CN110806129A - 一种环路热管 - Google Patents

Abstract

一种环路热管，包括蒸发器、气体管线、冷凝器、液体管线和补偿器，其特征在于，所述冷凝器为微通道冷凝器，所述微通道冷凝器包括第一集流管、第二集流管和至少一根扁管，所述扁管内沿工质流动方向具有多根微通道，所述第一集流管和所述第二集流管连通每根所述扁管的两开口端，所述第一集流管与所述气体管线相连通，所述第二集流管与所述液体管线相连通。本发明环路热管的流动稳定性增强，压力损失降低，散热能力及效率大大提高，散热温差减小，特别适合大功率散热需求，为电力电子产品日益严峻的散热问题提供了更先进的解决方案，具有较大的经济价值。

Description

一种环路热管

技术领域

本发明属于换热技术领域，涉及一种换热装置，尤其是一种环路热管。

背景技术

环路热管是为满足航天器日益复杂而苛刻的热控需求而发展起来的一种优秀热控产品。环路热管不仅具备传统热管的一系列优点，而且具有传热能力大，传热温差小，对重力不敏感等优势。因此环路热管特别适合解决地面设备的高效散热问题，尤其是高功率电力电子产品日益严峻的散热问题，具有很大的应用潜力。

环路热管有五个基本组成部分，分别是：蒸发器、气体管线、冷凝器、液体管线和补偿器。这五个部分依次连接，构成闭合环路，其内部有工质循环流动。当蒸发器吸热时，液态工质在位于蒸发器内的毛细结构表面汽化，从而产生工质循环的驱动力。因为该驱动力通常不足0.1Mpa，所以，过高的压力损失会严重降低环路热管的传热能力和传热效率，致使其冷热两端温差增大。该问题在环路热管传输热量较大时尤其突出。而冷凝器内的压力损失是整个环路热管压力损失的最主要来源。

目前可见报道的环路热管冷凝器基本采用两种形式：圆管式和小平板刻槽式。圆管式冷凝器其管径通常在5mm以内，直接导致压力损失过大。而增大管径会加强重力对管内工质冷凝流动形态的影响，进而造成环路热管工作不稳定。圆管式冷凝器的另一个缺点是其外壁与散热翅片的结合工艺复杂，接触面积小，接触热阻高。而风冷换热系数低，当散热量较大时，需要很大的冷凝面积，工艺复杂，体积庞大，实际不适用。平板刻槽式冷凝器由于其工艺复杂，成本高，所以尺寸通常限制在100mm×100mm以内，适合采用水冷或制冷机等集中式冷源，传热量通常也较小。

综上所述，目前环路热管因受冷凝器结构限制，其传热量大、传热温差小等优势难以发挥，实际不能满足高功率散热需求。而微通道换热器工艺成熟、重量轻、成本低，应用于环路热管能够使环路热管克服上述缺陷用于解决地面应用中的高功率散热问题。

发明内容

为了解决目前环路热管因其冷凝器结构导致性能不佳的问题，本发明提出了一种环路热管，本发明环路热管使用微通道冷凝器。本发明环路热管的流动稳定性增强，压力损失降低，散热能力及效率大大提高，散热温差减小，特别适合大功率散热需求，为电力电子产品日益严峻的散热问题提供了更先进的解决方案，具有较大的经济价值。

本发明采用如下技术方案：

一种环路热管，包括蒸发器、气体管线、冷凝器、液体管线和补偿器，其特征在于，所述冷凝器为微通道冷凝器，所述微通道冷凝器包括第一集流管、第二集流管和至少一根扁管，所述扁管内沿工质流动方向具有多根微通道，所述第一集流管和所述第二集流管连通每根所述扁管的两开口端，所述第一集流管与所述气体管线相连通，所述第二集流管与所述液体管线相连通。

所述微通道冷凝器具有单个或多个工质流程。

所述多个工质流程中包含的所述扁管的数量可以相同或不同。

所述第一集流管上沿轴向可设置一个或多个进气管，所述第二集流管上沿轴向可设置一个或多个出液管。

具有多根所述扁管的所述微通道冷凝器，在所述第一集流管与所述第二集流管中的至少一个集流管的内部设置至少一个用于气液分离的分液板。

具有单根所述扁管的所述微通道冷凝器，沿工质流动方向，在所述扁管的后部分上设置至少一个用于气液分离的分液板，所述分液板的外部包裹壳体以连通被所述分液板分隔的所述扁管的前后两段。

