CN113446888B - 适用于长距离热传输的多蒸发器平板式环路热管系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子器件散热和热管相关技术领域，其公开了一种适用于长距离热传输的多蒸发器平板式环路热管系统，系统包括多个平板式蒸发器、多个外置补偿腔、管路以及冷凝器，其中：外置补偿腔与平板式蒸发器一一对应连接，并设于蒸发器的进口处，通过内外补偿腔连接管路与平板式蒸发器内部的补偿腔连通，外置补偿腔内壁以及内外补偿腔连接管路内壁均设置有二次毛细芯，且外置补偿腔的进口高于出口；多个平板式蒸发器并联排出的气体混合后进入冷凝器冷凝成液体后排入外置补偿腔进行再次循环。通过增设具有二次毛细芯的外置补偿腔提高了系统储液上限满足长距离热传输的要求，扩展了环路热管在大功率电子设备、航天器、大型空间站等领域的应用。

Description

适用于长距离热传输的多蒸发器平板式环路热管系统

技术领域

本发明属于电子器件散热和热管相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于长距离热传输的多蒸发器平板式环路热管系统。

背景技术

随着信息化时代的到来，高功率电子设备的广泛应用带来了对于高效散热技术的迫切需求。高热通量、多热源情形下的散热问题成为了制约航空航天、信息技术发展的瓶颈技术，因此发展针对高功率高热流密度电子元件的散热技术迫在眉睫。

环路热管作为一种高效的两相被动传热装置，依靠相变实现高效传热，同时由于其结构特性使其具有能够适应长距离热传输，快速启动和可靠性性高等优点，成为解决高热量密度电子器件散热问题的重要手段。而平板式环路热管由于其无需过渡面即可与热源紧密贴合，因而具有重量轻、接触热阻低、所需安装空间小等优势，在地面电子器件散热、空间热管理等领域具有很大的应用前景。

但平板式蒸发器环路热管应用时存在以下问题：

(1)蒸发器内置补偿腔体积通常较小，在承受高热载荷时由于体积不足造成工质供应不足，可能导致蒸发器内毛细芯被蒸干，这对环路热管的运行产生极大的影响，限制环路热管的极限热负荷；

(2)环路热管系统的稳定运行需要满足毛细芯抽吸力足以克服系统压降，由于平板式蒸发器的体积限制，使毛细芯相应蒸发面积减小，导致在长距离运输时毛细芯抽吸力难以克服系统所产生的压降，限制了热传输距离的增加；

(3)在长距离热传输时需要增加内置补偿腔的体积，即增加了蒸发器的体积，降低了系统布置的灵活性；同时由于内置补偿腔体积在整个蒸发器内占比增加，导致侧壁漏热量增加，进而影响环路热管的运行性能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于长距离热传输的多蒸发器平板式环路热管系统，通过增设具有二次毛细芯的外置补偿腔提高了系统储液上限满足长距离热传输的要求，同时增强了供液能力满足长距离或多热源散热的需求，扩展了环路热管在大功率电子设备、航天器、大型空间站等领域的应用。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于长距离热传输的多蒸发器平板式环路热管系统，所述系统包括多个平板式蒸发器、多个外置补偿腔、内外补偿腔连接管路以及冷凝器，其中：外置补偿腔的个数与所述平板式蒸发器的个数相同，所述外置补偿腔与所述平板式蒸发器一一对应连接，并设于蒸发器的进口处，通过内外补偿腔连接管路与平板式蒸发器内部的补偿腔连通，所述外置补偿腔内壁以及内外补偿腔连接管路内壁均设置有二次毛细芯，且所述外置补偿腔的进口高于出口；多个平板式蒸发器并联排出的气体混合后进入冷凝器冷凝成液体后排入所述外置补偿腔进行再次循环。

