CN111750713A - 一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置及其工作方法 - Google Patents

一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置及其工作方法，该散热装置包括多通道蒸发器、蒸汽管道、冷凝器、液体管道和多孔膜，多通道蒸发器通过蒸汽管道和液体管道与冷凝器相连，并构成完整的工质循环通道；多通道蒸发器包括多个并行的微通道，受热面，液体联箱和蒸汽联箱，多孔膜包括亲液多孔膜和疏液多孔膜，液体联箱和蒸汽联箱分别构建于多通道蒸发器的入口端和出口端，亲液多孔膜内插在液体联箱中，疏液多孔膜内插在蒸汽联箱中。该散热装置充分利用多孔膜来抑制沸腾不稳定性，汽液分离实现液体的回流，充分润湿微通道，汽液分离后的纯蒸汽提高冷凝器的冷凝效率，从而在降低多通道蒸发器温度波动的同时提高了散热器的传热效率。

Description

一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置及其工作 方法
技术领域
本发明属于强化换热技术领域，尤其涉及一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置及其工作方法。
背景技术
随着科学技术的发展，工业设备所承载的热流密度逐渐增大，如果散热不及时将导致设备温度过高，严重危害设备的安全运行。特别是在激光器、大功率变电设备、5G发射机站、可再生能源利用和航空航天电子设备等领域，电子设备的启动过程中热流密度剧增，此时须将热量及时导出，否则极易导致设备的失效。
相变式散热器因具有传热温差小，传热效率高的特点而备受关注。但相变式散热器中所存在的沸腾不稳定性导致蒸发器底板温度波动较大，尤其是在蒸发器中存在并行通道的情况下，从而严重制约着其在电子设备中的应用。因此如何抑制多通道蒸发器的沸腾不稳定性，并提高散热器的传热效率具有极其重要的意义。
综上，如何抑制相变式散热器存在的沸腾不稳定性，并提高蒸发器和冷凝器的传热效率，将发热元件产生的热量及时快速的传递到周围环境中，满足大功率电器高热流密度的要求，避免散热装置出现传热恶化，已经成为亟需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置，包括多通道蒸发器1、蒸汽管道2、冷凝器3、液体管道4和多孔膜，其特征在于，多通道蒸发器1通过蒸汽管道2和液体管道4与冷凝器3相连，并构成完整的工质循环通道；多通道蒸发器1包括多个并行的微通道9，受热面11，液体联箱5和蒸汽联箱6，所述多孔膜的孔径由多通道蒸发器1所用工质决定，所述多孔膜包括亲液多孔膜7和疏液多孔膜8，液体联箱5和蒸汽联箱6分别构建于多通道蒸发器1的入口端和出口端，亲液多孔膜7内插在液体联箱5中，疏液多孔膜8内插在蒸汽联箱6中。
优选的，亲液多孔膜7为不锈钢金属网、铝网、镍网、铜网或者其他金属网，疏液多孔膜8为聚四氟乙烯多孔材料、尼龙材料、高分子化合物材料或者其他有机材料。
优选的，亲液多孔膜7的孔径为微米量级，疏液多孔膜(8)的孔径为纳米量级。
优选的，多孔膜通过镶边的方式进行固定，且镶边使用材料为具有一定硬度的金属或者非金属，镶边的多孔膜通过固定装置内插到液体联箱5或者蒸汽联箱6中。
优选的，多通道蒸发器1内的微通道9的形状为圆形或者方形或者三角形，微通道9的边壁通过烧结或者喷涂金属粉末构造毛细吸液芯，或者在微通道9的壁面上刻画狭缝、沟槽等微细结构。
优选的，多通道蒸发器1的微通道9的数量最少为两根，其排列方式为顺排或叉排；当发热面11为多个时，需装配与发热面11相同数量的多通道蒸发器1与至少一个冷凝器3，微通道9的形状和数量根据传热总量和热流密度安排。
优选的，冷凝器3包括冷凝管12和散热翅片10，散热翅片10增大了冷凝面积,散热翅片10上开设有固定孔，通过在固定孔中穿上支撑架13对冷凝管12进行固定，冷凝管12为粗大的一根或者并联的多根，且均从蒸汽联箱6伸出并从液体联箱5进入。