所述分液板由金属粉末或金属丝网烧结而成。

沿工质流动方向在最后一个所述分液板后还有管段，所述管段可以是所述扁管或者所述第一集流管与所述第二集流管中的至少一个集流管的部分管段。

所述扁管呈平直状或者任意弯曲形状。

所述扁管的外表面可敷设翅片。

本发明的有益效果：

(1)、环路热管冷凝器内的工质沿扁管内若干并排布置的微通道流动，单根微通道的水力直径小，表面张力效应的增强有助于抑制重力的影响，保证了工质在单根微通道内冷凝流动的稳定性，进而增强了环路热管流动的稳定性。

(2)、单根扁管内包含多条微通道，有效增大了流通截面积，降低了冷凝器内的压力损失。而且多根扁管可以并联，进一步降低压力损失。消除了压力损失过大对环路热管传热能力的限制。且压力损失减小则环路热管的蒸发器与冷凝器内的压差减小。基于饱和工质压力与温度的对应关系，压差减小则工质在蒸发与冷凝时的饱和温度差异减小，即环路热管蒸发端与冷凝端的温差减小，传热效率提高。

(3)、为满足更大散热能力，需要更大冷凝器，更多扁管。由于冷凝器内的工质处于气液两相状态，在重力场影响下，容易引起流量在并联的不同扁管间分配不均，该影响随并联扁管数目的增多而加剧。采用多流程微通道冷凝器，每一流程中并联扁管的数目较少，降低了该流程内流量分配不均匀的程度。且多个流程可以串联，每串联一次，工质进行一次混合再重新分配，所以工质的流量分配较均匀。

(4)、扁管的换热面积大且易与翅片有效结合，相比传统圆管式冷凝器有效增大了翅片换热面积，对于使用风冷作为直接冷源的散热场合影响显著，能有效减小环路热管与冷源之间的换热温差，提高散热效率。

(5)、微通道冷凝器上设有一个或多个分液板，分液板将环路热管工质进行气液分离。且沿工质流动方向在最后一个分液板后还有部分管段将液体工质进一步冷却，形成过冷度。环路热管的液态工质过冷，能够弥补蒸发器向补偿器的漏热，使其工作稳定。

(6)、微通道冷凝器工艺成熟、重量轻、成本低，应用于环路热管具有显著的经济效益。

由上述微通道冷凝器所带来的有益效果，本发明环路热管的流动稳定性增强，压力损失降低，散热能力及效率大大提高，散热温差减小，特别适合大功率散热需求，为电力电子产品日益严峻的散热问题提供了更先进的解决方案，具有较大的经济价值。

附图说明

图1为本发明中所述微通道冷凝器第一实施例的结构示意图；

图2为图1中的A-A剖面图；

图3为本发明中所述微通道冷凝器第二实施例的结构示意图；

图4为本发明中所述微通道冷凝器第三实施例的结构示意图；

图5为本发明一种环路热管的第一实施例的结构示意图；

图6为本发明一种环路热管的第二实施例的结构示意图；

图7为本发明一种环路热管的第三实施例的结构示意图。

以上图中：10-微通道冷凝器，11-第一集流管，12-第二集流管，13-扁管，14-微通道，15-翅片，16-分液板，17-壳体，18-进气管，19-出液管，20-总进气管，21-分程板。

1-蒸发器，2-气体管线，3-液体管线，4-补偿器，5-风机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

微通道冷凝器第一实施例：如图1和图2所示，微通道冷凝器10具有单个工质流程，包括第一集流管11，第二集流管12和单根扁管13。第一集流管11和第二集流管12连通扁管13的两开口端。扁管13内部沿工质流动方向排列有多根微通道14。扁管13呈蛇形布置，其上敷设翅片15以增大换热面积。沿工质流动方向，在扁管13的后部分上设置有用于气液分离的分液板16。分液板16的外部包裹壳体17，壳体17用于连通被分液板16分隔的扁管13的前后两段。分液板16由金属粉末或金属丝网烧结而成。

