CN112066769A - 非均匀散热的冷凝器和环路热管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天器及电子设备散热技术领域，具体而言，涉及一种非均匀散热的冷凝器和环路热管。非均匀散热的冷凝器包括冷凝管路和散热结构；散热结构设置在冷凝管路的一侧，用于对冷凝管路进行散热；沿冷凝管路内的工质流动方向，散热结构的散热效率由低到高变化。环路热管包括上述非均匀散热的冷凝器。本发明通过在冷凝管路上不同位置设置不同的散热效率，来提升在相同工况下的冷凝器的激活程度，使得多余的液体工质会存储在储液装置和液体干道中，减小漏热对冷凝器的影响，形成正向的有利于运行的气液分布，同时有利于在不同热载荷下形成冷凝器与储液装置的饱和温差和饱和压差，驱动工质进行正向流动，最终实现减小环路热管的系统热阻。

Description

非均匀散热的冷凝器和环路热管

技术领域

本发明涉及航天器及电子设备散热技术领域，具体而言，涉及一种非均匀散热的冷凝器和环路热管。

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。

工程应用中发现，当冷凝器冷凝能力太强时，会对环路热管传热性能和运行稳定性产生不利影响，主要现象为储液装置和液体干道始终处于两相态，导致蒸发器向储液装置漏热增大等，最终导致热阻偏大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非均匀散热的冷凝器和环路热管，其能够减小系统热阻。

本发明的技术方案是这样的：

一种非均匀散热的冷凝器，其包括冷凝管路和散热结构；

所述散热结构设置在所述冷凝管路的一侧，用于对所述冷凝管路进行散热；

沿所述冷凝管路内的工质流动方向，所述散热结构的散热效率由低到高变化。

优选的，所述散热结构包括扩展翅板组；

所述扩展翅板组包括多片扩展翅板，相邻的所述扩展翅板之间的间距，沿所述冷凝管路内的工质流动方向依次减小。

优选的，所述扩展翅板组包括多片扩展翅板，多片所述扩展翅板平行设置。

优选的，所述扩展翅板组远离所述冷凝管路的一端设置有送风装置。

优选的，所述送风装置的数量为多个，多个所述送风装置沿所述冷凝管路内的工质流动方向，所述送风装置的送风效率由低到高设置。

优选的，所述散热结构包括制冷器、扩展翅板组和换热板；

所述扩展翅板组设置在所述冷凝管路的一侧，所述换热板设置在所述扩展翅板组远离所述冷凝管路的一端；

冷媒循环流动在所述制冷器与所述换热板之间；

所述扩展翅板组包括多片扩展翅板，沿所述冷凝管路内的工质流动方向，相邻的所述扩展翅板的间距依次减小。

优选的，所述散热结构包括制冷器、扩展翅板组和换热板；

所述扩展翅板组设置在所述冷凝管路的一侧，所述换热板设置在所述扩展翅板组远离所述冷凝管路的一端；

冷媒循环流动在所述制冷器与所述换热板之间；

沿所述冷凝管路内的工质流动方向，所述换热板与所述扩展翅板组的接触界面的热阻依次减小。

优选的，所述冷凝管路包括多根冷凝分段管，多根所述冷凝分段管串联设置，且多根所述冷凝分段管平行设置。

优选的，所述散热结构包括辐射器；

所述辐射器设置在所述冷凝管路的一侧；

沿所述冷凝管路内的工质流动方向，相邻的两个所述冷凝分段管之间的间距依次增大。

本发明还提供了一种环路热管，其包括上述任一项所述的非均匀散热的冷凝器。

本发明的有益效果是：

通过在冷凝管路上不同位置设置不同的散热效率，来提升在相同工况下的冷凝器的激活程度，使得多余的液体工质会存储在储液装置和液体干道中，减小漏热对冷凝器的影响，形成正向的有利于运行的气液分布，同时有利于在不同热载荷下形成冷凝器与储液装置的饱和温差和饱和压差，驱动工质进行正向流动，最终实现减小环路热管的系统热阻。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的非均匀散热的冷凝器的第一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的非均匀散热的冷凝器的第二种结构示意图；