优选的，冷凝器3为水冷或者风冷或者混合冷却。
本发明的目的还在于提供一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置的工作方法，主要包括：
对散热装置进行抽真空操作并注入一定量的低沸点工质，当受热面11受热时，热量会经过壁面传递给微通道9内的低沸点工质，低沸点工质达到沸点并蒸发，蒸发产生的蒸汽汇集在蒸汽联箱6内，蒸汽在蒸汽联箱6内混合重新分配；当蒸汽通过疏液多孔膜8时，由于疏液多孔膜8的疏液体和亲气体特性，蒸汽自由通过并被均匀分配到冷凝器3中，蒸汽所携带的液体被疏液多孔膜8截留回流到多通道蒸发器1的微通道9中并对微通道9进行润湿；进入冷凝器3中的蒸汽冷凝产生的液体通过液体管道4到达液体联箱5，当液体通过亲液多孔膜7时，由于亲液多孔膜7具有亲液疏气特性，液体自由通过亲液多孔膜7，并根据各个微通道9的实际蒸发量而自适应调节供应液体量；当微通道9内发生两相流来回震荡时，亲液多孔膜7阻碍两相流中气泡的通过，大大抑制沸腾不稳定性在多通道蒸发器1内的发生。
优选的，低沸点工质为去离子水、丙酮、FC-72、R123、R1233zd或者其他低沸点有机工质及其混合物。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
1)本发明分别设置亲疏液多孔膜，大大抑制了多通道蒸发器内的沸腾不稳定性，使多通道蒸发器温度波动性降低，同时利用多孔膜的汽液相分离功能，提高了多通道蒸发器和冷凝器的传热性能，将发热面热量及时快速高效的传递到周围环境，满足高热流密度散热需求；
2)本发明安全可靠，结构设计简单紧凑，占用空间小，可自由组合，集成性好；
3)本发明可根据传热量的大小选择不同的微通道类型、数量并进行组合，多孔膜的材料和孔径可根据不同的工质进行选择，具有很强的操控性，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置的整体结构示意图；
图2为本发明一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置的多通道蒸发器的剖视图；
图3为本发明一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置的流体工作过程示意图；
图4为本发明一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置的微通道的形状示意图；
图5为本发明一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置的多孔膜的镶边固定示意图；
图6为本发明一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置的亲液多孔膜在本装置中亲液疏气工作原理示意图；
图7为本发明一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置的疏液多孔膜在本装置中亲气疏液工作原理示意图。
图中附图标记为：
1-多通道蒸发器，2-蒸汽管道，3-冷凝器，4-液体管道，5-液体联箱，6-蒸汽联箱，7-亲液多孔膜，8-疏液多孔膜，9-微通道，10-散热翅片,11-受热面，12-冷凝管，13-支撑架。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图对本发明的一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置进行详细描述。
如图1-7所示，一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置，包括多通道蒸发器1、蒸汽管道2、冷凝器3、液体管道4和多孔膜，多通道蒸发器1通过蒸汽管道2和液体管道4与冷凝器3相连，并构成完整的工质循环通道。多通道蒸发器1包括多个并行的微通道9、受热面11、液体联箱5和蒸汽联箱6，多孔膜包括亲液多孔膜7和疏液多孔膜8，液体联箱5和蒸汽联箱6分别构建于所述多通道蒸发器1的入口端和出口端，亲液多孔膜7内插在液体联箱5中，疏液多孔膜8内插在蒸汽联箱6中。