优选地，当平板式蒸发器为偶数时，多个平板式蒸发器两两并联产生的气体进行二叉树式汇合，所述冷凝器排出的液体进行二叉树式分散至所述多个外置补偿腔。

优选地，所述内外补偿腔连接管路与平板式蒸发器内部的补偿腔的上部连接。

优选地，所述平板式蒸发器包括底盖、毛细芯以及壳体，毛细芯设于壳体和底盖之间，其中，毛细芯与壳体之间的区域为内部补偿腔，毛细芯与底盖之间的区域为蒸汽槽道。

优选地，所述壳体和底盖之间形成的空腔还包括集气腔，所述集气腔设于所述蒸汽槽道的外围，与所述蒸汽槽道贯通，蒸汽槽道内的气体通过所述集气腔缓冲后经蒸汽出口排出。

优选地，所述毛细芯与所述壳体间设有弹簧，所述弹簧具有预拉力使得毛细芯与所述壳体间紧密接触。

优选地，所述内部补偿腔的内壁面均设有二次毛细芯。

优选地，所述毛细芯为金属烧结毛细芯、非金属毛细芯或金属丝网毛细芯中的一种。

优选地，所述壳体的壁厚为1～1.5mm，所述蒸汽槽道的高度为1～2mm。

优选地，所述冷凝器为一组或多组，当为多组时采用并联式连接。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的适用于长距离热传输的多蒸发器平板式环路热管系统具有如下有益效果：

1.当传输距离增加时气体管路长度需要增加，所需补偿腔的体积也随之增加，进而带来整个系统厚度增加，这与目前系统小型化、微型化的发展方向相悖，本申请通过设置具有二次毛细芯的外置补偿腔，通过将内部补偿腔外置可以有效的在纵向上降低系统高度，便于平板式环路热管的安装与实际使用，同时实现在较高传热稳定性和效率的前提下的设计要求；

2.与圆柱式蒸发器环路热管侧向供液方式不同平板式环路热管由于补偿腔位于加热面上方为纵向供液，补偿腔距离加热面更近且加热面与热源间无需鞍座结构直接接触，因此在平板式蒸发器环路热管中受热面向内部补偿腔的漏热更为严重造成补偿腔内部温度的升高和波动，严重时甚至会导致补偿腔内液体工质沸腾，系统运行失败。本发明将部分补偿腔外置在蒸发器进液管路上，使得内外两个补偿腔分别起到了供液和储液的功能，所述内部补偿腔只起到供液的功能，因此所需体积减小，相应的内表面积下降，蒸发器受热后热量经侧壁向补偿腔传导量得以降低，降低了侧壁漏热，同时外置补偿腔设于外部可以及时向内部补偿腔供液，不会出现内部补偿腔干烧的问题，保证了系统的稳定性；

3.蒸汽槽道的外围设有集气腔，与所述蒸汽槽道贯通，蒸汽槽道内的气体通过所述集气腔缓冲后经蒸汽出口排出，一方面可以使得环路热管在承受较高热载荷时产生的大量工质蒸汽在进入气体管路前得以缓冲，降低气体管路内的流动阻力；另一方面集气腔进一步降低了热源向内部补偿腔的散热；

4.由于平板式蒸发器体积的限制，内部毛细芯面积相应减小，毛细芯产生的抽吸力难以克服系统所产生的压降，会造成系统启动困难，本申请中所述外置补偿腔内壁以及内外补偿腔连接管路均设置有二次毛细芯，能够增强蒸发器内毛细芯的供液能力，改善循环时毛细芯的供液情况，改善蒸发器的启动性能；

5.在高热载荷下，由于平板式蒸发器补充腔体积受限，会出现供液不足的问题，外置补偿腔可以提高系统的充灌率，从而增加系统内存储的工质质量，进而改善长距离热传输时供液不足的问题；

6.冷凝器排出的液体进行二叉树式分散至所述多个外置补偿腔实现多个外置补偿腔间节点的互联，面对多热源的环路热管系统不可避免的需要面对各个蒸发器承受不等热载荷的情况，承受高热载荷的蒸发器可能会出现毛细芯“烧干”的情况，通过此种布置方式使得各蒸发器外置补偿腔内压力相互连通从而实现液体共享，低热载荷支路可以向高热载荷支路进行液体补充，避免高热载荷支路出现“烧干”的情况，保证了系统面对多热源时运行的可靠性。

附图说明

图1是本实施例的双蒸发器环路热管系统的结构示意图；

图2是本实施例的四蒸发器环路热管系统的结构示意图；

图3是本实施例的平板式蒸发器的主视图；

图4是本实施例的平板式蒸发器的剖视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-平板式蒸发器；1-1-底盖；1-2-蒸汽槽道；1-3-毛细芯；1-4-内部补偿腔；1-5-集气腔；0出口；1-7-壳体；2-内外补偿腔连接管路；3-外置补偿腔；4，5-液体管路；6-冷凝器；7-气体管路，3-3-二次毛细芯。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明提供了一种适用于长距离热传输的多蒸发器平板式环路热管系统，所述系统包括多个平板式蒸发器，多个外置补偿腔，管路以及冷凝器。

