CN109798795B - 一种双储液器平板环路热管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双储液器平板环路热管，涉及航天器及地面其它电子设备散热技术领域。该平板环路热管包括：蒸发器、冷凝器、两个储液器、蒸气管路和液体管路，蒸发器左右两侧各布置一个储液器；液体管路分为两个支路分别插入两个储液器中，将两个储液器连接起来。两个储液器共同向蒸发器内的毛细芯提供液体工质。双储液器可从两个方向向毛细芯进行供液，能够提升平板环路热管蒸发器长度从而增大有效吸热面积，同时能够在重力场或加速度场中适应不同方位。

Description

一种双储液器平板环路热管

技术领域

本发明涉及一种高效传热元件，具体涉及一种环路热管，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、优良的控温特性和管路的可任意弯曲、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、蒸气管路和液体管路。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路流向冷凝器，在冷凝器中释放热量给热沉冷凝成液体，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。

毛细芯是环路热管蒸发器的核心部件，其主要作用如下：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。

对于传统的单储液器环路热管，当储液器处于蒸发器下方时，液体无法对主毛细芯供液，影响了环路热管的运行。

对于左右结构的平板环路热管(储液器和蒸发器处于同一水平面上左右结构)的发展目前也存在储液器在下时供液困难的问题，此外，左右结构的形式和蒸发器的厚度限制，储液器向毛细芯的供液阻力较大，导致蒸发器的长度受到限制。两个技术问题详述如下：

(1)蒸发器和储液器的方位受到重力场或加速度的影响。对于单储液器的平板环路热管，当储液器处于蒸发器下方时，液体会聚集在储液器下方，液体无法对主毛细芯进行有效供液，其逆重力工作能力及经受加速度值的大小受到了限制。

(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。目前的主要问题是蒸发器的长度受到限制(由于不存在供液问题，蒸发器宽度未受到限制),蒸发器太长时,储液器内液体工质流至蒸发器出口端的毛细芯需克服的阻力太大，阻力的增大将导致传热能力的下降。长度受到限制后,吸热面面积不能做到很大，对实际使用造成困难。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种双储液器平板环路热管，能够提升平板环路热管蒸发器长度从而增大有效吸热面积，同时能够在重力场或加速度场中适应不同方位。

所述的双储液器平板环路热管，包括：蒸发器、冷凝器、储液器、蒸气管路以及液体管路；在所述蒸发器的两侧各布置一个储液器，所述液体管路分为两个支路分别插入两个储液器中，将两个储液器连接起来；两个所述储液器从两个方向共同向中间蒸发器内的毛细芯提供液体工质。

所述蒸发器内部的毛细芯包括：蒸发芯和传输芯；所述蒸发芯一侧设置有蒸气槽道，另一侧布置传输芯；

所述蒸气槽道包括两个以上横向槽道和一个以上纵向槽道，所述纵向槽道分别与两个以上横向槽道贯通；且所述纵向槽道与所述蒸气管路相连；所述蒸发芯设置有蒸气槽道一侧与蒸发器的内壁面贴合；