微通道冷凝器第二实施例：如图3所示，微通道冷凝器10具有单个工质流程，包括第一集流管11，第二集流管12和多根并联布置的扁管13。第一集流管11和第二集流管12连通每根扁管13的两开口端。扁管13呈平直状，其结构同上述微通道冷凝器第一实施例。第二集流管12内部设置有两个用于气液分离的分液板16。分液板16由金属粉末或金属丝网烧结而成。分液板16后面还有第二集流管12的部分管段。第一集流管11上设两个进气管18，两进气管18通过总进气管21相连，第二集流管12上设一个出液管19。

微通道冷凝器第三实施例：如图4所示，微通道冷凝器10具有多个工质流程，包括第一集流管11，第二集流管12以及多根扁管13。第一集流管11和第二集流管12连通每根扁管13的两开口端。第一集流管11和第二集流管12内部沿垂直于工质流动方向设置若干分程板21。分程板21将微通道冷凝器10分为a,b,c三个流程。流程a和流程b内均包含三根并联的扁管13，流程c内包含两根并联的扁管13。流程a、流程b和流程c相互串联。扁管13的结构同上述微通道冷凝器第二实施例。第一集流管11内部设置有用于气液分离的分液板16。分液板16由金属粉末或金属丝网烧结而成。分液板16后面还有两根并联的扁管13。第一集流管11上设一个进气管18，第二集流管12上设一个出液管19。

图5为本发明一种环路热管的第一实施例的结构示意图。其包括蒸发器1，气体管线2，微通道冷凝器10，液体管线3以及补偿器4。上述部件依次连接构成环路热管。其中，微通道冷凝器10的结构同上述微通道冷凝器第一实施例。

其基本工作原理如下：环路热管内的工质在蒸发器1内吸热汽化后，在气液交界面两侧形成毛细压差。该压力驱动蒸汽首先通过气体管线2，然后由第一集流管11流入微通道冷凝器10。沿扁管13内部并排布置的若干微通道14流动。在流动过程中，气体工质与环境换热，逐渐冷凝成液态工质。通过分液板16气液分离，液态工质继续在扁管13内换热，形成过冷液体。然后通过第二集流管12流入液体管线3，继而回流至补偿器4。最后液体通过蒸发器1内的毛细结构回到上次汽化位置，再次汽化后进入下一循环。

由于单根微通道14的水力直径小，表面张力效应的增强有助于抑制重力的影响，保证了工质在单根微通道14内冷凝流动的稳定性，进而增强了环路热管流动的稳定性。

单根扁管13内包含多条微通道14，有效增大了流通截面积，降低了冷凝器10内的压力损失，进而降低了整个环路热管内的压力损失，消除了压力损失过大对环路热管传热能力的限制。

压力损失减小则环路热管的蒸发器1与冷凝器10内的压差减小。基于饱和工质压力与温度的对应关系，压差减小则工质在蒸发与冷凝时的饱和温度差异减小，即环路热管蒸发器1与冷凝器10的温差减小。而且扁管13换热面积大且易与翅片15有效结合，相比传统圆管式冷凝器有效增大了翅片换热面积，对于使用风冷作为直接冷源的散热场合影响显著，能进一步减小环路热管冷凝端与冷源之间的换热温差。如此，环路热管与冷源之间的换热温差大大降低，散热效率得到提高。

分液板16将工质气液分离，不仅保证了进入液体管线3的为液态工质，且该部分液态工质在微通道冷凝器10内继续与环境以显热散热，获得一定过冷度。环路热管的液态工质过冷，能够弥补蒸发器1向补偿器4的漏热，使其工作稳定。

图6为本发明一种环路热管的第二实施例的结构示意图。其包括蒸发器1，气体管线2，微通道冷凝器10，液体管线3以及补偿器4。上述部件依次连接构成环路热管。其中，微通道冷凝器10的结构同上述微通道冷凝器第二实施例。工质在微通道冷凝器10中的流动情况：工质由总进气管21进入两个进气管18，然后进入第一集流管11。沿多根并联的扁管13内部的微通道14流动，在流动过程中，气体工质与环境换热，逐渐冷凝成液态工质。工质流经第二集流管12上的两个分液板16进行气液分离，之后液态工质继续换热至过冷状态，流入液体管线3，继而回流至补偿器4。风机5强迫空气与微通道冷凝器10换热。本实施例环路热管其他部分的工作原理与上述本发明一种环路热管的第一实施例类似，不再赘述。

