CN111336848A - 一种复合热沉的环路热管蒸发器及环路热管系统 - Google Patents

一种复合热沉的环路热管蒸发器及环路热管系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合热沉的环路热管蒸发器及环路热管系统，包括蒸发器外壳、储液腔、集气室、吸液芯和热沉；所述蒸发器外壳呈平板式空腔结构，其内部填充有工质，且左右侧壁上分别设置有蒸发器进液口和蒸发器出气口，底部外壁面与所述热沉贴合；所述热沉为薄片状结构；所述吸液芯为一个整体，加工有若干数量的蒸汽槽道；蒸发器外壳内部有所述储液腔和所述集气室，且储液腔与蒸发器进液口连通，集气室与蒸发器出气口连通。本发明的优势在于利用平板型环路热管的高效热传输能力，并充分发挥热沉的高导热性能，能够显著降低局部热点温度，解决了现有散热方案难以消除电子元件热点的问题，适合于存在局部热点的高热流密度器件散热的应用场合。

Description

一种复合热沉的环路热管蒸发器及环路热管系统
技术领域
本发明属于散热技术领域，具体的涉及一种复合热沉的环路热管蒸发器及环路热管系统。
背景技术
环路热管利用工质相变传热，可以有效地扩大散热面，解决高功率器件的散热问题，不仅传热性能好，而且重量轻，结构紧凑。随着技术的逐步发展与成熟，环路热管在高热流密度电子器件和航天航空等领域的散热方面有着广泛的应用。
环路热管在结构上是将传统热管的蒸发段和冷凝段分置成为蒸发器和冷凝器，由气液管路相连，形成封闭的回路。利用工质蒸发吸收潜热、冷凝释放潜热以及工质流动的过程来进行热量的长距离传递，其传热量大，散热效率高。
随着电子元件的集成化与小型化发展，电子元件上的热问题越来越严重，其表面温度的不均匀分布情况日益显著，导致电子元件表面局部热点现象突出，局部高温将会严重影响其工作性能及可靠性。常规的环路热管已难以改善电子元件局部热点现状，因此需要对现有散热技术做进一步改进，来获得更优异的散热能力与均热性能，从而解决进行电子元件冷却时所面临的局部高热点问题。
发明内容
技术问题：针对现有散热技术存在的不足，本发明的目的是要提供了一种复合热沉的环路热管蒸发器及环路热管系统，它能够解决电子元件表面温度分布不均的问题，降低其表面温度梯度，可有效避免电子元件因局部高温而发生故障或失效。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明提供了一种复合热沉的环路热管蒸发器，所述复合热沉的环路热管蒸发器包括蒸发器外壳、储液腔、集气室、吸液芯和热沉；所述蒸发器外壳呈平板式空腔结构，内部填充有工质，且左右侧壁上分别设置有蒸发器进液口和蒸发器出气口，底部外壁面与所述热沉粘结；所述热沉为薄片状结构；所述吸液芯为一个整体，设置在所述蒸发器外壳的空腔内部，将蒸发器内部空腔分隔为两个腔体，即所述储液腔和所述集气室，且储液腔与蒸发器的进液口连通，集气室与蒸发器出气口连通。
其中：所述蒸发器外壳材料为铜、铝及其合金或不锈钢，壳厚为1.5～3.5mm。
所述热沉的材料为具有高热导系数的材料，平面导热系数在500～2000W/(m·K)，其厚度为0.05mm～0.6mm。
所述热沉的一面与蒸发器底部外壁面粘结，另一面热源粘结，粘结剂均采用导热硅胶。
所述吸液芯的下表面加工有若干数量的蒸汽槽道，蒸汽槽道与集气室连通。
所述吸液芯的材料为铜、镍或其合金中的一种，其厚度为4～6mm，孔隙率在0.4～0.6。
所述吸液芯采用烧结法、加压发泡法制备。
优选地，所述蒸汽槽道的宽度相等，蒸汽槽道之间的间距相等，分别为1.5～2mm。
优选的，所述在构成储液腔的蒸发器外壳的内表面设置绝热材料涂层，其厚度为0.1～0.2mm，该涂层可以减少热量向储液腔内液体工质的传递。
优选的，热沉的材料为高导热石墨，此材料各向异性，平面内导热系数≥1000W/(m·K)，比重在1.0～1.3，可有效地对热源表面分布不均的热量进行横向传热，起到均热效果，且成本较低。
优选的，所述工质为水、甲醇、液氨或丙酮。
一种环路热管系统，包括上述蒸发器、冷凝器、液体管路、气体管路，冷凝器包括进气口和出液口，液体管路连通出液口和储液腔，气体管路连通进气口和集气室。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：
