CN113624047A - 一种内嵌辐射状微通道的冷凝器及环路热管 - Google Patents

Abstract

本发明属于热控技术领域，公开了一种用于环路热管的内嵌辐射状微通道的冷凝器和包含该冷凝器的环路热管，冷凝器包括柱形壳体和芯体，芯体包括中间柱和多个中间柱翅片，中间柱翅片设置在中间柱的外周上，呈辐射状排列；壳体的内壁上沿周向设置有多个壳体翅片；中间柱翅片与壳体翅片间隔排列；中间柱翅片与壳体翅片均为空心封闭翅片；壳体上设置有冷却流体进、出口，中间柱翅片和壳体翅片围成的空间作为冷却流体微通道供冷却流体流通。本发明的冷凝器采用了具有微通道的翅片，极大地增大了换热面积，极大程度的提高了冷凝器的冷凝效率，微通道的高效换热技术可保证冷凝器在一定冷凝效率下的小型化。

Description

一种内嵌辐射状微通道的冷凝器及环路热管

技术领域

本发明属于热控技术领域，具体涉及一种内嵌辐射状微通道的冷凝器及环路热管。

背景技术

近年来，随着信息工程、能源化工、航空航天技术、微电子技术等的迅猛发展，热管理的重要性和要求越来越高；如电子电路集成程度不断提高，电子元器件容量不断扩大，而随之带来的电子元件高发热热流密度成为影响其正常工作的重大隐患。传统的单纯使用空气强迫对流冷却的散热方式已经达到传热极限，电子元器件散热问题亟待解决。

热管因其高导热性可以在小温差的情况下将电子元器件的热量通过热管工质蒸发均匀地扩散到具更大散热面积的冷凝段，能够扩增电子元件的散热面积并解决电子元器件局部过热的问题，因而被广泛应用于高热流密度条件下航空航天热控制和微电子元件散热等领域。传统的热管由蒸发段、绝热段和冷凝段三部分组成，具有不需要额外的能量，无运动部件，传热温差小等优点，但传统的热管由于蒸发段和冷凝段及其散热装置堆积布置，占用电子产品的体积空间较大，难以满足电子产品日益轻型化、小型化的特点，且对于主动液冷还可能存在冷却介质泄露严重损坏电子元件的问题。而环路热管不仅继承了传统热管的优点，还解决了蒸发段和冷凝段一体布置时所存在的缺陷。

环路热管(Loop Heat Pipe，LHP)是指一种回路闭合环型热管，是一种高效、被动式的两相换热设备，由蒸发器、冷凝器、储液器/补偿器、气体管线和液体管线五个基本结构组成，蒸发器内部具有毛细结构，在环路热管启动前，蒸发器毛细芯充满液体，当一定的热负荷施加到蒸发器上时，毛细芯内的饱和液体吸热，在毛细芯表面蒸发形成蒸汽通过气体槽道沿气体管线进入到冷凝器中。在冷凝器内，蒸汽冷凝释放出潜热形成饱和液体，并在流动过程中进一步过冷，沿液体管线进入蒸发器核心，工质的循环由蒸发器毛细芯所产生的毛细压力驱动，无需外加动力。液相工质与气相工质的通道相互独立，气体管线和液体管线布置路径更加灵活，传输距离也更远。

环路热管具有诸多优点，但是传统的环路热管仍然存在缺陷：冷凝器的冷却采用外接风冷或液冷冷却器，冷却器和冷凝器之间存在较大的接触热阻，且冷却器的翅片效率低，在有限的散热面积下无法满足日益增长的散热需求；另一方面，蒸发器毛细芯存在气积现象容易导致系统启动失败，而且传统的毛细芯结构难以平衡高毛细泵吸力和高渗透率对孔径要求的矛盾。因此，这就迫切需要设计高效小型化的冷凝结构和毛细芯设计布置方案，来克服上述的缺陷。

发明内容

基于上述情况，本发明提供了一种用于环路热管的内嵌辐射状微通道的冷凝器，该冷凝器采用了具有微通道的翅片，极大地增大了一次换热面积，蒸汽直接在微通道壁面发生相变，极大程度的提高了冷凝器的冷凝效率，且在一定的空间内可设置的微通道数量较多，微通道的高效换热技术可保证冷凝器在一定冷凝效率下的小型化。