因为采用了多根扁管13并联的形式，本实施例环路热管内的阻力损失进一步降低。其所带来的有益效果同上述本发明一种环路热管的第一实施例所述，在此不多作说明。

图7为本发明一种环路热管的第三实施例的结构示意图。其包括蒸发器1，气体管线2，微通道冷凝器10，液体管线3以及补偿器4。上述部件依次连接构成环路热管。其中，微通道冷凝器10的结构同上述微通道冷凝器第三实施例。工质在微通道冷凝器10中的流动：工质由进气管18进入第一集流管11，在分程板21的作用下，工质顺次流过流程a，流程b和流程c，在流动过程中，气体工质与环境换热，逐渐冷凝成液态工质，经过第一集流管11中的分液板16，气液分离后，工质在流程c中的两根扁管13内继续换热，变成过冷液体，之后流入液体管线3，继而回流至补偿器4。风机5强迫空气与微通道冷凝器10换热。本实施例环路热管其他部分的工作原理以及由微通道换热器所带来的有益效果同上述本发明一种环路热管的第一实施例所述，在此不多作说明。

微通道冷凝器第三实施例还特别适合于热负荷较大的环路热管。为满足更大散热能力，需要更大冷凝器面积，更多扁管13。由于冷凝器内工质处于气液两相状态，在重力场影响下，容易引起流量在并联的不同扁管13间分配不均，该影响随并联扁管13数目的增多而加剧。因此，采用微通道冷凝器第三实施例，其具有多个流程，工质顺次流过流程a，流程b和流程c，每一流程中并联扁管13的数目较少，降低了该流程内流量分配不均匀的程度。而且流程a，流程b和流程c串联，每串联一次，工质进行一次混合，再重新分配，所以工质的流量分配较均匀。

综合本发明一种环路热管的第一实施例、第二实施例和第三实施例所述，本发明环路热管的流动稳定性增强，压力损失降低，散热能力及效率大大提高，散热温差减小，特别适合大功率散热需求，为电力电子产品日益严峻的散热问题提供了更先进的解决方案，具有较大的经济价值。

Claims (10)

1.一种环路热管，包括蒸发器、气体管线、冷凝器、液体管线和补偿器，其特征在于，所述冷凝器为微通道冷凝器，所述微通道冷凝器包括第一集流管、第二集流管和至少一根扁管，所述扁管内沿工质流动方向具有多根微通道，所述第一集流管和所述第二集流管连通每根所述扁管的两开口端，所述第一集流管与所述气体管线相连通，所述第二集流管与所述液体管线相连通。

2.根据权利要求1所述的一种环路热管，其特征在于：

其中，所述微通道冷凝器具有单个或多个工质流程。

3.根据权利要求2所述的一种环路热管，其特征在于：

其中，所述多个工质流程中包含的所述扁管的数量可以相同或不同。

4.根据权利要求1所述的一种环路热管，其特征在于：

其中，所述第一集流管上沿轴向可设置一个或多个进气管，所述第二集流管上沿轴向可设置一个或多个出液管。

5.根据权利要求1所述的一种环路热管，其特征在于：

其中，具有多根所述扁管的所述微通道冷凝器，在所述第一集流管与所述第二集流管中的至少一个集流管的内部设置至少一个用于气液分离的分液板。

6.根据权利要求1所述的一种环路热管，其特征在于：

其中，具有单根所述扁管的所述微通道冷凝器，沿工质流动方向，在所述扁管的后部分上设置至少一个用于气液分离的分液板，所述分液板的外部包裹壳体以连通被所述分液板分隔的所述扁管的前后两段。

7.根据权利要求5或6所述的一种环路热管，其特征在于：

其中，所述分液板由金属粉末或金属丝网烧结而成。

8.根据权利要求5或6所述的一种环路热管，其特征在于：

其中，沿工质流动方向在最后一个所述分液板后还有管段，所述管段可以是所述扁管或者所述第一集流管与所述第二集流管中的至少一个集流管的部分管段。

9.根据权利要求1所述的一种环路热管，其特征在于：

其中，所述扁管呈平直状或者任意弯曲形状。

10.根据权利要求1所述的一种环路热管，其特征在于：

其中，所述扁管的外表面可敷设翅片。

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