CN113959244A - 一种双蒸发器冷凝器环路热管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双蒸发器冷凝器环路热管，包括蒸发器、散热器和冷凝器，冷凝器包括两个，分别是第一冷凝器、第二冷凝器，蒸发器与第一冷凝器通过第一蒸汽管路连接，第一冷凝器和散热器通过第一液体管路连接，散热器和第二冷凝器通过第二蒸汽管路或热流体管路连接，第二冷凝器和蒸发器通过第二液体管路连接。本发明对目前的环路热管进行了改进，使得不同位置的热源或者不同温度的热源通过一个环路热管进行传递，使得系统结构简单，成本节省。

Description

一种双蒸发器冷凝器环路热管

技术领域

本发明涉及一种热管技术，尤其涉及一种环路热管，属于F28d15/02的热管领域。

背景技术

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果，开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备，其中包括核电领域，例如核电的余热利用等。

环路热管是指一种回路闭合环型热管。一般由蒸发器、冷凝器、储液器以及蒸气和液体管线构成。其工作原理为：对蒸发器施加热载荷，工质在蒸发器毛细芯外表面蒸发，产生的蒸气从蒸气槽道流出进入蒸气管线，继而进入冷凝器冷凝成液体并过冷，回流液体经液体管线进入液体干道对蒸发器毛细芯进行补给，如此循环，而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。由于冷凝段和蒸发段分开，环路式热管广泛应用于能量的综合应用以及余热的回收。

为了解决传统热管传热受长距离和冷热源方位限制的问题，苏联国家科学院的Maidanik等人于1971年在传统热管理论的基础上提出了环路热管的概念，并于1972年设计加工出第一套环路热管。随后的十几年，环路热管在苏联国内得到不断发展。1985年，Maidanik等人在美国为这种热管申请了专利。这个依靠毛细力驱动工质循环的自动传热装置曾先后被称为“Heat pipe”、“Heat pipe with separate channels”和“Antigravitational heat pipe”，直到1989年，环路热管首次被应用于苏联的航天器热控系统中，它才被国际上广泛关注，并最终被命名为“Loop heat pipe”，在国内业界称之为“环路热管”。90年代以后，环路热管因其优点受到了各国相关学者和空间飞行器热控设计工作者的广泛关注，许多国家都投入大量资金进行研究，各种结构形式、采用不同工质的环路热管不断在有关的学术会议上亮相。对环路热管的研究主要包括实验研究和分析、数学建模以及应用研究三个方面。

蒸发器是LHP的核心部件，它具有从热源吸收热量以及提供工质循环动力两项重要功能。经过数十年的改进和发展，目前较为普遍的结构形式，蒸发器本体主要包括蒸发器壳体、毛细芯和液体引管。毛细芯外侧的轴向槽道称为蒸汽槽道(Vapor groove)，毛细芯内侧为液体干道(Liquid core或Evaporator core)。

毛细芯是蒸发器的核心元件，它提供工质循环动力、提供液体蒸发界面以及实现液体供给，同时阻隔毛细芯外侧产生的蒸汽进入储液器。毛细芯一般是将微米量级的金属粉末通过压制、烧结等工艺成型，形成微米量级的孔径。

毛细芯内液体干道的设置是为了使液体能够沿轴向均匀地对毛细芯进行供液。否则，液体从储液器沿轴向，向毛细芯的供液阻力非常大，很容易造成供液不足，导致毛细芯产生轴向温差，甚至出现局部烧干现象。设置液体引管将回流的过冷液体直接引入到蒸发器中心，一方面，回流液体携带的冷量可用来平衡蒸发器透过毛细芯的径向漏热；另一方面，当液体干道内由于蒸发器的漏热产生了气泡或积聚了不凝性气体，从液体引管流出的过冷液体可以依靠自身携带的冷量对气泡进行冷却和消除，同时依靠自身的流动将这些不凝性气体或气泡推出液体干道，防止毛细芯内表面发生气塞现象，提高蒸发器的运行稳定性。

LHP系统的热导很大程度上取决于冷凝器与热沉之间的换热性能。早期对LHP的研究大多针对空间应用背景，冷凝器主要以辐射的形式向空间热沉释放热量，因而普遍采用将冷凝器管线嵌入冷凝器板的结构形式，地面实验中亦可采用简单的套管式冷凝器，使用恒温槽模拟热沉，泵驱动冷媒介质(如水、乙醇等)在套管内循环流动对冷凝器进行冷却。