所述传输芯左右两端分别与两个储液器连通，两个储液器中的液体工质通过所述传输芯传输至所述蒸发芯。

所述液体管路插入所述储液器内的位置靠近所述储液器与蒸发器相连的一侧。

所述液体管路伸入到所述储液器内部中间位置。

有益效果：

(1)双储液器可从两个方向向毛细芯进行供液，解决了蒸发器长度方向过长引起的毛细芯内工质流阻增大的问题，可将蒸发器有效吸热长度增大一倍，实现更大面积的吸热面。

(2)在重力场或加速度场中，双储液器结构可以实现任意姿态下的有效供液，解决单储液器蒸发器在储液器处于下方时出现的供液困难问题。

附图说明

图1为背景技术中所述的环路热管的组成结构示意图；

图2为本发明的环路热管中蒸发器和储液器的结构示意图(仰视图)；

图3为蒸发器截面图；

图4为毛细芯结构示意图；

图5为蒸发芯上蒸汽槽道的布置示意图；

图6为传输芯的结构示意图；

图7和图8为两种不同的储液器结构示意图；

图9为双储液器在任意姿态实现对毛细芯从两个方位进行供液的示意图；

图10为蒸发器的一种成型工艺流程示意图；

图11为蒸发器的另一种成型工艺流程示意图。

其中：1-储液器A，2-储液器B，3-蒸发器，4-毛细芯，5-液体管路，6-蒸气管路，7-蒸气槽道，8-蒸发芯，9-传输芯，10-横向槽道，11-纵向槽道，12-加强筋，13-密封芯，14-隔热芯，15-金属烧结毡或丝网，16-蒸发器壳体，17-横向蒸汽槽道工装，18-限位工装，19蒸发芯前端，20-蒸发芯后端

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。

实施例1：

本实施例提供一种双储液器的平板环路热管，能够解决蒸发器和储液器的方位受到重力场或加速度的影响以及蒸发器的长度受到导致有效吸热面积小的问题。

该平板环路热管包括：蒸发器3、冷凝器、两个储液器、蒸气管路和液体管路5，其中冷凝器与传统平板环路热管结构相同，蒸发器3和储液器的结构如图2所示，蒸发器3中间部分为毛细芯4，蒸发器3左右两侧各布置一个储液器，分别为储液器A1和储液器B2；液体管路5分为两个支路分别插入两个储液器中，将两个储液器连接起来。两个储液器共同向蒸发器3内的毛细芯提供液体工质。蒸气管路6布置在蒸发器3中部，在蒸发器3内部设置有多个与蒸气管路6连通的蒸气槽道7，通过蒸气管路6将蒸气槽道7收集的蒸气导出。

其中蒸发器3的壳体为金属材料，如不锈钢、铜、钛合金等，为长方体或近似长方体腔体，内部可设计加强筋以提高蒸发器壳体对正压工质的承压能力，如图3所示。

如图4和图5所示，蒸发器3内部的毛细芯4包括：蒸发芯8和传输芯9，蒸发芯8一侧设置有蒸气槽道7，另一侧布置高渗透率的传输芯9。其中蒸发芯8使用高导热的小粒径粉末烧结或压制而成，如铜、镍等；令两个储液器所在方向为横向，竖直方向为纵向；蒸气槽道7包括多个横向槽道10和至少1个纵向槽道11，纵向槽道11分别与多个横向槽道10贯通，蒸发芯9设置有蒸气槽道7一侧与蒸发器3的内壁面贴合，使用时，蒸发器该侧外壁面与发热设备(热源)贴合，用于吸收设备热量，使毛细芯4内的液体吸收热量蒸发变成蒸气，通过蒸气槽道7流向蒸气管路。

如图6所示，传输芯9设置在蒸发芯8蒸汽槽道所在侧的相对侧，两个储液器中的液体工质通过传输芯9传输至蒸发芯8，传输芯9用于降低从储液器向蒸发芯8液体传输的流阻。传输芯9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，也可以选用低导热的大粒径粉末烧结或压制而成。传输芯9内部可设置加强筋12提高对正压工质的承压能力。

储液器为金属材料的容器，一方面实现对毛细芯4的供液，另一方面用以适应不同工况下回路内气液分布变化、不同温度引起液体体积变化。两个储液器分别布置在蒸发器3的两侧，可以从两个方向向中间的毛细芯4供液，相比相同尺寸蒸发器的单储液器结构，其液体传输路径减小一半，阻力减小一半，也即意味着传输能力能得到提升。如图7和图8所示，储液器可以为和蒸发器3外形相同为平板型腔体(可设计内部加强筋12)，也可以为圆柱形腔体(与蒸发器接口处可设计内部加强筋)。

液体管路5为金属或其它材料管路，液体管路5将回流的液体工质引入到两个储液器，同时实现两个储液器的连通，液体可以在两个储液器之间进行自行调配和转移。两个储液器的连通十分重要，在重力场或加速度场中，不同的姿态下，液体工质需在两个储液器间自行调配以实现对毛细芯的最佳供液效果，如图9所示。为达到最佳的液体调配效果，应靠近毛细芯(即液体管路5进入储液器的位置靠近储液器与蒸发器相连的一侧)，且液体管路5伸入到储液器内中部。