因此，本发明保护如下技术方案：

一种内嵌辐射状微通道的冷凝器，包括柱形壳体和设置在所述壳体内的芯体，所述芯体包括中间柱和多个中间柱翅片，所述中间柱翅片设置在所述中间柱的外周上，呈辐射状排列，中间柱翅片的一侧边固定连接在中间柱上，相对的另一侧边向外辐射；

壳体的内壁上沿周向设置有多个壳体翅片，所述壳体翅片的一侧边固定连接在壳体的内壁上，相对的另一侧边向内辐射；中间柱翅片与壳体翅片间隔排列；中间柱翅片与壳体翅片均为空心封闭翅片，内部作为冷凝器蒸汽微通道供蒸汽流通；壳体上设置有冷却流体进、出口，中间柱翅片和壳体翅片围成的空间作为冷却流体微通道供冷却流体流通；

壳体的上部和下部各设置有一环形流通腔，所述环形流通腔为由外壁和内壁围成的环形腔体，一环形流通腔的外壁上开设有蒸汽进口，另一环形流通腔的外壁上开设有冷凝液出口，中间柱翅片靠近壳体的侧边上上部和下部均开设有通孔用于分别与两个环形流通腔连通，壳体翅片与壳体连接的侧边的上部和下部均开设有通孔用于分别与两个环形流通腔连通。

作为优选地，所述蒸汽进口设置在位于壳体上部的环形流通腔上，所述冷凝液出口设置在位于壳体下部的环形流通腔上；所述冷却流体进口设置在壳体的下部，所述所述冷却流体出口设置在壳体的上部。蒸汽和冷却流体的流通方向相反，二者逆流，提高了换热效率。

作为优选地，所述中间柱翅片抵在壳体的内壁上，壳体翅片与相邻的中间柱翅片互不干涉，壳体翅片与相邻的中间柱翅片围成的空间内部连通，有助于冷却流体的顺畅流通。

作为优选地，所述壳体和芯体均为圆柱体形，所述中间柱翅片和壳体翅片为平板状，换热效率高，同时保证冷凝器的小型化。

本发明还提供了一种环路热管，包括蒸发器、冷凝器、储液器/补偿器、气体管线和液体管线，所述冷凝器为前述任意一项所述的内嵌辐射状微通道的冷凝器。

所述蒸发器内的蒸发器毛细芯内设置有若干冷凝液微通道和蒸发器蒸汽微通道，所述冷凝液微通道和蒸发器蒸汽微通道间隔设置，冷凝液微通道和蒸发器蒸汽微通道均为一端封闭，另一端敞开，冷凝液微通道和蒸发器蒸汽微通道的封闭端朝向相反、敞开端朝向相反，冷凝液微通道的敞开端用于供冷凝液流入，蒸发器蒸汽微通道的敞开端用于供蒸汽流出进入气体管线。

本发明中采用的新型蒸发器毛细芯结构增大了毛细芯表面蒸发面积、提升了毛细芯的润湿效率和便于蒸发产生的蒸汽流向气体管线，气体和液体有各自的通道，即使产生气泡也可以快速排出，不会阻碍液体向蒸发界面的正常补给，导致热管系统启动失败。

作为优选地，所述蒸发器毛细芯为圆柱体，所述冷凝液微通道和蒸发器蒸汽微通道沿径向向外辐射排列，冷凝液微通道的顶端敞开、底端封闭，蒸发器蒸汽微通道的顶端封闭、底端敞开。冷凝液微通道和蒸发器蒸汽微通道的开口方向相反，冷凝液在从敞开端向封闭端流通过程中被形成通道的毛细芯材料吸收，由蒸发器蒸发为气体从蒸发器蒸汽微通道的敞开端进入气体管线。

作为优选地，所述冷凝液微通道和蒸发器蒸汽微通道的横截面为三角形或扇形或梯形，加大通道容积，加快流通。

作为优选地，所述液体管线中设置有管线毛细芯。

作为优选地，所述管线毛细芯的多孔结构的孔径呈梯度分布，从冷凝器到蒸发器的液体管线中，管线毛细芯上的多孔的孔径逐渐减小。

应用于液体管线的毛细芯的梯度孔径大小的结构解决了环路热管工作过程中回液难的问题，距离冷凝器越远的毛细芯，则其孔径越小，能够提供更大的毛细力，距离冷凝器越近的毛细芯，则其孔径越大，在保证足够毛细力的情况下减小工质在毛细芯内部流动时的阻力，使得冷凝器中的冷凝水能够快速高效的回到蒸发器，避免蒸发器中毛细芯被烧干。