目前的环路热管，一般只能传递单一热源热量，无法实现多热源的传递，或者仅仅通过设置一个蒸发器同时吸收多个热源的热量，尤其是单独通过单一的热管在不同位置对不同热源进行散热较为困难。

针对上述缺陷，本发明对目前的环路热管进行了改进，使得不同位置的热源通过一个环路热管进行传递，使得系统结构简单，成本节省。

发明内容

本发明旨在提供一种低成本且微小高效的平板式环路热管系统，使得不同位置的热源通过一个环路热管进行传递，提高对热源散热的推广与商业化应用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种双蒸发器冷凝器环路热管，包括蒸发器、散热器和冷凝器，冷凝器包括两个，分别是第一冷凝器、第二冷凝器，蒸发器与第一冷凝器通过第一蒸汽管路连接，第一冷凝器和散热器通过第一液体管路连接，散热器和第二冷凝器通过第二蒸汽管路或热流体管路连接，第二冷凝器和蒸发器通过第二液体管路连接。

作为优选，蒸发器和散热器分别热连接第一热源和第二热源。

作为优选，所述第二热源的散热量低于第一热源。

作为优选，蒸发器和散热器热连接同一个热源，所述蒸发器位置的热源的温度高于散热器位置的热源的温度。

作为优选，蒸发器包括外壳、毛细芯、蒸汽腔、补偿腔、液体进口以及蒸汽出口。所述外壳内依次设置液体进口、补偿腔、毛细芯、蒸汽腔和蒸汽出口。

作为优选，散热器包括外壳、歧管结构和微通道结构，所述歧管结构和微通道结构设置在外壳内，歧管结构包括弯折的板状结构，所述板状结构一侧形成进口段，另一侧形成出口段，所述进口段和出口段不连通，所述微通道结构设置在歧管结构的上部。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1)本发明对目前的环路热管进行了改进，使得不同位置的热源或者不同温度的热源通过一个环路热管进行传递，使得系统结构简单，成本节省。

2)针对同一热源的不同位置，因为发热量不同，因此通过使用同一个热管一个热源有针对性的针对不同位置进行散热，满足不同的散热需求，使得系统结构简单，成本节省。

3)本发明研发了新式结构的蒸发器，在热管的储液室内加入副毛细芯并插入毛细芯内部，使回路的轴向毛细力加强，并可有效减少毛细芯内部液体管线的大气泡，降低反向漏热，保证热管的稳定正向运行，并使热管的毛细抽吸速度提高到0.6g/s。

4)本发明低温热源位置处采用了新的歧管结构的微通道散热器，能够进一步提高散热能力。由于微通道的比表面积较大，因此其散热能力较强，但是其内部流动阻力过高且温度分布不均匀。增加歧管结构之后，既可以缩短流体在微通道内的流程，降低流动阻力，提高温度分布均匀性；又兼具了冲击射流的优势，进一步提高了整体的散热能力。

附图说明

图1是本发明环路热管散热器结构图；

图2是本发明优选的蒸发器结构示意图；

图3-1是本发明散热器歧管微通道部件结构图；

图3-2是本发明散热器歧管微通道部件俯视图；

图3-3是图3-2的A-A截面图；

图4是本发明环路热管散热器管路结构图；

图5是本发明毛细泵驱动微通道歧管散热器结构示意图；

图6-1、6-2是本发明优选的蒸发器另一结构示意图；

图6-3是图6-2的A-A截面示意图。

图中：蒸发器1、散热器2、冷凝器3、第一冷凝器31、第二冷凝器32、外壳4、毛细芯5、蒸汽出口6、蒸汽腔7、补偿腔8、液体进口9、第一段蒸汽管路10、第一液体管路11、第二管路12、第二液体管路13、歧管结构14、微通道15、毛细芯室20、外壳21、汽体缓冲室22、储液器23、副毛细芯室28、孔29。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

如图1、4所示，一种双蒸发器冷凝器环路热管，包括蒸发器1、散热器2和冷凝器3，冷凝器包括两个，分别是第一冷凝器31、第二冷凝器32，蒸发器1与第一冷凝器31通过第一蒸汽管路10连接，第一冷凝器31和散热器2通过第一液体管路11连接，散热器2和第二冷凝器32通过第二管路12(第二管路可以是蒸汽管路或者热流体管路)连接，第二冷凝器 32和蒸发器1通过第二液体管路13连接。

