CN109990631A - 可双面加热的蒸发器及基于该蒸发器的平板环路热管 - Google Patents

可双面加热的蒸发器及基于该蒸发器的平板环路热管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及航天器及地面其它电子设备散热技术领域，具体涉及一种高效传热元件。一种可双面加热的蒸发器及基于该蒸发器的平板环路热管，所述蒸发器包括：蒸发器壳体、毛细芯；毛细芯包括：蒸发芯以及夹在蒸发芯中间位置的传输芯；蒸发芯的上下端面设有蒸气槽道；毛细芯设置在蒸发器壳体内部；其中，蒸气槽道与蒸发器壳体的上、下内壁面贴合，传输芯的一端突出于蒸发芯，且并位于储液器内。本发明解决了常规平板环路热管只可单面加热的技术问题，毛细芯采用上下两侧蒸发芯、中间传输芯的三明治结构，实现两侧提供大毛细力蒸发界面、内部实现低流阻液体传输的功能。

Description

可双面加热的蒸发器及基于该蒸发器的平板环路热管
技术领域
本发明涉及航天器及地面其它电子设备散热技术领域，具体涉及一种高效传热元件。
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，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。
对于常规的平板环路热管，只在蒸发器一侧有蒸气槽道，在该侧加热可以正常工作，在无蒸气槽道的对侧加热则会引起以下问题：
(1)对于单一毛细芯结构的平板环路热管，在蒸发器一侧带有蒸气槽道，可以在该侧加热。在无蒸气槽道的对侧加热时，由于毛细芯本身传热热阻的存在，会形成较大的蒸发器过热度。
(2)对于如图2所示的复合毛细芯结构的平板蒸发器，毛细芯的蒸发芯一侧有蒸气槽道，另一侧为传输芯。当在蒸发器的蒸气槽道侧加热时，环路热管可以有效工作；当在蒸发器的无蒸气槽道侧(传输芯侧)加热时，传输芯被加热，容易发生核态沸腾，产生蒸气将导致储液器向蒸发芯的供液中断。
在实际工程应用中，由于小型化、模块化设计需求，空间布局要求紧凑，会出现在两个发热器件中间布置吸热蒸发器的三明治式结构，此时蒸发器两侧都需要加热，对平板蒸发器提出新的技术需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种可双面加热的蒸发器，能够解决传统平板环路热管蒸发器非槽道侧加热引起的蒸发器过热度增大、传输芯容易发生核态沸腾引起的环路热管无法正常运行的问题。
所述的可双面加热的蒸发器，包括：蒸发器壳体和设置在所述蒸发器壳体内部的毛细芯；其特征在于：
所述毛细芯包括：蒸发芯以及夹在所述蒸发芯中间位置的传输芯；所述蒸发芯的上下端面分别设有一个以上蒸气槽道；
两端的所述蒸气槽道分别与所述蒸发器壳体的上、下内壁面贴合，所述传输芯的一端伸出所述蒸发芯与储液器连通。
使用时蒸发器的上下外壁面与发热设备贴合，用于吸收设备热量，毛细芯内的液体吸收热量蒸发变成蒸气，通过蒸气槽道流向蒸气管路；传输芯用于实现从储液器向蒸发芯的低流阻液体传输。
上述方案中，进一步的，毛细芯还包括：隔热芯以及密封芯；隔热芯以及密封芯设置在蒸发芯与储液器之间，其中隔热芯与蒸发芯的端面贴合；隔热芯采用低导热系数的大粒径粉末压结或烧结成型，或使用低导热系数毛毡、丝网或其它多孔材料，用于实现减小从毛细芯向储液器的漏热；密封芯用于有效的将隔热芯密封、成型。
上述方案中，具体的，蒸发器壳体采用金属材料，如不锈钢、铜、钛合金等，蒸发器壳体的结构为长方体或近似长方体腔体，内部设有加强筋A以提高蒸发器壳体对正压工质的承压能力。
蒸发芯使用高导热的小粒径粉末烧结或压制而成，如铜、镍等。
