CN113079681A - 两相双路自循环散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种两相双路自循环散热装置，包括吸热端、导热段、散热端及液体回流管，与发热体贴合的吸热端内液体受热蒸发，热蒸汽经导热段导管由构成散热端的热交换器上入口进入，经过热交换器的冷却被冷凝为液体后靠自身重力沿热交换器的管道下降到下出口，通过一条与吸热端的下端内腔体联通的液体回流管，形成一条冷凝后液体的专用回流通路。与普通热管最大的差别是本设计的吸热端与散热端可以实现最终的两相吸热与散热功能，而无需再增加额外的吸热板与散热器，该装置可配置足量的可蒸发导热液体，同时配有冷却后液体的快速回流专用通道，热传导能力显著高于传统热管。

Description

两相双路自循环散热装置

技术领域

本发明涉及散热技术领域，具体涉及一种两相双路自循环散热装置。

背景技术

传统的散热装置有风冷、水冷、半导体制冷、压缩机制冷、热管热传导再配合风冷。

其中风冷是在发热部位加装散热片然后使用风机完成散热。优点是结构简单，但散热效率不高。

水冷是在发热部位贴装一个具有液体进出口通路的导热部件利用水箱、管道连接一个热交换器与风机的组合，通过水泵形成循环传热的散热装置。优点是传热效率比风冷高，但结构复杂维护工作量较大。

半导体制冷是将制冷片的冷面贴装发热面上，制冷片的热面加装风冷或水冷装置。半导体制冷的缺点是能效低，耗能高。

压缩机制冷具有较高的能效，但散热装置结构复杂。

热管是目前传热领域效率最高的产品。它是利用液体在一定真空度的管道内受热蒸发，在冷却段遇冷再变为液体然后附着在管壁上渗透纤维层实现回流。在热管的两端分别加装吸热与散热结构体，并在散热体上利用风机散热。

但热管在目前机电散热领域只能对很小的发热量实施传导散热，相对与其它散热方式热管只是个优质的传热元件，不能实现大功率及指标明确的散热目的。

技术方案

本发明的目的是利用热管的基本传热方式实现大功率与控热目标明确的传导散热装置。

本发明提供的基本结构是这样实现的：设置一个具有吸热端、导热段、冷凝端的热管原理的系统，吸热端体起码有一面设置为与发热面相贴合，吸热端体设置为一个中空容器，容器内容积满足灌装有可受热蒸发、可平衡发热功率的液体量，受热后的热蒸汽通过导热段导管传导到散热端，散热端的典型结构是由翅片管式热交换器构成，翅片管式热交换器的上口连接导热管，下口是冷凝后液体的出口，热交换器出口连接一条液体回流管，液体回流管的另一端连接与吸热体下端内腔体连通，这样就形成一个冷凝液体的回流通路，在热交换器正面安装有一个风机，风机气流通过管道外翅片实施散热，实现了吸热气化与冷凝后通过专用管道实现液体回流的两相自循环热交换。

其中，所述吸热端设置为一个或两以上并联的中空容器，容器内盛装有可受热蒸发、可平衡发热功率的液体，液体变为气体的相变过程将会吸收更多的热量。

其中，所述导热段为蒸汽传输导管，负责将吸热端热蒸汽传输到散热端。

其中，所述散热端优选由翅片管式热交换器构成，热蒸汽由翅片管式热交换器的上入口进入，被冷凝为液体后靠自身重力沿热交换器管道下降经热交换器下出口，通过一条与吸热端体的下端内腔体联通的液体回流管，形成一条冷凝后液体的专用回流通路。

其中，吸热端与需要散热的发热部位实现大面积贴合导热接触。

其中，当吸热端体量较小液体无法满足蒸发量时可以另外设置液体储存装置。

其中，吸热端的上端口与翅片管式热交换器的上端口用传热导管连通，吸热端的下端口与翅片管式热交换器的下端口由液体回流管连通，外置储液罐与吸热端的上口用管道连通，实现外置储液罐与吸热端内腔压力均衡，外置储液罐下部同时与吸热端下部内腔用液体回流管接通，实现及时的液体补充。

还可以将液体回流管局部变形加粗作为另一种补充液体的外置储液罐形式。

其中，系统散热端可选用多种可以使冷凝液体靠自重回流的热交换器；例如翅片管式热交换器、微通道热交换器。

热交换器的选择可以用下述两种技术结构；

一是，管路相互平行，管路同时平行于于水平面，相邻管路由U型弯头连接成一条流路的应用结构。

二是，热交换器管路相互平行，管路轴心垂直于水平面的应用结构，所有管路进口分别并联导通于导热管出口，所有下部回流端口并联导通于液体回流管。

其中，散热端可以由多个热交换器并联工作。

其中，吸热端的一种典型的应用可以使用板式或者管式热交换器中的一条流路，另一条流路通过连续的需要散热的热流体。

有益的效果

本发明提供的两相双路自循环散热装置配置有足量的可蒸发导热液体，同时配有冷却后液体的快速回流专用通道，热传导能力显著高于传统热管，克服了传统热管无法应用于大功率散热的弊端。