本发明的有益效果是：

1、本发明的内嵌辐射状微通道的冷凝器，该冷凝器采用了具有微通道的翅片，极大地增大了换热面积，蒸汽直接在微通道壁面发生相变，极大程度的提高了冷凝器的冷凝效率，且在一定的空间内可设置的微通道数量较多，微通道的高效换热技术可保证冷凝器在一定冷凝效率下的小型化。

2、应用于蒸发器的新型毛细芯结构具有多个蒸汽微通道和冷凝液微通道，增大了毛细芯表面蒸发面积和便于蒸发产生的蒸汽流向气体管线。

3、应用于液体管线的梯度孔毛细芯结构解决了环路热管工作过程中回液难的问题，在保证足够毛细力的情况下减小工质在毛细芯内部流动时的阻力，使得冷凝器中的冷凝水能够快速高效的回到蒸发器，避免蒸发器中毛细芯被烧干。

4、本发明通过对热管中的多个结构进行改进，在显著提高换热效率的同时保证冷凝器的小型化，还解决了热管中回液难和气积现象容易导致系统启动失败的问题。

附图说明

图1是本发明的内嵌辐射状微通道的冷凝器的结构示意图。

图2是图1的部分结构透视图。

图3是图1的内嵌辐射状微通道的冷凝器的俯视图。

图4是图1中的环形流通腔与中间柱翅片和壳体翅片连接关系俯视图。

图5是本发明的环路热管的结构示意图。

图6是蒸发器毛细芯的结构示意图。

图7是图5中A-A、B-B、C-C的剖面图。

其中，附图标记表示的元件或结构是：壳体1，壳体翅片11，环形流通腔12，蒸汽进口13，冷凝液出口14，通孔15，冷却流体进口16，冷却流体出口17，芯体2，中间柱21，中间柱翅片22，冷凝器蒸汽微通道3，冷却流体微通道4，蒸发器5，蒸发器毛细芯51，冷凝液微通道511，蒸发器蒸汽微通道512，储液器6，气体管线7，液体管线8，管线毛细芯81，冷凝器9。

具体实施方式

下面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，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1一种内嵌辐射状微通道的冷凝器

如图1-4所示的一种内嵌辐射状微通道的冷凝器，主要由柱形壳体1和设置在壳体1内的芯体2组成，芯体2包括中间柱21和多个中间柱翅片22，中间柱翅片22设置在中间柱21的外周上，呈辐射状排列，中间柱翅片22的一侧边固定连接在中间柱21上，相对的另一侧边向外辐射；

壳体1的内壁上沿周向设置有多个壳体翅片11，壳体翅片11的一侧边固定连接在壳体1的内壁上，相对的另一侧边向内辐射；中间柱翅片22与壳体翅片11间隔排列，相邻的两个中间柱翅片22之间的空间内部连通；中间柱翅片22与壳体翅片11均为空心封闭翅片，内部作为冷凝器蒸汽微通道3供蒸汽流通；壳体1上设置有冷却流体进、出口，中间柱翅片22和壳体翅片11围成的空间作为冷却流体微通道4供冷却流体流通；

壳体1的上部和下部各设置有一环形流通腔12，环形流通腔12为由外壁和内壁围成的环形腔体，一环形流通腔12的外壁上开设有蒸汽进口13，另一环形流通腔12的外壁上开设有冷凝液出口14，中间柱翅片22靠近壳体1的侧边上上部和下部均开设有通孔15用于分别与两个环形流通腔12连通，壳体翅片11与壳体1连接的侧边的上部和下部均开设有通孔15用于分别与两个环形流通腔12连通。蒸汽从蒸汽进口13进入位于壳体1上部的环形流通腔12，进而进入中间柱翅片22与壳体翅片11内部，蒸汽冷凝而成的冷凝液汇聚在下部的环形流通腔12中经由冷凝液出口14流出。

在一些实施方案中，蒸汽进口13设置在位于壳体1上部的环形流通腔12上，冷凝液出口14设置在位于壳体1下部的环形流通腔12上；冷却流体进口16设置在壳体1的下部，冷却流体出口17设置在壳体1的上部。