传输芯选用一体异型结构的大渗透率金属烧结毡、丝网，或者选用低导热的大粒径粉末烧结或压制而成。
此外，本发明提供一种基于可双面加热蒸发器的平板环路热管，包括：蒸发器、储液器、蒸气管路以及液体管路；所述蒸发器为可双面加热的蒸发器；
所述储液器设置在所述蒸发器的一侧，所述传输芯的一端伸出蒸发芯后伸入所述储液器内；所述蒸气管路分别与设置在所述蒸发芯两侧的所述蒸气槽道相通；所述液体管路与所述储液器相通。
蒸气管路用于将蒸发器内产生的蒸气导向冷凝器；为减小蒸气在蒸发器内的流动阻力，蒸气管路的位置应设置在接近蒸气槽道的区域；液体管路用于将回流的液体工质引入到储液器。
储液器为金属材料的容器，一方面实现对毛细芯的供液，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。储液器布置在蒸发器的一侧，可以向另一侧的毛细芯供液。储液器可以和蒸发器外形相同为平板型腔体，也可以为圆柱形腔体；储液器的内部设有加强筋B。
此外，本发明还提供一种可双面加热的蒸发器的制备工艺，所述蒸发器为可双面加热的蒸发器，具体为：
步骤一：在限位工装上表面竖直放置两排占位工装，占位工用于形成蒸气槽道，然后将蒸发器壳体安装在限位工装上，使两排占位工装均位于蒸发器壳体内部，且分别与蒸发器壳体两相对侧内壁面贴合；
步骤二：将金属毡放置于壳体中间部位，用于形成传输芯；然后将蒸发芯所用粉末填入所述蒸发器壳体内，没过占位工装设定尺寸，在所述金属毡两侧同时填充蒸发芯所用粉末，形成蒸发芯；
步骤三：在蒸发器壳体内蒸发芯上方金属毡两侧同时填充设定厚度的隔热芯所需粉末，形成隔热芯；
步骤四：在蒸发器壳体内隔热芯上方金属毡两侧同时填充设定厚度的密封粉体，形成密封芯；
步骤五：若蒸发芯所需粉末、隔热芯所需粉末或密封粉体需要烧结则将步骤四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粉体为直接压制而成则直接进行下一步；
步骤六：整体脱模，得到蒸发器。
有益效果：
本发明解决了常规平板环路热管只可单面加热的技术问题，毛细芯采用上下两侧蒸发芯、中间传输芯的三明治结构，实现两侧提供大毛细力蒸发界面、内部实现低流阻液体传输的功能。
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为背景技术中所述的复合毛细芯结构平板蒸发器的结构示意图；
图3为本发明的结构示意图；
图4为图3左视剖面图；
图5为图3主视剖面图；
图6为蒸发器加工工艺流程图。
其中：1-蒸发器壳体、21-蒸发芯、22-传输芯、23-隔热芯、24-密封芯、3-储液器、4-蒸气管路、5-液体管路、6-蒸气槽道、7-加强筋A、8-加强筋B，9-占位工装
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：
本实施例提供一种可双面加热的平板环路热管蒸发器，参见附图3，包括：蒸发器壳体1以及设置在蒸发器壳体1内部的毛细芯；
毛细芯包括：蒸发芯21以及夹在蒸发芯21中间位置的传输芯22；蒸发芯21的上下端面分别设有多个蒸气槽道6；两端的蒸气槽道6分别与蒸发器壳体1的上、下内壁面贴合，传输芯22的一端伸出蒸发芯21与储液器3连通，传输芯22用于实现从储液器3向蒸发芯21的低流阻液体传输。
由于蒸发芯21的上下端面均设有蒸气槽道6，蒸发器的上下外壁面均可与发热设备贴合，以吸收设备热量，毛细芯内的液体工质吸收热量蒸发变成蒸气，通过蒸气槽道6流向蒸气管路4。