其中，通过在蒸汽联箱6中内插疏液多孔膜8，可以阻挡蒸汽所夹带的液体进入冷凝器，提高冷凝器的传热能力和蒸发器的补液能力；通过液体联箱5内插亲液多孔膜7，亲液多孔膜7与疏液多孔膜8同时作用下，可以抑制蒸发器中的沸腾不稳定性。
优选地，为了提高液体在微通道9内的爬升高度，微通道9的边壁通过烧结或者喷涂金属粉末以构造毛细吸液芯，或者在微通道9的壁面上刻画狭缝、沟槽等微细结构。
优选地，冷凝器3包括冷凝管12和散热翅片10，散热翅片10增大了冷凝面积,散热翅片10上开设有固定孔，通过在固定孔中穿上支撑架13对冷凝管12进行固定，冷凝管12设置为一根或者并联的多根，均从蒸汽联箱6伸出并从液体联箱5进入。
优选地，亲液多孔膜7为金属网，例如不锈钢金属网、铝网、镍网或者铜网，特点为亲液体、疏气泡，液体能够自由通过同时可以阻碍气泡通过；疏液多孔膜8为为有机材料，例如聚四氟乙烯多孔材料、尼龙材料、高分子化合物材料等，其允许蒸汽通过同时可以阻碍液体通过。
优选地，所述多孔膜的孔径由多通道蒸发器1所用工质决定，以水为例，亲液多孔膜7的孔径为微米量级，疏液多孔膜8的孔径为纳米量级。
优选地，多通道蒸发器1内的微通道9的形状为圆形或者方形或者三角形，或者在前述形状的基础上，在孔的边壁上构造槽道或者Ω结构。
优选地，多孔膜通过镶边的方式进行固定，材料为具有一定硬度的金属或者非金属，镶边的多孔膜通过固定装置内插到液体联箱5或者蒸汽联箱6中。
优选地，多通道蒸发器1的微通道9的数量最少为两根，其排列方式为顺排或叉排；当发热面11为多个时，需装配与发热面11相同数量的多通道蒸发器1与至少一个冷凝器3，微通道9的形状和数量根据传热总量和热流密度安排。
优选地，冷凝器3为水冷或者风冷或者混合冷却。
本发明的目的还在于提供一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置的工作方法，主要包括：
对散热装置进行抽真空操作并注入一定量的低沸点工质，当受热面11受热时，热量会经过壁面传递给微通道9内的低沸点工质，低沸点工质达到沸点并蒸发，蒸发产生的蒸汽汇集在蒸汽联箱6内，蒸汽在蒸汽联箱6内混合重新分配；
当蒸汽通过疏液多孔膜8时，由于疏液多孔膜8的疏液亲气特性，蒸汽自由通过并被均匀分配到冷凝器3中，蒸汽所携带的液体被疏液多孔膜8截留回流到多通道蒸发器1的微通道9中并对微通道9进行润湿，防止微通道9在高热流时发生蒸干现象，有利于提高多通道蒸发器1的换热系数，同时由于蒸汽通过疏液多孔膜8时分离了液体，因此蒸汽在冷凝管12内的冷凝换热系数相应提高；
进入冷凝器3中的蒸汽冷凝产生的液体在重力作用下通过液体管道4到达液体联箱5，当液体通过亲液多孔膜7时，由于亲液多孔膜7具有亲液疏气特性，液体自由通过亲液多孔膜7，并根据各个微通道9的实际蒸发量而自适应调节供应液体量；
当微通道9内发生两相流来回震荡时，亲液多孔膜7阻碍两相流中气泡的通过，大大抑制沸腾不稳定性在多通道蒸发器内1的发生。
优选地，低沸点工质为去离子水或者低沸点有机工质以及他们的混合物，例如丙酮或者FC-72或者R123或者R1233zd。
本发明的散热装置，充分利用疏液多孔膜8和亲液多孔膜7来抑制沸腾不稳定性，并通过多孔膜对两相流的汽液分离功能实现液体的回流，充分润湿微通道9，利用汽液分离后的纯蒸汽来提高冷凝器3的冷凝效率，从而在降低多通道蒸发器1温度波动的同时提高了散热器的传热效率，具有较好的推广价值。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置，包括多通道蒸发器(1)、蒸汽管道(2)、冷凝器(3)、液体管道(4)和多孔膜，其特征在于，多通道蒸发器(1)通过蒸汽管道(2)和液体管道(4)与冷凝器(3)相连，构成完整的工质循环通道；多通道蒸发器(1)包括多个并行的微通道(9)、受热面(11)、液体联箱(5)和蒸汽联箱(6)，液体联箱(5)和蒸汽联箱(6)分别构建于多通道蒸发器(1)的入口端和出口端，所述多孔膜包括亲液多孔膜(7)和疏液多孔膜(8)，亲液多孔膜(7)内插在液体联箱(5)中，疏液多孔膜(8)内插在蒸汽联箱(6)中。