图3为本发明实施例提供的非均匀散热的冷凝器的第三种结构示意图；

图4为本发明实施例提供的非均匀散热的冷凝器的第四种结构示意图；

图5为本发明实施例提供的非均匀散热的冷凝器的第五种结构示意图；

图6为本发明实施例提供的非均匀散热的冷凝器的第六种结构示意图；

图7为本发明实施例提供的环路热管的结构示意图。

图中：

1：冷凝管路；2：扩展翅板组；3：送风装置；4：第一风扇；5：第二风扇；6：第三风扇；7：制冷器；8：换热板；9：接触界面；10：辐射器；11：冷凝分段管；12：冷凝器；13：蒸气输送管；14：储液装置；15：内芯；16：蒸发器；17：液体输送管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、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清楚、完整地描述，显然，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种非均匀散热的冷凝器，如图1-图6所示，其包括冷凝管路1和散热结构；散热结构设置在冷凝管路1的一侧，用于对冷凝管路1进行散热；沿冷凝管路1内的工质流动方向，散热结构的散热效率由低到高变化。

在本实施例中，从冷凝器12入口到出口，沿冷凝管路1内的工质流动方向，冷凝器12散热能力逐步增强的，根据工质特性或载荷情况，可设计成线性增强，或二次曲线增强等形式。

由于入口散热能力弱，即使在小功率下也可以有效激活冷凝器12，进而能够使液体流向储液装置14和液体干道，减小蒸发器16向储液装置14的漏热，进而确保形成运行所需的冷凝器12与储液装置14之间的饱和温差以及饱和压差，进一步驱动工质的正向流动。

在本实施例中，如图1-图6所示，箭头方向为冷凝管路1的工质的流动方向。

优选的，如图1所示，散热结构包括扩展翅板组2；扩展翅板组2包括多片扩展翅板，相邻的扩展翅板之间的间距，沿冷凝管路1内的工质流动方向依次减小。

这样的设置，使得散热效率沿冷凝管路1内的工质流动方向依次增加，进而能够有效激活冷凝器12，进而能够使液体流向储液装置14和液体干道，减小蒸发器16向储液装置14的漏热，确保形成运行所需的冷凝器12与储液装置14之间的饱和温差和饱和压差，进一步驱动工质的正向流动。

更具体的，在本实施例中，多片扩展翅板平行设置。

扩展翅板之间相互平行设置，使得设置扩展翅板时更加方便，安装工艺相对简单。

优选的，如图2和图3所示，扩展翅板组2远离冷凝管路1的一端设置有送风装置3。

具体的，扩展翅板组2为非均匀设置，在其端部设置送风装置3后，通过送风装置3向扩展翅板组2送风，能够快速带走扩展翅板组2中每一个扩展翅板表面的热量，进而能够加快扩展翅板组2的散热效率。

其中，在本实施例中，散热效率的变化，是通过扩展翅板组2的密度来实现的。

更具体的，如图2所示，在本实施例中，送风装置3的数量为单个。

需要指出的是，送风装置3的数量可以是单个，其也可以是设置为多个，其只要能够增加扩展翅板组2的整体散热效率即可。

优选的，如图3所示，送风装置的数量为多个，多个送风装置沿冷凝管路1内的工质流动方向，送风装置的送风效率由低到高设置。

具体的，在本实施例中，扩展翅板组2的密度沿工质流动方向可以是均匀设置，也可以是密度由小到大设置。

在本实施例中，从冷凝器12入口到出口，沿其冷凝管路1内的工质流动方向布置多个送风装置3，从入口到出口，送风装置3的送风效率逐渐增强，从而使冷凝器12实现非均匀的散热能力。

在本实施例中，送风装置3为散热风扇，当送风装置的数量为多个时，以送风装置的数量为三个进行举例，三个散热风扇分别为第一风扇4、第二风扇5和第三风扇6，第一风扇4的转速低于第二风扇5的转速，第二风扇5的转速低于第三风扇6的转速，进而实现冷凝器12的非均匀散热功能。