本发明通过设置在一个环路热管中设置两个不同的吸热元件(蒸发器、散热器)以及冷凝器，从而实现不同位置的不同的热源的散热，或者不同位置的不同温度的热源的散热，不需要单独设置两套换热系统，使得系统结构简单、紧凑，成本节省。

作为优选，根据散热器位置的热源温度的不同，散热器可以是产生相变的蒸发器，也可以是不发生相变的换热器。这样使得环路热管适用范围广泛，可以满足不同温度的热源换热。

作为优选，蒸发器1和散热器2分别热连接第一热源和第二热源。第一热源和第二热源是不同的热源。通过设置不同的热源，使得环路热管能够同时满足多热源的散热，避免单独设置不同的换热系统，从而使得结构紧凑。

作为优选，所述第二热源的散热量低于第一热源。通过设置第二热源低于第一热源，能够使得环路热管内部形成一个大范围内的温度差，从而使得环路热管的循环增加动力，进一步提高循环速度，提高换热效率。

作为优选，蒸发器1和散热器2热连接同一个热源，所述蒸发器1位置的热源的温度高于散热器2位置的热源的温度。通过针对不同位置的不同的热源的设置，能够有针对性的针对热源不同位置散热，从而提高散热效率。避免采取单一的热源的散热方式，使得各个部位温度不同，造成温差，使得温度高的位置更容易损坏，温度低的位置不需要散热，避免热量浪费以及部件损坏。

作为优选，如图2所示，蒸发器的一个优选的实施例，所述蒸发器包括外壳4、毛细芯5、蒸汽腔7、补偿腔8、液体进口9以及蒸汽出口6。所述外壳内依次设置液体进口9、补偿腔8、毛细芯5、蒸汽腔7和蒸汽出口6。蒸发器外壳4的加热面处需贴合电子设备内的一个高功率稳定热源，热量通过导热进入内部毛细芯，毛细芯孔隙内液体工质蒸发相变，蒸汽通过毛细芯上自带的蒸汽槽，汇聚至蒸汽出口6侧的蒸汽腔7中，并通过蒸汽出口6进入第一段蒸汽管路10中。

作为优选，如图6-1、6-2所示，蒸发器的另一个优选的实施例，所述蒸发端包括外壳21。所述外壳21内设置四个腔室，分别是汽体缓冲室22、毛细芯室20、副毛细芯室28(汽体缓冲室22、毛细芯室20、副毛细芯室28构成蒸发器)和储液器23。作为优选，所述外壳使用不锈钢制造；毛细芯室20设置的毛细芯为镍基毛细芯，可从大功率器件处吸收热量传递给工质，工质发生相变带走热量；毛细芯的一侧打多个孔29(优选3个孔)作为引流槽道并可增大径向毛细力；毛细芯上表面刻有槽道，便于工质汽化成饱和汽体后逸散。副毛细芯室28由材质为优选20微米孔径的不锈钢丝网的副毛细芯包裹在储液室四周构成，副毛细芯孔径大于毛细芯孔径。可进一步加强轴向毛细力，并有效破坏毛细芯内部液体管线的大气泡，降低反向漏热，保证热管的稳定正向运行。副毛细芯与主毛细芯一侧的孔相配合，使回流液体工质可直接进入毛细芯前端进行蒸发。储液室可以保证毛细芯一直被液体工质所浸润，启动前无需进行任何预处理，可直接对蒸发器施加热载荷来启动热管，保证对蒸发器毛细芯的液体储备与供给。汽体缓冲室提高了汽体从毛细芯中逸出的速率，并且可以平衡汽体扩散的速率，降低汽体扩散的阻力，使汽体平稳扩散。

作为优选，从毛细芯中间位置到两边位置，毛细芯的孔29的长度逐渐变短。通过大量的数值模拟和实验研究发现，通过上述设置毛细芯的孔29的长度逐渐变短，能够使得热管的稳定正向效果更好，能够提高8-10％的技术效果。上述经验公式也是本申请经过大量实验研究的结果，也是本申请的一个发明点，并不是本领域的公知常识。

进一步优选，从毛细芯中间位置到两边位置，毛细芯的孔29的长度逐渐变短的幅度越来越大。通过大量的数值模拟和实验研究发现，通过上述设置能够使得热管的稳定正向效果最优。上述经验公式也是本申请经过大量实验研究的结果，也是本申请的一个发明点，并不是本领域的公知常识。