附图说明

图1是本发明两相双路自循环散热装置第一实施方式的结构示意图；

图2是本发明两相双路自循环散热装置第二实施方式的结构示意图；

图3是本发明两相双路自循环散热装置对液体实施散热的原理图；

图4是本发明两相双路自循环散热装置在蒸发液体容量不足时，将液体回流管局部加粗作为液体储存罐的原理图。

具体实施方式

本发明提供一种两相双路自循环散热装置：包括吸热端、导热段、散热端及液体回流管。

所述吸热端设置为一个或两个以上并联的中空容器，容器内盛装有可受热蒸发、可平衡发热功率的液体，液体变为气体的相变过程将会吸收更多的热量。

所述导热段为蒸汽传输导管，负责将吸热端热蒸汽传输到散热端。

所述散热端优选由翅片管式热交换器构成，热蒸汽由翅片管式热交换器的上入口进入，被冷凝为液体后靠自身重力沿热交换器管道下降经热交换器下出口，通过一条与吸热端体的下端内腔体联通的液体回流管，形成一条冷凝后液体的专用回流通路。这种结构实现了水受热相变为蒸汽，蒸汽沿导热管到达热交换器实现冷却放热再相变成液体，液体经回流管再流回吸热端内腔的两相双路自循环过程。

吸热端与需要散热的发热部位实现大面积接触导热接触。

对于CPU芯片类电子散热，需要设置一个发热体的贴合面，吸热端只要保证有一定的液体容量，外形可以根据应用场景合理设计，没有特别的要求。吸热端可并联一个以上小容量可蒸发液体容器。

当需要散热的部位为静止液体时，将吸热端完全浸入液体，实现最大热传导。当需要散热液体是流动液体时吸热端可选用规格相匹配的管式或板式换热器替换翅片管式换热器，把换热器其中一个流路作为吸热端，另一条流路作为热流体通道。

其中，当被散热的发热体外空间受限制时可以缩小吸热端的体积与液体容积，还需要设置液体储存装置，用于补充液体蒸发量。

在这种情况下，吸热端的上端口与翅片管式热交换器的上端口用传热导管连通，吸热端的下端口与翅片管式热交换器的下端口由液体回流管连通。外置储液罐与吸热端的上部端口用管道连通，实现外置储液罐与吸热端内腔压力均衡。外置储液罐下部端口同时与吸热端下部内腔用液体回流管接通，实现及时的液体补充。

可以将液体回流管局部变形加粗作为另一种外置储液罐形式，上部直接用回流管连通热交换器下口，下部用连接管与吸热端体的下部内腔连通。

系统散热端可选用多种可以使冷凝液体靠自重回流的热交换器；例如翅片管式热交换器、微通道热交换器等。

热交换器的技术结构可以是管路相互平行并平行于水平面，相邻管路由U型弯头连接成一条流路的应用结构。

热交换器也可以是管路相互平行并垂直于水平面的应用结构，所有管路进口分别并联导通于导热管出口，所有下部回流端口并联导通于液体回流管。

散热端可以由多个热交换器并联工作。散热端也可以选用能效匹配的管式或板式热交换器中的一条流路，另一条流路通过连续的冷却流体实施散热。

当冷凝介质不用空气而是用水或其它介质时散热端体也可以不采用翅片，可以应用多管并联方式。

蒸发液体是任何没有腐蚀型液体，符合普通热管技术规范。

以下采用实施例和附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

图1展示了本发明两相双路自循环散热装置的一种实施方式，在需要散热的发热体1表面固定安装吸热端2，吸热端2是一个中空的壳体，里边装有可蒸发导热液体6，吸热端2设置一个发热体1的贴合面，吸热端2的上部连通传热导管3，下部连通液体回流管5，传热导管3的另一端连通翅片管式热交换器4的上端口，热交换器的下端口与液体回流管5的上端连通。

为了实现装置内部真空度要求及注水，需要在传热导管3上设置抽真空工艺管及注水管，完成后可以全部封死，对于大型系统也可以设置可密封阀开关。

在不同的真空度下吸热端2内部的液体6就会有不同的蒸发温度，蒸发温度直接相关发热体的温度，例如在真空度-96.8Kpa时水的沸点是30摄氏度。只要吸热端体与发热体保持良好导热接触发热体的温度就被制约在水的沸点。发热体的热功率直接相关液体6的灌注量，也就是发热体热流量越大吸热端体内液体6的蒸发量越多，为保持系统的连续吸热与散热就必须保持吸热端体内液体6的液面高度。翅片管式热交换器4同时匹配风机的散热能力需要对等需要的散热量，相关设计可依据行业设计手册数据。

液体6的灌注量在满足散热过程的液体与气体的相变回流过程中还必须保证最低液面要高于吸热端2下部的回流管5的下口。目的是维护清晰的两相流动，避免回流管出现蒸汽而降低传热效率。