需要指出的是，在本实施例中，送风装置为散热风扇，但其不仅仅局限于散热风扇，其还可以是其他的送风装置，如还可以是风机等，其只要能够通过空气的流动，将扩展翅板表面的热量带走，进而实现加快扩展翅板组2的散热效率即可。

通过不同转速的送风装置的设计，冷凝器12的散热能力使之逐渐增强，使之与蒸发器16上的热载荷匹配。具体的匹配原则是使在设定热载荷范围内，冷凝管路1有效散热长度(两相冷凝区)不小于某一个比例，比如40％-90％。从而确保冷凝器12管充分激活，将液体推入储液装置14。

优选的，如图4所示，散热结构包括制冷器7、扩展翅板组2和换热板8；扩展翅板组2设置在冷凝管路1的一侧，换热板8设置在扩展翅板组2远离冷凝管路1的一端；冷媒循环流动在制冷器7与换热板8之间；扩展翅板组2包括多片扩展翅板，沿冷凝管路1内的工质流动方向，相邻的扩展翅板的间距依次减小。

具体的，在本实施例中，通过制冷器7和换热板8的配合，即通过热交换的方式，实现增加扩展翅板组2的散热效率的功能。

在本实施例中，扩展至翅板组的密度在各个位置均不相同，其沿冷凝管路1内的工质流动方向依次增大。

优选的，如图5所示，散热结构包括制冷器7、扩展翅板组2和换热板8；扩展翅板组2设置在冷凝管路1的一侧，换热板8设置在扩展翅板组2远离冷凝管路1的一端；冷媒循环流动在制冷器7与换热板8之间；沿冷凝管路1内的工质流动方向，换热板8与扩展翅板组2的接触界面9的热阻依次减小。

冷凝管路1通过扩展翅板组2与换热板8耦合形成换热器，从冷凝器12入口到出口方向，扩展翅板组2与换热板8之间的接触界面9为多段的、热阻逐渐减小的，外部使用制冷器7等形式通过冷媒循环对换热板8进行冷却。

具体的，在本实施例中，冷媒可以是水，也可以是其他介质，其只要能够通过冷媒将制冷器7的低温与换热板8的高温进行热交换即可。

制冷器7与换热板8进行热交换后，换热板8再与扩展翅板组2进行热交换，或直接与冷凝管路1进行热交换。

调节冷凝器12上安装的扩展翅板组2与换热板8间的多段接触界面9的热阻变化来调节冷凝器12的散热能力，使之逐渐增强，且与蒸发器16上的热载荷匹配。具体的匹配原则是在设定热载荷范围内，冷凝分段管11的有效散热长度(即两相冷凝区)不小于某一个比例，比如40％-90％。从而确保冷凝管路1的充分激活，能够将液体推入储液装置14。

调节接触界面9的热阻的方法包括但不限于：采用不同性能的界面填料、添加隔热层等。

在本实施例中，散热结构的散热方式为热交换式散热，其可以是制冷器7和换热板8，但其不仅仅局限于这一种热交换散热方式，其还可以是其他的热交换形式，其只要能够实现增加扩展翅板组2的散热效率即可。

在本实施例中，换热板8可以是通过与扩展翅板组2进行热交换而实现对冷凝管路1的降温散热，也可以是直接将换热板8与冷凝管路1接触，对冷凝管路1进行降温散热。

优选的，如图6所示，冷凝管路1包括多根冷凝分段管11，多根冷凝分段管11串联设置，且多根冷凝分段管11平行设置。

更优选的，在本实施例中，如图6所示，散热结构包括辐射器10；辐射器10设置在冷凝管路1的一侧；沿冷凝管路1内的工质流动方向，相邻的两个冷凝分段管11之间的间距依次增大。

串联的冷凝分段管11与辐射器10进行热耦合，从冷凝器12的入口到冷凝器12的出口，相邻的冷凝分段管11之间的间距逐渐增大，单个冷凝分段管11耦合的辐射器10面积逐渐增大，即辐射散热能力逐渐增强。