2.根据权利要求1所述的内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置，其特征在于，亲液多孔膜(7)为不锈钢金属网、铝网、镍网、铜网或者其他金属网，疏液多孔膜(8)为聚四氟乙烯多孔材料、尼龙材料、高分子化合物材料或者其他有机材料。
3.根据权利要求1所述的内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置，其特征在于，亲液多孔膜(7)的孔径为微米量级，疏液多孔膜(8)的孔径为纳米量级。
4.根据权利要求1所述的内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置，其特征在于，亲液多孔膜(7)和疏液多孔膜(8)均通过镶边的方式进行固定，材料为具有一定硬度的金属或者非金属。
5.根据权利要求1所述的内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置，其特征在于，多通道蒸发器(1)内的微通道(9)的边壁通过烧结或者喷涂金属粉末以构造毛细吸液芯，或者在微通道(9)的壁面上刻画狭缝、沟槽等微细结构。
6.根据权利要求5所述的内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置，其特征在于，多通道蒸发器(1)的微通道(9)的数量最少为两根，其排列方式为顺排或叉排；当发热面(11)为多个时，需装配与发热面(11)相同数量的多通道蒸发器(1)与至少一个冷凝器(3)，微通道(9)的形状和数量根据传热总量和热流密度安排。
7.根据权利要求1所述的内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置，其特征在于，冷凝器(3)包括冷凝管(12)和散热翅片(10)，散热翅片(10)增大了冷凝面积,散热翅片(10)上开设有固定孔，通过在固定孔中穿上支撑架(13)对冷凝管(12)进行固定，冷凝管(12)为一根或者并联的多根，均从蒸汽联箱(6)伸出并从液体联箱(5)进入。
8.根据权利要求7所述的内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置，其特征在于，冷凝器(3)为水冷或者风冷或者混合冷却。
9.一种根据权利要求1-8任一所述的内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置的工作方法，其特征在于，
对散热装置进行抽真空操作并注入低沸点工质，当受热面(11)受热时，热量会经过壁面传递给微通道(9)内的低沸点工质，低沸点工质达到沸点并蒸发，蒸发产生的蒸汽汇集在蒸汽联箱(6)内，蒸汽在蒸汽联箱(6)内混合重新分配；
当蒸汽通过疏液多孔膜(8)时，由于疏液多孔膜(8)的疏液亲气特性，蒸汽自由通过并被均匀分配到冷凝器(3)中，蒸汽所携带的液体被疏液多孔膜(8)截留回流到多通道蒸发器(1)的微通道(9)中并对微通道(9)进行润湿；
进入冷凝器(3)中的蒸汽冷凝产生的液体通过液体管道(4)到达液体联箱(5)，当液体通过亲液多孔膜(7)时，由于亲液多孔膜(7)的亲液疏气特性，液体自由通过亲液多孔膜(7)，并根据各个微通道(9)的实际蒸发量而自适应调节供应液体量；
当微通道(9)内发生两相流来回震荡时，亲液多孔膜(7)阻碍两相流中气泡的通过，抑制沸腾不稳定性在多通道蒸发器(1)内的发生。
10.根据权利要求9所述的内插多孔膜汽液相分离式回路热管散热装置的工作方法，其特征在于，低沸点工质为去离子水、丙酮、FC-72、R123、R1233zd或者其他低沸点有机工质及其混合物。
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