在一些实施方案中，中间柱翅片22抵在壳体1的内壁上，壳体翅片11与相邻的中间柱翅片22互不干涉。

在一些实施方案中，壳体1和芯体2均为圆柱体形，中间柱翅片22和壳体翅片11为平板状。

本发明的内嵌辐射状微通道的冷凝器，该冷凝器采用了具有微通道的翅片，极大地增大了换热面积，省去了传统翅片的导热环节，蒸汽直接在微通道壁面发生相变，极大程度的提高了冷凝器的冷凝效率，且在一定的空间内可设置的微通道数量较多，微通道的高效换热技术可保证冷凝器在一定冷凝效率下的小型化。

实施例2一种环路热管

如图5-7所示的一种环路热管，包括蒸发器5、储液器6、气体管线7、液体管线8和冷凝器9，其中，冷凝器9为实施例1中的内嵌辐射状微通道的冷凝器。蒸发器5与冷凝器9通过气体管线7连接，冷凝器9与蒸发器5通过液体管线8连接，形成环路，储液器6与蒸发器5、液体管线8也分别通过管道连接。

在一些实施方案中，蒸发器5内的蒸发器毛细芯51内设置有若干冷凝液微通道511和蒸发器蒸汽微通道512，冷凝液微通道511和蒸发器蒸汽微通道512间隔设置，冷凝液微通道511和蒸发器蒸汽微通道512均为一端封闭，另一端敞开，冷凝液微通道511和蒸发器蒸汽微通道512的封闭端朝向相反、敞开端朝向相反，冷凝液微通道511的敞开端用于供冷凝液流入，蒸发器蒸汽微通道512的敞开端用于供蒸汽流出进入气体管线7。

在一些实施方案中，蒸发器毛细芯51为圆柱体，冷凝液微通道511和蒸发器蒸汽微通道512沿径向向外辐射排列，冷凝液微通道511的顶端敞开、底端封闭，蒸发器蒸汽微通道512的顶端封闭、底端敞开。应用于蒸发器的新型毛细芯结构具有多个蒸汽微通道和冷凝液微通道，增大了毛细芯表面蒸发面积、提升了毛细芯的润湿效率和便于蒸发产生的蒸汽流向气体管线。

在一些实施方案中，冷凝液微通道511和蒸发器蒸汽微通道512的横截面为三角形或扇形或梯形。

上述环路热管工作过程如下：

蒸发器5开启加热工作，蒸发器毛细芯51中的液体被加热蒸发为气体，液体管线8中的冷凝液由于毛细作用源源不断地进入蒸发器毛细芯51中，冷凝液从冷凝液微通道511的敞开端进入，在流动过程中被冷凝液微通道511侧壁的毛细芯吸水材料吸收，在蒸发器5作用下蒸发为气体，蒸汽聚集在蒸发器蒸汽微通道512内从蒸发器蒸汽微通道512的敞开端汇聚进入气体管线7中，再进入冷凝器9中，在冷凝器9中被冷凝为冷凝液，冷凝液进入液体管线8，然后进入蒸发器5中。储液器6与蒸发器5是分离的，通过一条管路与液体管线8以及蒸发器5相连接，用于存放多余的工质，通过控制储液器6的温度，可以精确控制环路热管的工作温度，工质的循环由蒸发器毛细芯51所产生的毛细压力驱动，无需外加动力。

在一些实施方案中，液体管线8中设置有管线毛细芯81。此时，蒸发器5内的毛细芯采用常规结构毛细芯即可，不需要同时采用前述的蒸发器毛细芯51结构。

在一些实施方案中，管线毛细芯81的多孔结构的孔径呈梯度分布，从冷凝器9到蒸发器5的液体管线8中，管线毛细芯81上的多孔的孔径逐渐减小。

应用于液体管线8的梯度孔毛细芯结构解决了环路热管工作过程中回液难的问题，在保证足够毛细力的情况下减小工质在毛细芯内部流动时的阻力，使得冷凝器中的冷凝水能够快速高效的回到蒸发器，避免蒸发器中毛细芯被烧干。

本发明通过对热管中的多个结构进行改进，在显著提高换热效率的同时保证冷凝器的小型化，还解决了热管中回液难和气积现象容易导致系统启动失败的问题。

Claims (10)