在本实施例中，所有热量通过辐射形式排散。

串联变间距的冷凝分段管11与辐射器10进行热耦合后，调节串联的冷凝分段管11之间的间距来调节单个的冷凝分段管11的散热能力使之逐渐增强，使之与蒸发器16上的热载荷匹配。具体的匹配原则是使在设定热载荷范围内的所有冷凝分段管11的有效散热长度(即两相冷凝区)不小于某一个比例，比如40％-90％。从而确保冷凝管路1能够被充分激活，能够将液体推入储液装置14。

在本发明中，还可以设置控制器，通过控制器对冷凝管沿工质流程方向上的散热结构的散热效率的变化进行精确控制，以达到最佳的效果。

本发明还提供了一种环路热管，如图7所示，其包括上述任一项所述的非均匀散热的冷凝器12。

在本实施例中，环路热管主要包括蒸发器16、冷凝器12、储液装置14、蒸气输送管13和液体输送管17。整个循环过程如下：液体在蒸发器16中的内芯15外表面蒸发，吸收蒸发器16外的热量，产生的蒸气从蒸气输送管13流向冷凝器12，在冷凝器12中释放热量给热沉冷凝成液体，最后经过液体输送管流入储液装置14，储液装置14内的液体工质维持对蒸发器16内的内芯15的供给。

在本实施例中，内芯15为毛细结构，其能够为环路热管提供工质循环所需的毛细力。

在环路热管中，毛细力是驱动工质循环的动力，工质在毛细孔内产生的毛细力大小必须能抵消循环过程中所需克服的所有压降，这些压降主要为蒸气流动阻力，冷凝器12内的两相区、过冷区的流动阻力，液体输送管17流动阻力，液体流过内芯15所需克服的阻力。

而环路热管中有三个部件内工质是以饱和状态存在的，即蒸发器16、冷凝器12，以及在被液体充满之前处于气液两相的饱和状态的储液装置14。

综上所述，工质循环流动需要在蒸发器16、冷凝器12和储液装置14之间存在驱动压差。而在此三个部件均处于饱和状态时，只有存在一定的饱和温差，才能形成饱和压差，实现工质在环路热管内进行循环流动。

因此，“环路热管正常运行时毛细力需能克服阻力”在另一个角度上可以解读成，环路热管正常运行时，蒸发器16、冷凝器12和储液装置14间需形成一定的温差。

环路热管在热载荷变化时，冷凝器12的有效冷凝面积(两相区长度)会随之变化，回路内的气液分布状态也会发生变化。

具体的，在本实施例中，当热载荷较小时，冷凝器12有效冷凝面积较小，较多的液体工质停留在冷凝器12的过冷区，储液装置14只容纳着较少的液体工质；当热载荷增大时，冷凝器12有效冷凝面积增大，两相区长度增大而过冷区长度减小，多余的液体流向储液装置14，储液装置14内需要容纳较多的液体工质，直到热载荷大到一定程度，储液装置14完全被液体充满而处于过冷状态。

此外，环路热管还有一个特性，当储液装置14和液体干道内含液率偏小时，液体干道会向热管一样蒸发冷凝传热，将蒸发器16内的内芯15的漏热向储液装置14进行传递，导致漏热增大，不利于形成蒸发器16和储液装置14间的温差和压差，也影响运行的稳定性。

目前使用的环路热管中，冷凝器12均是根据最大传热能力进行设计，冷凝能力是恒定的，因此，一般情况下，环路热管在小功率下工作温度低，大功率下工作温度则高。

但是，工程应用中发现，当环路热管的冷凝器12为固定散热能力且冷凝能力太大时，会出现如下问题：

(1)蒸气工质进入冷凝器12后只需很小的面积就冷凝成液体，且换热温差小，不足以形成对储液装置14的相对温差，此饱和温差对应的压差是工质从冷凝器12流向储液装置14的驱动力，即无法形成足够的驱动力；

