CN109883229B - 一种实现滴状凝结的热管结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现滴状凝结的热管结构，包括上端开口的外管、吸液芯、内管和冷却装置，吸液芯设置在外管内壁，内管插入到外管内且上端与外管密封连接，内部吸液芯与内管外表面间保持空隙，冷却装置插入到内管内部。本发明中既利用了膜状凝冷凝强化换热模式，也利用了具有更高散热效率的滴状冷凝强化换热模式，能够实现比现有只有膜状凝结强化换热模式的热管具有跟高的散热效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种实现滴状凝结的热管结构，属于热管技术领域。
背景技术
随着“中国制造2025”的提出，国家将会推动中国制造在十大领域里面的重大发展，尤其是在新一代信息产业、航空航天装备、节能以及新能源汽车等领域等取得重大技术突破。而新一代信息产业中的大数据存储、大数据计算等对高性能集成电路，CPU等提出了更高的要求。大数据存储以及计算处理的过程中，将会产生大量热量，且研究表面有超过55%的电子器件的损坏都是由于温度过高造成的。航空航天装备在太空的运行过程中，也会产生大量的热量，其中电子器件对维持卫星等装备的正常运行具有重要作用，一旦出现电子器件温度过高而导致性能下降及损坏将造成的损失巨大。随着人类的不断发展与进步，人类懒以生存的自然环境已经到了灾难边缘，因此，人类对环境保护的呼声越来越高，导致新能源汽车应运而生。目前在新能源汽车等领域，主要通过电能提供动力，即充电型电池与燃料电池、化学电池等。电池在工作过程中会造成大量热的产生。燃料电池分布的不均匀与温度过高都会造成膜破裂或者燃料电池性能下降甚至破坏。因此急需要先进的热管理措施，为“中国制造2025”中的新一代信息产业、航空航天装备、节能以及新能源汽车等领域的电子器件提供可靠的热管理措施。目前在电子器件等领域，热管已被广泛用于散热。
目前传统的热管由璧壳及吸液芯组成，吸液芯的作用为提供工质流动的通道及动力。热管工作时，蒸发段受热，使工质蒸发经绝热段到达冷凝段，气态工质在冷凝段遇冷凝结后形成膜状凝结，在吸液芯毛细力的驱动下回流至蒸发段，并继续蒸发从而形成循环实现热量传递。但目前传统的热管主要为膜状凝结的强化传热模式。即工质蒸发后到达冷凝段，在冷凝段表面会形成液膜，热量只有在液膜中进行热传导才能释放到空气中，因液膜传热热阻较大，且整个冷凝表面被液膜所覆盖，因此传热效率较低，难以满足电子器件大功率化及微型化发展的需要。滴状凝结在冷凝表面形成凝结的过程中，会在表面形成液滴，除了被液滴覆盖的冷凝表面需要通过导热来进行传热外，未被液滴覆盖的表面会通过对流换热进行传热，所以其传热系数为膜状传热系数的15-20倍。而目前所使用的热管主要为膜状凝结传热模式，滴状凝结在热管的应用确并没有涉及。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种实现滴状凝结的热管结构，以解决上述现有技术中存在的问题。
本发明采取的技术方案为：一种实现滴状凝结的热管结构，包括上端开口的外管、吸液芯、内管和冷却装置，吸液芯设置在外管内壁，内管插入到外管内且上端与外管密封连接，内部吸液芯与内管外表面间保持空隙，冷却装置插入到内管内部。
优选的，上述冷却装置采用冷凝管道，冷凝管道以单螺旋形、交叉的螺旋形或蛇形的形式插入内管且与内管内表面直接接触，并在内管填充导热硅脂层。
优选的，上述热管截面为圆形管状或方形管状。
优选的，上述吸液芯结构为粉末、丝网、槽道或粉末、丝网、槽道的组合形式。
优选的，上述内管外表面设置有工质流动的主通道，主通道结构为直通道、分形通道或蛇形通道。
优选的，上述主通道槽宽从上到下逐渐变窄。
优选的，上述设置的主通道围成有凸台，凸台上设置有能实现梯滴状凝结的梯度功能的表面微结构，表面微结构为从上到下变大的表面结构。
优选的，上述内管上端设置有外凸的密封环端面，密封环端面下侧设置有功能梯度表面。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：
（1）本发明热管工作时，热管内的工质蒸发后会在热管外壁的形成膜状凝结，并在吸液芯的作用下回流至蒸发段，达到散热的目的。同时，蒸发的工质还会到达内管的外表面，将会形成滴状凝结，并在内管外表面的梯度功能表面及主通道的作用下回流至蒸发段，实现散热的目的，能实现高导热性的滴状凝结传热模式，与传统的基于膜状凝结的热管相比，具有更高强化传热效率，通过对表面进行梯度表面的制备，能够实现工质蒸发后的滴状凝结，并在吸液芯结构下进行高效运输，具有高传热特性；