蒸气管路6为金属或其它材料管路，蒸气管6将蒸发器3内产生的蒸气导向冷凝器。蒸气管路的位置应接近毛细芯的纵向蒸气槽道区域，以减小蒸气在蒸发器内的流动阻力。

实施例2：

在上述实施例1的基础上，本实施例给出蒸汽器3的一种具体结构形式及其加工工艺。

本实施例中的蒸发器3包括：蒸发器壳体、蒸发芯8、传输芯9、密封芯13和隔热芯14，其中传输芯9采用金属烧结毡或丝网，由于在蒸发器3的左右两侧均设置有储液器，该蒸发器为左右对称结构。传输芯9从左往右贯穿整个蒸发器壳体，传输芯9一侧端面与蒸发器壳体内壁面贴合，另一端端面从左往右依次为密封芯-隔热芯-蒸发芯-隔热芯-密封芯；蒸发芯8的一侧与传输芯9贴合，另一侧设置蒸汽槽道。且两侧密封芯与蒸发器壳体内壁面间有间隙。

隔热芯14的作用是阻断或减小蒸发器3向储液器的漏热，同时不增大液体由储液器向蒸发器3的流阻，隔热芯14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14可以为松散状态，也可以烧结或压制成型。

密封芯13作用是将松散状态的隔热芯14粉末密封在蒸发芯与密封芯13之间，若隔热芯14成型后自身具有强度时，则不需要密封芯13。当隔热芯14为松散状态时，则需要密封芯13。采用金属烧结毡或丝网作为传输芯9时，密封芯13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。

制备该蒸汽器所用原材料包括：蒸发器壳体、金属烧结毡或丝网、隔热芯所需粉末、密封粉体、蒸发芯所需粉末、横向蒸气槽道工装(金属丝)，且金属编制网或毛毡直接贯通蒸发器，其成型工艺如图10所示：

(1)在限位工装上的凹槽内竖直放置横向蒸气槽道工装(金属丝)，然后在限位工装的凹槽内插入用做传输芯9的金属编制网或金属毛毡，并将蒸发器壳体安装在限位工装上，蒸气槽道工装和金属编制网或金属毛毡位于蒸发器壳体内部，分别与蒸发器壳体内部两相对面贴合，且金属编制网或金属毛毡两端均伸出蒸发器壳体，如图10A所示；

(2)将蒸发芯所用粉末填入蒸发器壳体内，没过横向蒸汽槽道工装4mm，操作过程中每填充1g，对蒸发芯所用粉体施压一次，每次施加压力为50～80MPa/cm²，形成蒸发芯，如图10B所示；

(3)取下横向蒸汽槽道工装，如图10C所示；

(4)将隔热芯所需粉末按设计要求均匀紧实的灌入蒸发器壳体内，并均匀震实，形成厚度为2～5mm的隔热芯，如图10D所示；

(5)将密封粉体填入蒸发器壳体，厚度为3mm，并施加50～80MPa/cm2的压力，形成密封芯，如图10E所示；

(6)将半成品蒸发器掉转180度，安装在限位工装上，如图10F所示，此时隔热芯和密封芯所在端插入限位工装的凹槽内；

(7)将蒸发芯另一侧按步骤(4)和(5)进行隔热芯所需粉末和密封粉体的填充，如图10G所示，从而在蒸发芯另一侧设置隔热芯和密封芯；

(8)将蒸发器横向蒸汽槽道所在侧的蒸发芯段打孔，该孔贯穿所有横向蒸汽槽道，该孔用作连通横向蒸汽槽道的纵向蒸汽槽道，如图10H所示；

(9)若粉体(隔热芯所需粉末、密封粉体、蒸发芯所需粉末)需要烧结则将上述装配好整体放入高温炉内，施压工装顶部放至重物，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；

(10)整体脱模，得到蒸发器。

实施例3：

在上述实施例1的基础上，本实施例给出蒸汽器3的另一种具体结构形式及其加工工艺。

本实施例中的蒸发器与实施例2中的蒸发器的结构相同，但采用了不同的加工工艺，本由于蒸发器为左右对称结构，实施例中将蒸发器分为两半，各自加工后再对接，如图11所示。

制备该蒸汽器所用原材料包括：蒸发器壳体、金属烧结毡或丝网、隔热芯所需粉末、密封粉体、蒸发芯所需粉末、横向蒸气槽道工装(金属丝)，且金属编制网或毛毡不贯通蒸发器，其成型工艺为：