(2)由于冷凝器12冷凝能力强、温度低，液体工质会趋向于存在于冷凝器12，冷凝器12无法完全激活，进行有效散热；

(3)储液装置14和液体干道内工液体偏少导致蒸发器16向储液装置14的漏热增大，进一步加剧形成蒸发器16和储液装置14间饱和温差和压差的难度；

上述三个问题最终会导致环路热管的工作温度偏高，传热热阻偏大，运行不稳定甚至烧干现象。

在本实施例中，使用上述具有非均匀散热能力的冷凝器12的环路热管，在相同工况下可提升冷凝器12激活程度，多余的液体工质会存储在储液装置14和液体干道，减小漏热影响，形成正向有利于运行的气液分布，同时有利于在不同热载荷下形成冷凝器12与储液装置14的饱和温差和压差，驱动工质正向流动，最终可减小环路热管的系统热阻，提升系统运行稳定性，避免出现冷凝管路的烧干等现象。

冷凝器散热能力和热负荷匹配时，冷凝器可被最大程度激活，液体工质会被推去储液器和液体干道，而储液器和液体干道的含液率越高，液体干道越趋向于被液体充满，由于液体导热系数低，此时漏热很小。

当冷凝器散热能力与热负荷不匹配，散热能力大于热负荷时，冷凝器没有被最大程度激活，液体存在于冷凝器，储液器和液体干道内含液率低，此时液体干道存在蒸气，蒸发器向储液器的漏热为热管式的蒸发冷凝两相换热，漏热量极大。

因此，本发明的有益效果是：

通过在冷凝管路1上不同位置设置不同的散热效率，能够提升在相同工况下的冷凝器12的激活程度，使得多余的液体工质会存储在储液装置14和液体干道中，减小漏热对冷凝器的影响，形成正向的有利于运行的气液分布，同时有利于在不同热载荷下形成冷凝器12与储液装置14的饱和温差和饱和压差，驱动工质进行正向流动，最终实现减小环路热管的系统热阻。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非均匀散热的冷凝器，其特征在于，包括冷凝管路和散热结构；

所述散热结构设置在所述冷凝管路的一侧，用于对所述冷凝管路进行散热；

沿所述冷凝管路内的工质流动方向，所述散热结构的散热效率由低到高变化。

2.根据权利要求1所述的非均匀散热的冷凝器，其特征在于，所述散热结构包括扩展翅板组；

所述扩展翅板组包括多片扩展翅板，相邻的所述扩展翅板之间的间距，沿所述冷凝管路内的工质流动方向依次减小。

3.根据权利要求2所述的非均匀散热的冷凝器，其特征在于，多片所述扩展翅板平行设置。

4.根据权利要求2所述的非均匀散热的冷凝器，其特征在于，所述扩展翅板组远离所述冷凝管路的一端设置有送风装置。

5.根据权利要求4所述的非均匀散热的冷凝器，其特征在于，所述送风装置的数量为多个，多个所述送风装置沿所述冷凝管路内的工质流动方向，所述送风装置的送风效率由低到高设置。

6.根据权利要求1所述的非均匀散热的冷凝器，其特征在于，所述散热结构包括制冷器、扩展翅板组和换热板；

所述扩展翅板组设置在所述冷凝管路的一侧，所述换热板设置在所述扩展翅板组远离所述冷凝管路的一端；

冷媒循环流动在所述制冷器与所述换热板之间；

所述扩展翅板组包括多片扩展翅板，沿所述冷凝管路内的工质流动方向，相邻的所述扩展翅板的间距依次减小。

7.根据权利要求1所述的非均匀散热的冷凝器，其特征在于，所述散热结构包括制冷器、扩展翅板组和换热板；

所述扩展翅板组设置在所述冷凝管路的一侧，所述换热板设置在所述扩展翅板组远离所述冷凝管路的一端；

冷媒循环流动在所述制冷器与所述换热板之间；

沿所述冷凝管路内的工质流动方向，所述换热板与所述扩展翅板组的接触界面的热阻依次减小。

8.根据权利要求1所述的非均匀散热的冷凝器，其特征在于，所述冷凝管路包括多根冷凝分段管，多根所述冷凝分段管串联设置，且多根所述冷凝分段管平行设置。

9.根据权利要求8所述的非均匀散热的冷凝器，其特征在于，所述散热结构包括辐射器；

所述辐射器设置在所述冷凝管路的一侧；

沿所述冷凝管路内的工质流动方向，相邻的两个所述冷凝分段管之间的间距依次增大。

10.一种环路热管，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的非均匀散热的冷凝器。

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