平板式蒸发器的数量根据具体的散热源的数量而定，外置补偿腔与平板式蒸发器的数量相同，且与平板式蒸发器一一对应连接，并设于蒸发器的进口处，通过内外补偿腔连接管路与平板式蒸发器内部的补偿腔连通。

进一步的，当平板式蒸发器为偶数时，多个平板式蒸发器两两并联产生的气体进行二叉树式汇合，所述冷凝器排出的液体进行二叉树式分散至所述多个外置补偿腔。

所述外置补偿腔内壁以及内外补偿腔连接管路内壁均设置有二次毛细芯，且所述外置补偿腔的进口高于出口。所述内外补偿腔连接管路与平板式蒸发器内部的补偿腔的上部连接。

多个平板式蒸发器并联排出的气体混合后进入冷凝器冷凝成液体后排入所述外置补偿腔进行再次循环。

本实施例中，如图3和图4所示，平板式蒸发器1包括底盖1-1、毛细芯1-3以及壳体1-7，毛细芯1-3设于壳体1-7和底盖1-1之间。毛细芯1-3的边缘与壳体1-7密封连接，将壳体1-7与底盖1-1之间的空间分成两部分，其中毛细芯1-3与壳体1-7之间的的区域为内部补偿腔1-4，毛细芯1-3与底盖1-1之间的区域为蒸汽槽道1-2。

壳体1-7的材料优选为不锈钢，壁厚为1～1.5mm，壁厚设置为较小值有利于减少平板式蒸发器1向内部补偿腔1-4的侧壁漏热。

底盖1-1直接与热源相接触，可采用导热率相对较高的材料加工，减小热量向毛细芯1-3传递时的热阻，底盖1-1与壳体1-7采用焊接密封，保证了系统运行时的稳定性，提高了平板式蒸发器1的强度。

毛细芯1-3可以为金属烧结毛细芯、非金属毛细芯、金属丝网毛细芯等，要求孔隙率高、渗透率高、导热系数低，蒸汽槽道1-2设于毛细芯1-3的下表面，蒸汽槽道1-2的高度为1-2mm，蒸汽槽道1-2沿蒸汽流动方向渐扩或者等距，槽道方向与蒸汽出口方向一致。

毛细芯1-3的边缘与壳体1-7过盈配合，提高了内部补偿腔1-4与蒸汽槽道1-2之间的密封性，避免了蒸汽漏向内部补偿腔1-4造成毛细芯供液困难。毛细芯1-3还可以抵接于壳体1-7的下端，壳体1-7和毛细芯1-3之间还可以设置弹簧，当热载荷较高时蒸汽产生量较大，无法及时进入蒸汽管路的气体将可能从毛细芯1-3与壳体1-7接触面的间隙漏入补偿腔内，造成向内部补偿腔的漏热，加装弹簧后，弹簧的一端与内部补偿腔接触，另一端紧贴毛细芯，利用弹簧的压紧力保持毛细芯1-3与壳体1-7的紧密接触，以提高蒸汽槽道1-2与内部补偿腔1-4间的密封性，避免蒸汽进入内部补偿腔1-4。

蒸汽槽道1-2的环侧设有集气腔1-5，集气腔1-5的设置可以使环路热管在承受较高热载荷时产生的大量工质蒸汽在进入气体管路前得以缓冲，降低气体管路内的流动阻力。平板式蒸发器的出口1-6经气体管路7与冷凝器6的入口相连。

外置补偿腔3通过内外补偿腔连接管路2与内部补偿腔1-4相连。外置补偿腔3的入口高于出口，即液体管路4相对位置高于内外补偿腔连接管路2，外置补偿腔3的体积依据环路热管系统体积大小以及运动要求计算得到，底面积和高度依据应用场景空间限制以及供液需求来调节。其中，内外补偿腔连接管路2深入壳体1-7内。