上述方案中，进一步的，毛细芯还包括：隔热芯23以及密封芯24；在蒸发芯21的一侧依次设置隔热芯23和密封芯24，其中隔热芯23与蒸发芯21的端面贴合。隔热芯23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。密封芯24作用是将松散状态的隔热芯23粉末密封在蒸发芯与密封芯24之间，若隔热芯23成型后自身具有强度时，则不需要密封芯24。当隔热芯23为松散状态时，则需要密封芯24。
实施例2：
本实施例提供一种可双面加热的平板环路热管，包括：蒸发器、储液器3、蒸气管路4以及液体管路5；该平板环路热管中的蒸发器采用上述实施例1中的蒸发器，即该蒸发器的毛细芯包括：蒸发芯21以及夹在蒸发芯21中间位置的传输芯22；蒸发芯21的上下端面分别设有多个蒸气槽道6。储液器3设置在蒸发器的一侧。
毛细芯设置在蒸发器壳体1内部；其中，两个蒸气槽道6分别与蒸发器壳体1的上、下内壁面贴合，传输芯22的一端伸出蒸发芯21后伸入储液器3内；
蒸气管路4设置在蒸发器壳体1的一侧，并与蒸气槽道6相通；蒸气管路4用于将蒸发器内产生的蒸气导向冷凝器；为减小蒸气在蒸发器内的流动阻力，蒸气管路4的位置应设置在接近蒸气槽道6的区域；
液体管路5与储液器3相通；液体管路5用于将回流的液体工质引入到储液器3。
蒸发器的上下外壁面均可与发热设备贴合，用于吸收设备热量，毛细芯内的液体吸收热量蒸发变成蒸气，通过蒸气槽道6流向蒸气管路4；传输芯22用于实现从储液器3向蒸发芯21的低流阻液体传输。
实施例3：
在上述实施例2的基础上，对蒸发器壳体1、蒸发芯21、传输芯22、隔热芯23、储液器3做出具体限定；
参见附图4，蒸发器壳体1采用金属材料，如不锈钢、铜、钛合金等，蒸发器壳体1的结构为长方体或近似长方体腔体；进一步的，蒸发器壳体1内部设有加强筋A7以提高蒸发器壳体1对正压工质的承压能力。
蒸发芯21使用高导热的小粒径粉末烧结或压制而成，如铜、镍等。
传输芯22选用一体异型结构的大渗透率金属烧结毡、丝网，或者选用低导热的大粒径粉末烧结或压制而成。
参见附图5，储液器3为金属材料的容器，一方面实现对毛细芯的供液，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。储液器3布置在蒸发器的一侧，用于向蒸发器内的毛细芯供液。储液器3可以和蒸发器外形相同为平板型腔体，也可以为圆柱形腔体；进一步的，储液器3的内部设有加强筋B8。
隔热芯23采用低导热系数的大粒径粉末压结或烧结成型，或使用低导热系数毛毡、丝网或其它多孔材料，用于实现减小从毛细芯向储液器3的漏热；密封芯24用于有效的将隔热芯23密封、成型。
实施例4：
本实施例提供一种双面加热的蒸发器的制备工艺，该蒸发器即为上述实施例所述的双面加热的蒸发器，该蒸发器的毛细芯包括：蒸发芯21、传输芯22、隔热芯23以及密封芯24。制备该蒸发器的原材料包括蒸发器壳体、金属编制网或毛毡、隔热芯所需粉末、蒸发芯所需粉末和密封粉体，其中金属编制网或毛毡用于制备传输芯22。
(1)将蒸发器壳体竖直放置在工装上，工装上设置有用于竖直放置两排占位工装9，占位工9为金属丝，用于形成蒸气槽道6，两排占位工装9均位于蒸发器壳体内部，且分别与蒸发器壳体两相对侧内壁面贴合，如图6A所示；
(2)将金属毡放置于壳体中间部位，用于形成传输芯22，然后将蒸发芯所用粉末填入蒸发器壳体内，没过金属丝4mm，金属毡两侧同时填充，操作过程中每填充1g，对粉体施压一次，每次施加压力为50～80MPa/cm2，形成蒸发芯21，如图6B所示；
(3)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蒸发芯21上方，金属毡两侧同时填充，并均匀震实，厚度为2～5mm，如图6C所示；
