蒸汽槽道，在毛细芯浸液情况下能够利用毛细芯表面微液膜实现蒸汽槽道的全密封，进而确保蒸汽槽道对气态工质具有约束力。

优选的，毛细芯层24采用复合结构，其中的毛细芯的孔径从上到下依次减小，远离加热齿的毛细芯的孔径较大，靠近加热齿的毛细芯的孔径较小，从而提高液态介质在毛细芯层中发生相变的速度，使液态工质彻底转化为气体工质。

优选的，蒸汽槽道25的长度小于中空腔体的长度，使得蒸汽槽道与加热齿不完全覆盖受热面，其中蒸汽室设置于蒸汽槽道的一端且与蒸汽槽道处于同一平面上。

优选的，蒸汽槽道的一端固定于中空腔体的侧壁，蒸汽室设置于蒸汽槽道的另一端。

优选的，蒸汽槽道的形状为直线。

上述蒸汽槽道具有如下优势：a.蒸汽槽道结构简单，均为单向均匀直线结构，气态工质流阻较低；b.多蒸汽槽道并联可有效防止单一槽道阻塞导致系统整体失效的情况，因此具有更高的可靠性；c.蒸汽槽道的长度均较短，可有效降低槽道出口处的蒸汽流速，避免触发声速极限，提升整体效能；d.对于小型环路热管而言，并联蒸汽槽道结构能够更加充分地利用蒸发器内部空间，因此能够在相同尺寸下具有更强的泵浦能力；e.并联结构以及蒸汽室能够实现不同蒸汽槽道内部压力分布的自平衡，进而实现毛细芯表面液态工质表面张力分布、液膜曲率以及相变效率的自平衡，避免蛇形结构下由于压力传导不均匀导致的毛细芯相变分布不均匀，平衡毛细芯表面相变过程分布，抑制系统输出特性振荡。

优选的，第一通孔26用于输出相变产生的位于蒸汽室内的气态工质。

如图2所示，本发明彩云翻转倒弯月面型蒸发器结构，其具有如下有事：a.系统运行仅需毛细芯表面液态工质处于过热状态，启动更为容易；b.毛细芯表面液态工质具有最高的过热度，并且其吸收的热量会在第一时间转化为潜热推动工质相变，并随气态工质一同流出，因此能够有效降低毛细芯内部液态工质的过热度，缓解背向加热效应；c.液态工质相变集中与毛细芯表面，正常情况下不会出现蒸汽气泡阻塞工质流通回路的情况；d.气态工质可进一步吸收热量发生膨胀，能够同时提升系统散热能力和泵浦能力；e.能够利用液态工质的重力作用推动工质流动，避免气态工质倒灌毛细芯结构，因此具有更高的可靠性。

储液器3包括由毛细芯层的顶面、中空壳体的侧壁11与位于中空壳体上方的盖板31形成的空腔32，设置于蒸发器2的上方，用于封闭的空腔，以存储液态工质并使液态工质与毛细芯层接触，使液态工质能够渗透到毛细芯层中并发送相变。

优选的，盖板31与中空腔体的顶端密封连接。具体的密封连接形式可以为密封圈密封、胶黏剂密封或螺纹密封，在此不做限定。

优选的，第二通孔33设置于盖板上，用于输入液体工质。

上述微型环路热管的工作原理是：当受热面受热，外部热量通过加热齿传输至毛细芯下表面，进而加热毛细芯下表面处的液态工质。液态工质吸收潜热发生相变，并进入蒸汽槽道。蒸汽槽道中的气态工质能够进一步吸收热量，从而提高系统散热效率。气态工质沿蒸汽槽道传输汇入蒸汽室，并经由蒸汽室通孔排出。气态工质在泵浦结构之外经过冷凝还原成为液态工质，并在泵浦作用下经过盖板通孔回流至储液腔。储液腔中的液态工质在重力作用下均匀分布在毛细芯上表面，使得毛细芯中的传质过程同样均匀分布。在重力和毛细力双重作用下，液态工质在毛细芯中向下输运，到达毛细芯下表面，以此循环。

综上，本发明提出了一种层状堆叠结构的平板式微型环路热管，该环路热管包括：上端开口的中空壳体，中空壳体内部从下到上依次设置有蒸发器与储液腔，蒸发器包括位于底端的受热面，设置于受热面上方的加热齿与蒸汽室，设置于加热齿与蒸汽室上方的毛细芯层，储液腔包括由毛细芯层的顶面、中空壳体的侧壁与位于中空壳体上方的盖板形成的空腔。上述环路热管通过设计为层状堆叠结构，实现了蒸发器和储液腔的紧密一体化集成，能够充分利用外部热量驱动工质进行输运，不需要额外能量输入，同时最大化地简化了工质输运途径，使工质均匀分布于毛细芯表面，能够实现对储液腔工质的预加热，充分发挥了环路热管技术所具有的主要技术优势，从而易于实现环路热管的微小型化。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种层状堆叠结构的平板式微型环路热管，其特征在于，所述环路热管包括：上端开口的中空壳体，所述中空壳体内部从下到上依次设置有蒸发器与储液腔，所述蒸发器包括位于所述中空壳体内部底端的受热面，设置于所述受热面上方的加热齿与蒸汽室，设置于所述加热齿与所述蒸汽室上方的毛细芯层，所述储液腔包括由所述毛细芯层的顶面、所述中空壳体的侧壁与位于所述中空壳体上方的盖板形成的空腔。

2.如权利要求1所述的层状堆叠结构的平板式微型环路热管，其特征在于，所述加热齿平行且均匀分布于所述受热面上，相邻所述加热齿之间形成蒸汽槽道。

3.如权利要求2所述的层状堆叠结构的平板式微型环路热管，其特征在于，所述蒸汽槽道的长度小于所述中空腔体的长度。

4.如权利要求2所述的层状堆叠结构的平板式微型环路热管，其特征在于，所述蒸汽槽道的形状为直线。

5.如权利要求2所述的层状堆叠结构的平板式微型环路热管，其特征在于，所述蒸汽槽道的一端固定于所述中空腔体的侧壁，所述蒸汽室设置于所述蒸汽槽道的另一端。

6.如权利要求5所述的层状堆叠结构的平板式微型环路热管，其特征在于，所述蒸汽室设置有第一通孔，所述第一通孔用于输出气态工质。

7.如权利要求1所述的层状堆叠结构的平板式微型环路热管，其特征在于，所述毛细芯层固定于所述中空壳体的侧壁，所述毛细芯层的底面与所述加热齿的顶面相接触。

8.如权利要求1所述的层状堆叠结构的平板式微型环路热管，其特征在于，所述毛细芯层中毛细芯的孔径从上到下依次减小，远离所述加热齿的所述毛细芯的孔径大于靠近所述加热齿的所述毛细芯的孔径。

9.如权利要求1所述的层状堆叠结构的平板式微型环路热管，其特征在于，所述盖板与所述中空腔体的顶端密封连接。

10.如权利要求1所述的层状堆叠结构的平板式微型环路热管，其特征在于，所述盖板上设置有第二通孔，所述第二通孔用于输入液体工质。