（2）通过外管内壁面的吸液芯以及内管外壁面的梯度功能表面实现对冷凝工质的运输能够有效提高运输的效率，同时在外管内壁面的吸液芯形成膜状凝结，在内管的外壁面形成滴状凝结，由于滴状凝结的强化换热系数是膜状凝结强化换热系数的几十倍，因此通过膜状凝结与滴状凝结两种强化换热模式的组合，能够实现比现有热管更高的散热效率，同时通过本发明的设计，能够实现热管壁面的基于滴状冷凝强化换热的梯度功能表面的加工，克服了在热管内壁面难以加工梯度功能表面的难题，且成本低廉，加工方法简单，易于实现；
（3）本发明中通过外管内表面吸液芯和内管外表面梯度功能表面实现凝结后的工质的回流，相比单一吸液芯的回流，回流速度更快，从而能够进一步提高热管的散热效率，提高热管在轴向的温度均匀性，减小热管因热流密度较高导致的蒸发段工质“蒸干”现象的发生；
（4）本发明中通过冷凝装置对内管冷凝段进行冷凝，进一步加速了热管中内管外表面的滴状凝结速率，使热管的散热效率进一步提高，同时在使用过程中，热管中外管的外表面安装有散热片加速外管吸液芯膜状凝结的形成，使热管的散热效率得到较大提升；
（5）本发明中通过内管与外管套装来形成热管，易于在内管外表面加工微纳结构形成梯度功能表面，实现具有高效散热的滴状冷凝强化换热模式，能够克服难以在热管内表面加工微纳结构形成梯度功能表面的缺点，因此成本更加低廉，且相较于在热管内表面加工微纳结构更易于操作。
附图说明
图1是本发明的结构拆分示意图；
图2是本发明的结构拆分局部放大示意图；
图3是本发明的内管结构示意图；
图4是本发明的内管结构刨视图；
图5是本发明冷却装置与内管变为蛇形冷却装置与长管状内管示意图；
图6是图5的A部放大结构示意图；
图7是本发明的内管表面微结构放大结构示意。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
自然界中的蜘蛛丝能够通过滴状凝结的形式快速吸收空气中的水分，并实现远距离的直线运输供蜘蛛生存所需。蜘蛛丝是一种经亿万年进化而形成的一种优异的吸水及远距离输运结构，其工作及运输原理与热管的工作原理极为相似。受自然界蜘蛛丝对空气中水分的吸收并通过远距离运输供蜘蛛生存的启发，本发明拟通过模仿蜘蛛丝的结构实现热管冷凝模式的转换，提高热管的传热效率。
实施例1：如图1-图7所示，一种实现滴状凝结的热管结构，热管将其划分为三段，即蒸发段、隔热段与冷凝段，包括上端开口下端密封的外管4、吸液芯3、上端开口下端密封的内管2和冷却装置1，吸液芯3设置在外管4内壁，内管2插入到外管4内且上端与外管4密封连接，内部吸液芯3与内管2外表面间保持蒸汽流动的空隙，内管外表面为蜘蛛丝的滴状凝结表面，基于吸水蜘蛛丝结构及原理制作，该空隙为吸液芯与内管的径向距离为工质蒸发后的气态工质流动通道，冷却装置1插入到内管2内部，热管工作时，热管内的工质蒸发后会在热管外壁的形成膜状凝结，并在吸液芯的作用下回流至蒸发段，达到散热的目的，同时，蒸发的工质还会到达内管的外表面，将会形成滴状凝结，并在内管外表面的梯度功能表面及主通道的作用下回流至蒸发段，实现散热的目的，。
优选的，上述冷却装置1采用冷凝管道，冷凝管道以单螺旋形、交叉的螺旋形或蛇形的形式插入内管2且与内管2内表面直接接触，并在内管填充导热硅脂层，减小冷凝装置与内管之间的接触热阻，以实现内管的高效冷凝。
优选的，上述热管截面为圆形管状或方形管状，内管2为圆管状、圆锥状或长条状，优选为圆管状，传热性能更好。
优选的，上述吸液芯3结构为粉末、丝网、槽道或粉末、丝网、槽道的组合形式。
优选的，上述内管2外表面设置有工质流动的主通道5，主通道5结构为直通道、分形通道或蛇形通道。
优选的，上述主通道5槽宽从上到下逐渐变窄，能够将滴状凝结所形成的水分经运输到达蒸发段。
优选的，上述设置的主通道5围成有凸台6，凸台6上设置有能实现梯滴状凝结的梯度功能的表面微结构，表面微结构为从上到下变大的表面结构，如图7所示，通过激光雕刻、化学腐蚀等加工工艺方便地在内管的外表面加工出实现滴状凝结换热的微结构，能够克服难以在热管内表面加工梯度功能表面的问题，采用表面微结构，在凸台表面形成滴状凝结，并在梯度表面能的作用下进行运输。
优选的，上述内管2上端设置有外凸的密封环端面，密封环端面下侧设置有功能梯度表面，功能梯度表面的结构为中心到边缘的表面能逐渐降低的结构，密封环端面密封焊接在外管1上端，功能梯度表面结构，能够实现滴状凝结，同时与外管的吸液芯直接接触，通过吸液芯可以实现液滴的运输并回流至蒸发段，也可在内管外表面梯度表面结构的作用下回流至蒸发段。