本发明采用平板型蒸发器，其平板结构能够直接与电子元件外表面紧密接触，有效降低了接触热阻，从而加强传热效果，且平板型蒸发器的温度梯度和工质流动的速度梯度夹角较小，从场协同角度看，平板型环路热管比圆柱型环路热管具有更优异的换热性能。此外，在蒸发器底部外壁面粘结热沉，能够加强热量在热源表面的横向传递，将热点处聚集的高热量横向传递至周围区域，降低热源局部热点的温度，使得散热更加均匀，起到消除热源表面热点的作用，避免因局部温度过高而导致电子元件性能降低和失效；且热沉的厚度超薄，使得装置可以适用于紧凑型的电子元件的散热。并且整个环路热管装置的蒸发器和冷凝器分开设置，可将冷凝器放置在数据机房外，直接将热量传递到数据机房以外的环境中，可有效降低数据中心内部空间的冷负荷。本发明具有优异的横向传热性能，可以对热源表面热量的均匀分布起到很好的作用，使得其表面温度均匀，同时利用工质在整个环路热管中的循环将热源的热量传递至环境，既保证降低热源温度，又能降低热源表面温度梯度。
附图说明
图1是复合热沉的环路热管系统的结构示意图；
图2是本发明第一实施例提供的复合热沉的环路热管蒸发器的内部结构示意图；
图3是本发明第一实施例提供的吸液芯的结构示意图；
图4是本发明第一实施例提供的集气室、储液腔与吸液芯的接触面示意图；
图5是本发明第二实施例提供的复合热沉的环路热管蒸发器的内部结构示意图；
图6是本发明第二实施例提供的吸液芯的结构示意图；
图7是本发明第二实施例提供的集气室、储液腔与吸液芯的接触面示意图；
附图标记示意：1.蒸发器；2.液体管路；3气体管路；4冷凝器；5.热沉；6.蒸发器出气口；7.蒸发器进液口；8.蒸发器外壳；9.集气室；10.吸液芯；11.蒸汽槽道；12.储液腔；13.进气口；14.出液口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方法对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明提出一种复合热沉的环路热管蒸发器，其结构如图2所示，包括蒸发器外壳8、集气室9、储液腔12、吸液芯10和热沉5；所述蒸发器外壳8呈平板式空腔结构，内部填充有工质，且左右侧壁上分别设置有蒸发器进液口7和蒸发器出气口6，底部外壁面与所述热沉5粘结；所述热沉5为薄片状结构；所述吸液芯10为一个整体，设置在所述蒸发器外壳8的空腔中部，与蒸发器外壳8之间构成两个腔体，即所述集气室9和所述储液腔12，且集气室9与蒸发器出气口6连通，储液腔12与蒸发器进液口7连通；吸液芯10的下表面加工有若干数量的蒸汽槽11，蒸汽槽道11与集气室9连通。
此外，本发明还提出一种环路热管系统，包上述蒸发器1、冷凝器4、液体管路2、气体管路3，冷凝器包括进气口13和出液口14，液体管路2连接出液口14和蒸发器进液口7，气体管路3连接进气口13和蒸发器出气口6，从而将整个系统连通，构成可供工质流动的循环回路。
该环路热管系统的工作过程和原理是：电子元件工作时外表面不均匀散热，热量首先被热沉5传导至蒸发器壁面，因电子元件表面局部散热量高，此处热量在经过热沉5时迅速被横向传导，使得被传递至蒸发器壁面各处的热量均匀。随后，蒸发器内吸液芯10中的液体蒸发汽化，蒸汽工质进入蒸汽槽道11后汇集在集气室内，在微小的压差下流入气体管路3，到达冷凝器4后放出热量凝结成液体，液体工质再通过液体管路2流回蒸发器1。如此循环，对电子元件进行散热冷却，并消除其表面局部热点。
环路热管系统运行时热量的转移过程具体包含了以下几个部分：不均匀分布的热量从热源通过热沉5均匀传递至蒸发器壁面；再经由蒸发器壁面和充满工质的吸液芯10传递到蒸发器1内的液－气分界面；液体在蒸发器1的液气分界面上蒸发；集气室内的蒸汽从蒸发器1流向冷凝器4；蒸汽在冷凝器4内的液气分界面上凝结；热量从冷凝器4壁面传给冷源；冷凝后的工作液体回流到蒸发器1。
实施例1：
如图2，在蒸发器内部，吸液芯10与蒸发器外壳8之间形成两个腔体，即集气室9和储液腔12，二者位于吸液芯10的左右两侧，吸液芯10与蒸发器外壳8通过真空烧结或高温熔制的方法紧密连接，在构成储液腔12的蒸发器外壳8的内表面设置绝热材料涂层，可减少热量通过蒸发器壁面向储液腔12的泄露。此结构的蒸发器厚度小，方便安装在空间狭窄，高度有限的IT设备内部，对电子元件的散热。
实施例2：
如图5，与实施例1的不同之处在于，储液腔12设置于吸液芯10的上方，此结构的优势是在重力和毛细力的双重驱动下，更有利于工质回流进入吸液芯10，并且吸液芯使得储液腔12与蒸发器底面不直接接触，能够有效减少热源产生的热量向储液腔12泄露，确保储液腔12能为吸液芯10供液充足，环路热管能长时间稳定运行。