本申请通过大量的研究，找出了最佳的毛细芯长度分配关系优化公式。

假设蒸发器外壳是平板结构，平板结构的宽度是2W(图6-2中的上下为宽度)，外壳中心处的毛细芯的孔29的长度为L，则距离中心的距离为w位置的毛细芯的孔的长度l规律如下：l＝b*L-c*L*(w/W)^a，其中a、b、c是系数，满足如下要求：

1.082<a<1.109,0.99<b<1.01，0.358<c<0.363。

进一步优选，a＝1.096,b＝1，c＝0.361。

上述经验公式也是本申请经过大量实验研究的结果，是对毛细芯的孔29的长度分布的一个优化的结构，也是本申请的一个发明点，并不是本领域的公知常识。作为优选，从毛细芯中间位置到两边位置，毛细芯的孔29的通孔面积逐渐变小。

进一步优选，从毛细芯中间位置到两边位置，毛细芯的孔29的通孔面积逐渐变小的幅度越来越大。技术效果参见前面的毛细芯的孔29的长度变化关系。

假设蒸发器外壳是平板结构，平板结构的宽度是2W，外壳中心处的毛细芯的孔29的面积为S，则距离中心的距离为w位置的毛细芯的孔的面积s规律如下：

s＝b*S-c*S*(w/W)^a，其中a、b、c是系数，满足如下要求：

1.085<a<1.113,0.99<b<1.01，0.347<c<0.359。

进一步优选，a＝1.099,b＝1，c＝0.353。

上述经验公式也是本申请经过大量实验研究的结果，是对毛细芯的孔29的面积分布的一个优化的结构，也是本申请的一个发明点，并不是本领域的公知常识。

传统的微通道散热器一般为铝制结构，通道尺度为毫米级别，其尺寸虽然比传统换热器小，但在电子器件中的应用仍然受到空间的制约。特别是针对芯片以及局部热点的散热，大型微通道换热器存在大量冷量的浪费。因此，在针对芯片级别的热点散热，设计了直接在硅片上加工200μm微通道，并利用歧管结构减少工质流动阻力的歧管微通道结构。

对于微通道换热器，在使用过程中，一般要外接驱动泵，驱动内部流体工质流过微通道，通过对流或相变换热进行散热。对于所设计的硅基微通道散热器，外接大型驱动泵使其失去了空间优势并造成内部电子设备内部空间损失，并且随着通道尺寸的减少，微通道内工质流动的阻力增大，消耗的泵功增大。因此，设计了具有毛细芯结构的蒸发器1，配合电子设备内部的热源，作为毛细泵驱动整个散热器内的工质流动。整个装置通过接在工质管路上的散热翅片散热，达到对装置1和装置2吸收的热量散出的作用。

作为优选，如图3-1、3-2、3-3所示，散热器2包括外壳、歧管结构14和微通道15，所述歧管结构14和微通道结构15设置在外壳内，歧管结构包括弯折的板状结构，所述板状结构一侧形成进口段，另一侧形成出口段，所述进口段和出口段不直接连通，所述微通道结构设置在歧管结构的上部。进口段和出口段通过微通道结构实现流体连通。

作为优选，所设计毛细泵驱动微通道歧管换热器结构如图5所示，蒸发器1由厚度为0.2 mm的紫铜外壳4和0.8mm烧结铜粉末毛细芯5组成。蒸汽出口6、液体进口9、蒸汽管路10、第一段冷流体管路11、热流体管路12以及第二段冷流体管路13均为壁厚0.1的方形紫铜管。散热器2由厚度为0.3mm，通道深度及宽度均为200μm的硅基微通道15和厚度为0.7 mm，宽度及深度均为500μm的歧管结构组成。

所设计的散热器工作流程及各部分结构如下所述：

(1)蒸发器1由外壳4、毛细芯5、蒸汽腔7、补偿腔8、液体进口9以及蒸汽出口6组成。蒸发器外壳4的加热面处需贴合电子设备内的一个高功率稳定热源，热量通过导热进入内部毛细芯，毛细芯孔隙内液体工质蒸发相变，蒸汽通过毛细芯上自带的蒸汽槽，汇聚至蒸汽出口6侧的蒸汽腔7中，并通过蒸汽出口6进入第一段蒸汽管路10中。