翅片管式热交换器4与吸热端2有高度差才能保证蒸发液体的自行回流，也就是要求翅片管式热交换器的下口最少要高于吸热端体的上口。

图2是发热体外空间受限制时本发明两相双路自循环散热装置的一种实施方式，上连通管7两端分别连通外置储液罐8与吸热端2的上部，上连通管7起到压力平衡作用。所以对管径没有特殊要求，可以使用4毫米以下的微细管。下连通管9两端分别连接外置储液罐8下部与吸热端2的下部并与液体回流管5连通，当吸热端体量较小，液体不能满足蒸发量时外置储液罐里的液体会自动补充。因此外置储液罐8的安装应保证内部的液体面与导热端体液体平面的水平高度一致。

图3是设想针对一箱或流动的液体实施散热的原理图。发热体1内盛满热液体，吸热端2为多个并联的导热端体，全部导热端体浸入发热液体内，导热端体可以是多管并联或者小容量立方体并联，里面装有可蒸发导热液体6。翅片管式热交换器4可以是多管并联结构形式，热交换器管路相互平行管路轴向垂直于水平面的结构，该结构更有利于冷凝后液体的快速回流。所有管路上端进口分别并联导通于导热管3的上端，翅片管式热交换器4的下端并联导通回流管5。当导热端体2内液体容量无法匹配受热蒸发所需要的蒸发量时，可以设置外置液体罐8。外置液体罐8上部用上连通管7与导热管3连通，目的是保持外置液体罐与导热端体2压力相等，下连通管9，两端分别连通回流管5与液体罐8下端，用于补充吸热端体蒸发液体。

图4是针对吸热端体2的容积在蒸发液体容量不足时将液体回流管局部改为大容积腔体的原理图。这是补充吸热端体内可蒸发液体容量不足时的另一种补充液体的结构形式。

外置液体罐8的上部直接连通回流管5，下部用连接管9与吸热端体2的下部连通。外置液体储存罐8与连接管9实际上就是将液体回流管5局部改为大容积腔体后的结构。

吸热端体2另一种典型的应用可以使用板式或者管式热交换器中的一条流路，另一条流路通过连续的需要散热的热流体。

系统散热端可选用多种可以使冷凝液体靠自重回流的热交换器；例如翅片管式热交换器、微通道热交换器等，必须配备相应的风机实施散热。

在某种应用系统中散热端体也可以选用能效匹配的管式或板式热交换器中的一条流路，另一条流路通过连续的冷却流体实施散热。

与现有热管技术相同的是本设计所述的所有形式中的吸热端体内壁最佳结构是设置吸液纤维结构。

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种两相双路自循环散热装置，包括吸热端、导热段、散热端及液体回流管，其特征在于：与发热体贴合的吸热端内液体受热蒸发，热蒸汽经导热段导管由构成散热端的热交换器上入口进入，经过热交换器的冷却被冷凝为液体后靠自身重力沿热交换器的管道下降到下出口，通过一条与吸热端的下端内腔体联通的液体回流管，形成一条冷凝后液体的专用回流通路。

2.如权利要求1所述的两相双路自循环散热装置，其特征在于：所述吸热端设置为一个以上并联的中空容器，容器内盛装有可受热蒸发、可平衡发热功率的液体。

3.如权利要求2所述的两相双路自循环散热装置，其特征在于：。吸热端可使用板式或者管式热交换器中的一条流路，另一条流路通过连续的需要散热的热流体。

4.如权利要求1所述的两相双路自循环散热装置，其特征在于：所述散热端可由多种可让液体自重回流的热交换器构成，例如翅片管式热交换器、微通道热交换器等构成。

5.如权利要求4所述的两相双路自循环散热装置，其特征在于：翅片管式热交换器、微通道热交换器，换热器管路相互平行并将管道设置为垂直于水平面的应用结构，所有管路上部进口分别并联导通于导热管出口，所有下部回流端口并联导通于液体回流管。

6.如权利要求4所述的两相双路自循环散热装置，其特征在于：热交换器的技术结构可以是管路相互平行并平行于水平面，相邻管路由U型弯头连接成一条流路的应用结构。

7.如权利要求1所述的两相双路自循环散热装置，其特征在于：吸热端与需要散热的发热部位实现大面积贴合导热接触。

8.如权利要求1所述的两相双路自循环散热装置，其特征在于：可设置液体储存补充装置。

9.如权利要求8所述的两相双路自循环散热装置，其特征在于：吸热端的上端口与翅片管式热交换器的上端口用传热导管连通，吸热端的下端口与翅片管式热交换器的下端口由液体回流管连通，外置储液罐与吸热端的上口用管道连通，实现外置储液罐与吸热端内腔压力均衡，外置储液罐下部同时与吸热端下部内腔用液体回流管接通，实现及时的液体补充。

10.如权利要求8所述的两相双路自循环散热装置，其特征在于：可以将液体回流管局部变形加粗作为另一种外置储液罐形式，上部直接用回流管连通热交换器下口，下部用连接管与吸热端体的下部内腔连通。

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