Claims (8)

1.一种复合热沉的环路热管蒸发器，其特征在于，该蒸发器包括蒸发器外壳(8)、集气室(9)、储液腔(12)、吸液芯(10)和热沉(5)；所述蒸发器外壳(8)呈平板式空腔结构，内部填充有工质，且左右侧壁上分别设置有蒸发器进液口(7)和蒸发器出气口(6)，底部外壁面设置有所述热沉(5)；所述热沉(5)为薄片状结构；所述吸液芯(10)设置在所述蒸发器外壳(8)的内部空腔中，并与蒸发器外壳(8)的内部空腔构成两个腔体，即所述集气室(9)和所述储液腔(12)，且集气室(9)与蒸发器出气口(6)连通，储液腔(12)与蒸发器进液口(7)连通。
2.根据权利要求1所述的一种复合热沉的环路热管蒸发器，其特征在于，所述蒸发器外壳(8)材料为铜、铝及其合金或不锈钢，壳厚为1.5～3.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种复合热沉的环路热管蒸发器，其特征在于，所述热沉(5)的平面导热系数在500～2000W/(m·K)，其厚度为0.05mm～0.6mm。
4.根据权利要求1所述的一种复合热沉的环路热管蒸发器，其特征在于，所述热沉(5)的一面与蒸发器外壳(8)底部外壁面粘结。
5.根据权利要求1所述的一种复合热沉的环路热管蒸发器，其特征在于，所述吸液芯(10)的下表面有若干数量的蒸汽槽道(11)，所述蒸汽槽道(11)与集气室(9)连通。
6.根据权利要求1所述的一种复合热沉的环路热管蒸发器，其特征在于，所述蒸发器外壳(8)与储液腔(12)接触的内表面设置有绝热材料涂层，其厚度为0.1～0.2mm。
7.根据权利要求1所述的一种复合热沉的环路热管蒸发器，其特征在于，所述工质为水、甲醇、液氨或丙酮的任一种。
8.根据权利要求1-7所述的复合热沉的环路热管蒸发器构建的一种环路热管系统，其特征在于，该系统包括上述蒸发器、冷凝器(4)、液体管路(2)、气体管路(3)，所述冷凝器(4)两端安装有进气口(13)和出液口(14)；液体管路(2)连接出液口(14)和蒸发器进液口(7)，气体管路(3)连接进气口(13)和蒸发器出气口(6)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115060014A (zh) * 2022-05-26 2022-09-16 西安科技大学 一种深部矿井具有相变材料的环路热管地热开采系统

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