本发明的该新型热管，由外管、外管吸液芯、内管以及冷凝装置组成，通过在外管内壁烧结吸液芯，将内管套装在外管内，并在外管与内管之间留有蒸汽流动的空间，将内管与外管进行直接焊接形成完整的热管。在内管外表面加工有直槽道、蛇形槽道以及分形槽道等，在槽道所围成的凸台表面加工有梯度功能表面。使在从上到下变大表面能逐渐降低，并在凸台表面形成滴状凝结，并在梯度表面能的作用下进行运输。内管的内表面直接与冷凝装置进行接触，对冷凝段进行冷却。该热管能够实现膜状和滴状两种换热模式，同时，凝结后的液态工质能够在外管内表面的吸液芯以及内管外表面的梯度功能表面上的作用进行回流，能够加速工质的回流以增强热管轴向的温度均匀性，同时防止蒸发端工质“蒸干”的现象发生。通过实现内管和外焊接安装，能够通过激光雕刻、化学腐蚀等加工工艺方便地在内管的外表面加工出实现滴状凝结换热的微结构，能够克服难以在热管内表面加工梯度功能表面的问题，且加工成本低廉、工艺简单并易于实现。且适合大功率、高热流密度的散热需求，具有广阔的应用前景。
综上所述，本发明的优点如下：
（1）本发明中既利用了膜状凝冷凝强化换热模式，也利用了具有更高散热效率的滴状冷凝强化换热模式，能够实现比现有只有膜状凝结强化换热模式的热管具有跟高的散热效率。热管中的工质蒸发后将会在外管内壁的吸液芯结构当中形成膜状凝结并在吸液芯的毛细力作用下回流至蒸发段并继续蒸发形成循环，同时蒸发后的工质也会在内管外表面形成滴状凝结，形成的滴状凝结在梯度功能表面的作用下回流至主通道，再回流至蒸发段，形成循环。因此本发明中的工质能够通过吸液芯及梯度功能表面两种方式实现回流，因此与现有单一的通过吸液芯回流方式回流的热管相比，具有更高的散热效率。
（2）本发明中通过内管与外管套装来形成热管，易于在内管外表面加工微纳结构形成梯度功能表面，实现具有高效散热的滴状冷凝强化换热模式，能够克服难以在热管内表面加工微纳结构形成梯度功能表面的缺点，因此成本更加低廉，且相较于在热管内表面加工微纳结构更易于操作。
（3）本发明中通过外管内表面吸液芯和内管外表面梯度功能表面实现凝结后的工质的回流，相比单一吸液芯的回流，回流速度更快，从而能够进一步提高热管的散热效率，提高热管在轴向的温度均匀性，减小热管因热流密度较高导致的蒸发段工质“蒸干”现象的发生。
（4）本发明中通过冷凝装置对内管冷凝段进行冷凝，进一步加速了热管中内管外表面的滴状凝结速率，使热管的散热效率进一步提高，同时在使用过程中，热管中外管的外表面安装有散热片加速外管吸液芯膜状凝结的形成，使热管的散热效率得到较大提升。
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 (6)
1.一种实现滴状凝结的热管结构，其特征在于：包括上端开口的外管（4）、吸液芯（3）、内管（2）和冷却装置（1），吸液芯（3）设置在外管（4）内壁，内管（2）插入到外管（4）内且上端与外管（4）密封连接，内部吸液芯（3）与内管（2）外表面间保持蒸汽流动的空隙，冷却装置（1）插入到内管（2）内部，内管（2）外表面为蜘蛛丝的滴状凝结表面；内管（2）外表面设置有工质流动的主通道（5），主通道（5）结构为直通道、分形通道或蛇形通道；设置的主通道（5）围成有凸台（6），凸台（6）上设置有能实现梯滴状凝结的梯度功能的表面微结构，表面微结构为从上到下变大的表面结构，即梯形锥台。
2.根据权利要求1所述的一种实现滴状凝结的热管结构，其特征在于：冷却装置（1）采用冷凝管道，冷凝管道以单螺旋形、交叉的螺旋形或蛇形的形式插入内管（2）且与内管（2）内表面直接接触，并在内管填充导热硅脂层。
3.根据权利要求1所述的一种实现滴状凝结的热管结构，其特征在于：热管截面为圆形管状或方形管状。
4.根据权利要求1所述的一种实现滴状凝结的热管结构，其特征在于：吸液芯（3）结构为粉末、丝网、槽道或粉末、丝网、槽道的组合形式。
5.根据权利要求1所述的一种实现滴状凝结的热管结构，其特征在于：主通道（5）槽宽从上到下逐渐变窄。
6.根据权利要求1所述的一种实现滴状凝结的热管结构，其特征在于：内管（2）上端设置有外凸的密封环端面，密封环端面下侧设置有功能梯度表面。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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