1.一种内嵌辐射状微通道的冷凝器，其特征在于：包括柱形壳体(1)和设置在所述壳体(1)内的芯体(2)，所述芯体(2)包括中间柱(21)和多个中间柱翅片(22)，所述中间柱翅片(22)设置在所述中间柱(21)的外周上，呈辐射状排列，中间柱翅片(22)的一侧边固定连接在中间柱(21)上，相对的另一侧边向外辐射；

壳体(1)的内壁上沿周向设置有多个壳体翅片(11)，所述壳体翅片(11)的一侧边固定连接在壳体(1)的内壁上，相对的另一侧边向内辐射；中间柱翅片(22)与壳体翅片(11)间隔排列；中间柱翅片(22)与壳体翅片(11)均为空心封闭翅片，内部作为冷凝器蒸汽微通道(3)供蒸汽流通；壳体(1)上设置有冷却流体进、出口，中间柱翅片(22)和壳体翅片(11)围成的空间作为冷却流体微通道(4)供冷却流体流通；

壳体(1)的上部和下部各设置有一环形流通腔(12)，所述环形流通腔(12)为由外壁和内壁围成的环形腔体，一环形流通腔(12)的外壁上开设有蒸汽进口(13)，另一环形流通腔(12)的外壁上开设有冷凝液出口(14)，中间柱翅片(22)靠近壳体(1)的侧边上上部和下部均开设有通孔(15)用于分别与两个环形流通腔(12)连通，壳体翅片(11)与壳体(1)连接的侧边的上部和下部均开设有通孔(15)用于分别与两个环形流通腔(12)连通。

2.如权利要求1所述的内嵌辐射状微通道的冷凝器，其特征在于：所述蒸汽进口(13)设置在位于壳体(1)上部的环形流通腔(12)上，所述冷凝液出口(14)设置在位于壳体(1)下部的环形流通腔(12)上；所述冷却流体进口(16)设置在壳体(1)的下部，所述冷却流体出口(17)设置在壳体(1)的上部。

3.如权利要求1所述的内嵌辐射状微通道的冷凝器，其特征在于：所述中间柱翅片(22)抵在壳体(1)的内壁上，壳体翅片(11)与相邻的中间柱翅片(22)互不干涉。

4.如权利要求1所述的内嵌辐射状微通道的冷凝器，其特征在于：所述壳体(1)和芯体(2)均为圆柱体形，所述中间柱翅片(22)和壳体翅片(11)为平板状。

5.一种环路热管，包括蒸发器(5)、储液器(6)、气体管线(7)、液体管线(8)和冷凝器(9)，其特征在于：所述冷凝器(9)为权利要求1至4任一项所述的内嵌辐射状微通道的冷凝器。

6.如权利要求5所述的环路热管，其特征在于：所述蒸发器(5)内的蒸发器毛细芯(51)内设置有若干冷凝液微通道(511)和蒸发器蒸汽微通道(512)，所述冷凝液微通道(511)和蒸发器蒸汽微通道(512)间隔设置，冷凝液微通道(511)和蒸发器蒸汽微通道(512)均为一端封闭，另一端敞开，冷凝液微通道(511)和蒸发器蒸汽微通道(512)的封闭端朝向相反、敞开端朝向相反，冷凝液微通道(511)的敞开端用于供冷凝液流入，蒸发器蒸汽微通道(512)的敞开端用于供蒸汽流出进入气体管线(7)。

7.如权利要求6所述的环路热管，其特征在于：所述蒸发器毛细芯(51)为圆柱体，所述冷凝液微通道(511)和蒸发器蒸汽微通道(512)沿径向向外辐射排列，冷凝液微通道(511)的顶端敞开、底端封闭，蒸发器蒸汽微通道(512)的顶端封闭、底端敞开。

8.如权利要求7所述的环路热管，其特征在于：所述冷凝液微通道(511)和蒸发器蒸汽微通道(512)的横截面为三角形或扇形或梯形。

9.如权利要求5所述的环路热管，其特征在于：所述液体管线(8)中设置有管线毛细芯(81)。

10.如权利要求9所述的环路热管，其特征在于：所述管线毛细芯(81)的多孔结构的孔径呈梯度分布，从冷凝器(9)到蒸发器(5)的液体管线(8)中，管线毛细芯(81)上的多孔的孔径逐渐减小。

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