外置补偿腔3内壁以及内外补偿腔连接管路2内壁均设有二次毛细芯，用于提高外置补偿腔3的供液能力。

可以通过如下方式制作毛细芯：将金属粉末与造孔剂以一定配比充分混合后填入毛细芯模具内并铺平，在混合粉末上盖上模具盖板，对盖板施加压力使粉末成型，将成型粉末脱模后放入烧结炉内，在还原性气体的保护下升温至700-800℃烧结一定时间，随后冷却到接近230℃后，换氮气通入，直至冷却到室温，取出后清洗并烘干得到毛细芯；若模具上开设有凸起则可得到带有蒸汽槽道的毛细芯。

当蒸发器个数为2n(n为正整数)时，各蒸发器间采取多级节点并联式连接，每一节点最多包含两组分路，且两组分布呈对称布置，提供了气体混合的稳定性，并利于液体的均匀分流。如图1所示为双蒸发器带外置补偿腔环路热管系统，该系统两个蒸汽出口在一个节点汇合进入气体管路7，流经冷凝器6和液体管路5后，再次经过一个阶段分流至两个外置补偿腔3内。图2展示了四蒸发器带外置补偿腔环路热管系统，该系统四个蒸汽出口两两分别在两个节点汇合后再由一个节点汇合进入气体管路7，液体分流段与此类似。

上述冷凝器6为套管式液冷或者翅片式风冷。多组蒸发器共用一组或多组冷凝器，多组冷凝器时各冷凝器采用并联式连接。冷凝器的数量，可以根据具体实际散热要求做出灵活调整，以配合实际情况要求。

工作过程中，将平板式蒸发器1的底盖1-1与热源贴合，热量经过底盖1-1传导至毛细芯1-3，平板式蒸发器1内部达到一定温度后，毛细芯1-3的下表面开始有液体工质发生相变所产生的蒸汽在蒸汽槽道1-2和集气腔1-5积聚，相变的发生导致此时底盖1-1温度上升速度减缓，随着蒸发量的增加，当蒸发器内部蒸汽达到足够压力时，每个蒸发器内的蒸汽进入各自的气体管路，并在节点处汇合进入气体管路7，推动气体管路7中的工质进入冷凝器6，气体管路7被气体占据，工质在冷凝器中被冷凝成单相过冷液体，在系统补偿腔和蒸汽侧的压差下，工质经过液体管路4，5分流依次进入外置补偿腔3和内部补偿腔1-4，循环建立后二次毛细芯3-3也会抽吸一部分液体至毛细芯1-3，工质将毛细芯1-3润湿并在其下表面再次蒸发，实现一个回路的循环，此时系统各点的温度也趋于稳定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于长距离热传输的多蒸发器平板式环路热管系统，其特征在于，所述系统包括多个平板式蒸发器、多个外置补偿腔、内外补偿腔连接管路以及冷凝器，其中：

所述外置补偿腔与所述平板式蒸发器一一对应连接，通过所述内外补偿腔连接管路与平板式蒸发器内部的补偿腔连通，所述外置补偿腔内壁以及内外补偿腔连接管路内壁均设置有二次毛细芯，且所述外置补偿腔的进口高于出口；

多个平板式蒸发器并联排出的气体混合后进入冷凝器冷凝成液体后排入所述外置补偿腔进行再次循环；当平板式蒸发器为偶数时，多个平板式蒸发器两两并联产生的气体进行二叉树式汇合，所述冷凝器排出的液体进行二叉树式分散至所述多个外置补偿腔。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述内外补偿腔连接管路与平板式蒸发器内部的补偿腔的上部连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述平板式蒸发器包括底盖、毛细芯以及壳体，毛细芯设于壳体和底盖之间，其中，毛细芯与壳体之间的区域为内部补偿腔，毛细芯与底盖之间的区域为蒸汽槽道。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述壳体和底盖之间形成的空腔还包括集气腔，所述集气腔设于所述蒸汽槽道的外围，与所述蒸汽槽道贯通，蒸汽槽道内的气体通过所述集气腔缓冲后经蒸汽出口排出。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述毛细芯与所述壳体间设有弹簧，所述弹簧具有预拉力使得毛细芯与所述壳体间紧密接触。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述内部补偿腔的内壁面均设有二次毛细芯。

7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述毛细芯为金属烧结毛细芯、非金属毛细芯或金属丝网毛细芯中的一种。

8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述壳体的壁厚为1～1.5mm，所述蒸汽槽道的高度为1～2mm。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷凝器为一组或多组，当为多组时采用并联式连接。

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