(4)将密封粉体填入蒸发器壳体内隔热芯上方，厚度为3mm，加压90-120MPa，形成密封芯，如图6D所示；
(5)如粉体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；
(6)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 (9)

1.一种可双面加热的蒸发器，包括：蒸发器壳体(1)和设置在所述蒸发器壳体(1)内部的毛细芯；其特征在于：
所述毛细芯包括：蒸发芯(21)以及夹在所述蒸发芯(21)中间位置的传输芯(22)；所述蒸发芯(21)的上下端面分别设有一个以上蒸气槽道(6)；
两端的所述蒸气槽道(6)分别与所述蒸发器壳体(1)的上、下内壁面贴合，所述传输芯(22)的一端伸出所述蒸发芯(21)与储液器(3)连通。
2.如权利要求1所述的一种可双面加热的蒸发器，其特征在于：所述毛细芯还包括：隔热芯(23)以及密封芯(24)；在所述蒸发芯(21)的一侧依次设置隔热芯(23)和密封芯(24)，其中所述隔热芯(23)与所述蒸发芯(21)的端面贴合。
3.如权利要求1或2所述的一种可双面加热的蒸发器，其特征在于：所述蒸发器壳体(1)采用金属材料，其内部设有加强筋A(7)。
4.如权利要求1或2所述的一种可双面加热的蒸发器，其特征在于：所述蒸发芯(21)使用高导热的小粒径粉末烧结或压制而成。
5.如权利要求1或2所述的一种可双面加热的蒸发器，其特征在于：所述传输芯(22)选用一体异型结构的大渗透率金属烧结毡、丝网，或者选用低导热的大粒径粉末烧结或压制而成。
6.如权利要求2所述的一种可双面加热的蒸发器，其特征在于：所述隔热芯(23)选用低导热系数的大粒径粉末压结或烧结成型，或使用低导热系数毛毡、丝网。
7.基于可双面加热蒸发器的平板环路热管，包括：蒸发器、储液器(3)、蒸气管路(4)以及液体管路(5)；其特征在于：所述蒸发器为权利要求1-6任意一项所述的可双面加热的蒸发器；
所述储液器(3)设置在所述蒸发器的一侧，所述传输芯(22)的一端伸出蒸发芯(21)后伸入所述储液器(3)内；所述蒸气管路(4)分别与设置在所述蒸发芯(21)两侧的所述蒸气槽道(6)相通；所述液体管路(5)与所述储液器(3)相通。
8.如权利要求7所述的基于可双面加热蒸发器的平板环路热管，其特征在于：所述储液器(3)采用金属材料，其内部设有加强筋B(8)。
9.一种可双面加热的蒸发器的制备工艺，所述蒸发器为权利要求2所述的可双面加热的蒸发器，其特征在于：
步骤一：在限位工装上表面竖直放置两排占位工装，占位工用于形成蒸气槽道，然后将蒸发器壳体安装在限位工装上，使两排占位工装均位于蒸发器壳体内部，且分别与蒸发器壳体两相对侧内壁面贴合；
步骤二：将金属毡放置于壳体中间部位，用于形成传输芯；然后将蒸发芯所用粉末填入所述蒸发器壳体内，没过占位工装设定尺寸，在所述金属毡两侧同时填充蒸发芯所用粉末，形成蒸发芯；
步骤三：在蒸发器壳体内蒸发芯上方金属毡两侧同时填充设定厚度的隔热芯所需粉末，形成隔热芯；
步骤四：在蒸发器壳体内隔热芯上方金属毡两侧同时填充设定厚度的密封粉体，形成密封芯；
步骤五：若蒸发芯所需粉末、隔热芯所需粉末或密封粉体需要烧结则将步骤四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粉体为直接压制而成则直接进行下一步；
步骤六：整体脱模，得到蒸发器。
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