(1)在限位工装上的凹槽内竖直放置横向蒸气槽道工装(金属丝)，然后将蒸发器壳体(加强筋和壳体为一体式结构)安装在限位工装上，使横向蒸气槽道工装均位于蒸发器壳体内部，且横向蒸气槽道工装与壳体一侧端面贴合，如图11A所示；

(2)将蒸发芯所用粉体填入蒸发器壳体内，粉体填充厚度为5mm，加压90-120MPa，形成蒸发芯前端，如图11B所示；

(3)将金属烧结毡或丝网裁剪至与蒸发器壳体内壁合适尺寸后，插入蒸发器壳体内，并与横向蒸气槽道工装相对侧贴合，作为传输芯，如图11C所示；

(4)继续向蒸发器壳体内填入蒸发芯所需粉末，直至其与横向蒸气槽道工装顶部齐平，形成蒸发芯后端，如图11D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11E所示；

(6)将密封粉体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11F所示；

(7)按上述步骤(1)-(6)再加工一个蒸发器；

(8)将两个蒸发器蒸汽出口端对接，并在侧面蒸发芯段打孔，孔贯穿所有横向蒸汽槽道，作为纵向蒸汽槽道，如图11G所示；

(9)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；

(10)整体脱模，得到蒸发器；

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种双储液器平板环路热管，包括：蒸发器(3)、冷凝器、储液器、蒸气管路以及液体管路(5)；其特征在于：在所述蒸发器(3)的两侧各布置一个储液器，所述液体管路(5)分为两个支路分别插入两个储液器中，将两个储液器连接起来，液体能够在两个储液器之间进行自行调配和转移；两个所述储液器从两个方向共同向中间蒸发器(3)内的毛细芯(4)提供液体工质；

所述液体管路(5)插入所述储液器内的位置靠近所述储液器与蒸发器(3)相连的一侧。

2.如权利要求1所述的双储液器平板环路热管，其特征在于：所述蒸发器(3)内部的毛细芯(4)包括：蒸发芯(8)和传输芯(9)；所述蒸发芯(8)一侧设置有蒸气槽道(7)，另一侧布置传输芯(9)；

所述蒸气槽道(7)包括两个以上横向槽道(10)和一个以上纵向槽道(11)，所述纵向槽道(11)分别与两个以上横向槽道(10)贯通；且所述纵向槽道(11)与所述蒸气管路相连；所述蒸发芯(9)设置有蒸气槽道(7)一侧与蒸发器(3)的内壁面贴合；

所述传输芯(9)左右两端分别与两个储液器连通，两个储液器中的液体工质通过所述传输芯(9)传输至所述蒸发芯(8)。

3.如权利要求1所述的双储液器平板环路热管，其特征在于：所述液体管路(5)伸入到所述储液器内部中间位置。

4.如权利要求1或2所述的双储液器平板环路热管，其特征在于：所述储液器为和所述蒸发器(3)外形相同为平板型腔体或为圆柱形腔体。

5.如权利要求2所述的双储液器平板环路热管，其特征在于：所述毛细芯(4)还包括隔热芯(14)，所述传输芯(9)从左往右贯穿整个蒸发器；所述蒸发芯(8)的左右两侧各设置一个隔热芯(14)；所述隔热芯(14)用于阻断所述蒸发器(3)向储液器漏热。

6.如权利要求5所述的双储液器平板环路热管，其特征在于：所述毛细芯(4)还包括密封芯(13)，在每个所述隔热芯(14)的端部设置一个用于密封所述隔热芯(14)的密封芯(13)，此时所述蒸发芯(8)所在层从左向右依次为：密封芯-隔热芯-蒸发芯-隔热芯-密封芯。

7.如权利要求2所述的双储液器平板环路热管，其特征在于：所述传输芯(9)采用金属烧结毡或丝网一体成型或采用低导热的大粒径粉末烧结或压制而成。

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