(2)蒸汽在蒸发器1内生成，产生压力，推动第一段蒸汽管路10内蒸汽流经散热翅片，释放热量，气体工质冷凝成液体流入第一段液体管路11，并在蒸汽压力下流入歧管微通道结构中。

(3)冷却后的液体首先进入歧管结构14的进口段，紧接着流入上方的微通道15中进行换热，之后热流体流出微通道15进入歧管结构14的出口段，并最终汇聚流出歧管结构14进入热流体管路12。

(4)热流体管路12内的高温液体工质经过散热翅片后被冷凝，重新成为冷凝液体工质，通过第二段液体管路13回到蒸发器1的补偿腔8内。

(5)补偿腔8内的冷凝液体通过毛细芯5的毛细力补充至汽液界面处，完成整个循环。

本设计利用蒸发器1内的毛细芯5所提供的毛细力作为整个散热器的驱动力，因此需要核算毛细力是否能够驱动流体工质循环。

(1)毛细驱动力P_cap核算：

所设计毛细芯为铜粉末烧结型毛细芯，其平均孔径为2μm，液体工质为去离子水，根据公式1计算得到毛细驱动力为：126093.30Pa。

其中r为通道半径，此处为平均孔径的一半，1×10^-6m；σ为液体常温下的表面张力，0.0728 N/m；θ为水与铜的接触角，30°。

(2)管路内压降ΔP_L核算：

假设蒸汽管路10内为饱和蒸汽，液体管路11、13内为过冷水，热流体管路12内为饱和水。管路内部通道截面为4.8mm*0.8mm的矩形，长度均为100mm。则通过公式2计算得到管路内的压降为：15.63Pa。

其中，μ为运行过程平均温度下，工质的动力粘度，3.55×10^-4Pa·s，运行温度取电子器件最高长期运行温度80℃；L为液体与气体管路的总长，0.4m；Q为蒸发器1处的电子器件发热功率，200W；ρ为运行过程平均温度下，工质的密度，971.8kg/m³；D为管道当量直径，0.0014m；h_fg为工质的汽化潜热，2.48×10⁶J/kg。

(3)毛细芯5内部液体流动压降ΔP_wick核算：

液体工质流过毛细芯到达汽液界面时，会在毛细芯内部产生压降，此段压降遵循达西定律(Darcy’s Law)，假设工质为不可压缩流体，且在毛细芯内部为层流，则通过公式3计算此段压降为：2157.91Pa。

其中，K为毛细芯渗透率，由Blake-Kozeny公式计算得到，3.6×10^-14m²；d为液体工质流过毛细芯的长度，0.01m；g为重力加速度，10m²/s。

从上述计算中可以看出，除了歧管微通道换热器部分，其余部分压降的值并不大，因此该设计主要需要考虑微通道部分的压降。查阅文献可以初步判断，200μm左右的微通道换热器压降不超百千帕，一般为几十千帕。另外，本设计在微通道上方布置歧管结构，能够进一步降低微通道换热器的流动阻力，因此可以认为该设计合理。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种双蒸发器冷凝器环路热管，包括蒸发器、散热器和冷凝器，其特征在于，冷凝器包括两个，分别是第一冷凝器、第二冷凝器，蒸发器与第一冷凝器通过第一蒸汽管路连接，第一冷凝器和散热器通过第一液体管路连接，散热器和第二冷凝器通过第二蒸汽管路或热流体管路连接，第二冷凝器和蒸发器通过第二液体管路连接。

2.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，蒸发器和散热器分别热连接第一热源和第二热源。

3.如权利要求2所述的环路热管，其特征在于，所述第二热源的散热量低于第一热源。

4.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，蒸发器和散热器热连接同一个热源，所述蒸发器位置的热源的温度高于散热器位置的热源的温度。

5.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，蒸发器包括外壳、毛细芯、蒸汽腔、补偿腔、液体进口以及蒸汽出口，所述外壳内依次设置液体进口、补偿腔、毛细芯、蒸汽腔和蒸汽出口。

6.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，散热器包括外壳、歧管结构和微通道，所述歧管结构和微通道结构设置在外壳内，歧管结构包括弯折的板状结构，所述板状结构一侧形成进口段，另一侧形成出口段，所述进口段和出口段不连通，所述微通道结构设置在歧管结构的上部。

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