CN114053740A - 自调节蒸发器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及蒸发设备技术领域，尤其是涉及一种自调节蒸发器，自调节蒸发器包括：热源；储液构件，面对热源设置；蒸发构件，设置于热源与储液构件之间；蒸发构件与储液构件贴合；储液构件设置有能够抽吸冷却液的储液芯，蒸发构件设置有蒸发芯，蒸发芯与储液芯接触，以使蒸发芯吸取储液芯内的液体。本申请提供的自调节蒸发器，一方面能够向蒸发器的主要蒸发部件持续、适量地提供冷却液体，既能够确保蒸发效率，还能够应对变热负荷的工况，另一方面，还增加液体沸腾产生的气泡的逃逸过程的顺畅性，从而能够避免传热恶化。

Description

自调节蒸发器

技术领域

本申请涉及蒸发设备技术领域，尤其是涉及一种自调节蒸发器。

背景技术

目前，现有的蒸发设备大多采用泵驱两相回路提供给定的流量，难以应对变热负荷工况，例如：当热源热流密度突然增大时，给定的管路小流量不能及时补充蒸发器内的冷却剂，容易发生烧干现象导致传热恶化，因而对变热负荷设备的散热效果以及散热效率均会产生较大影响，难以满足变热负荷设备的散热需求。

发明内容

本申请的目的在于提供一种自调节蒸发器，以在一定程度上解决现有技术中存在的现有的蒸发器的冷却剂供应量恒定，难以应对变热负荷工况的技术问题。

本申请提供了一种自调节蒸发器，包括：

热源；

储液构件，面对所述热源设置；

蒸发构件，设置于所述热源与所述储液构件之间；所述蒸发构件与所述储液构件贴合；

所述储液构件设置有能够抽吸冷却液的储液芯，所述蒸发构件设置有蒸发芯，所述蒸发芯与所述储液芯接触，以使所述蒸发芯吸取所述储液芯内的液体。

在上述技术方案中，进一步地，所述储液构件的内部中空，所述储液芯设置于所述储液构件的内部，所述储液芯包括多个毛细吸液芯。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述蒸发芯包括多个毛细蒸发芯，每一个所述毛细蒸发芯的一端与所述储液芯接触，每一个所述毛细蒸发芯的另一端靠近所述热源设置或与所述热源接触。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述蒸发构件的内部中空，所述蒸发芯设置于所述蒸发构件的内部，所述蒸发芯与所述热源之间设置有蒸汽槽道。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述蒸汽槽道形成有多个槽部，多个所述槽部沿所述蒸汽槽道的长度方向间隔设置，每一个所述槽部沿所述蒸汽槽道的宽度方向延伸。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述蒸汽槽道内的最大压力为ΔP_c,max；

所述蒸发芯内的流动压差为ΔP_P；

所述储液芯内的流动压差为ΔP_f；

所述储液芯内的重力压差为ΔP_g；

ΔP_c,max≥ΔP_P+ΔP_f+ΔP_g。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述自调节蒸发器还包括：

第一盖板，面对所述蒸汽槽道设置，所述热源设置于所述第一盖板；

第二盖板，形成有用于储存液体的储液腔，所述储液构件的底部形成开口，所述开口面对所述储液腔设置。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述蒸发芯至少包括第一储液芯层和第二储液芯层，所述第一储液芯层靠近所述蒸发构件设置，所述第二储液芯层靠近所述第二盖板设置；

所述第一储液芯层的毛细吸液芯的孔隙大于所述第二储液芯层的毛细吸液芯的孔隙；

所述第二储液芯层的毛细吸液芯的孔隙大于所述毛细吸液芯的孔隙。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述毛细吸液芯由亲水材料制成。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述储液构件的厚度大于所述蒸发构件的厚度。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供的自调节蒸发器包括：热源；储液构件，面对热源设置；蒸发构件，设置于热源与储液构件之间；蒸发构件与储液构件贴合；储液构件设置有能够抽吸冷却液的储液芯，蒸发构件设置有蒸发芯，蒸发芯与储液芯接触，以使蒸发芯吸取储液芯内的液体。

本申请提供的自调节蒸发器，一方面能够向蒸发器的主要蒸发部件持续、适量地提供冷却液体，既能够确保蒸发效率，还能够应对变热负荷的工况，另一方面，还增加液体沸腾产生的气泡的逃逸过程的顺畅性，从而能够避免传热恶化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，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的附图。

图1为本申请实施例提供的自调节蒸发器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的自调节蒸发器的俯视图；

图3为图2沿A-A的剖视图；

图4为本申请实施例提供的自调节蒸发器的部分结构示意图。

附图标记：1-第一盖板，2-热源，3-蒸汽槽道，301-槽部，4-蒸发构件，5-储液构件，6-第二盖板，601-进液口，602-储液腔。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和显示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。

基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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申请中的具体含义。

下面参照图1至图4描述根据本申请一些实施例所述的自调节蒸发器。

参见图1至图4所示，本申请的实施例提供了一种自调节蒸发器包括：箱体主体以及由上至下依次设置的第一盖板1、热源2、储液构件5、蒸发构件4和第二盖板6，热源2能够向蒸发构件4释放热流，储液构件5向蒸发构件4供给冷却液体，冷却液体在蒸发构件4内与热源2的热量进行换热发生蒸发相变，蒸发构件4内的部分或全部冷却液体由液态变为气态，以下将具体描述本自调节蒸发器的结构以及工作原理。

具体地，第一盖板1具有盖板结构，盖设在箱体主体的上端开口上，热源2可以为芯片等能够释放热量的部件、装置等，热源2的数量为至少一个，如图2所示，在本申请中，给出热源2的数量为三个的实施例，当然，热源2的实际数量并不仅限于此，三个热源2嵌间隔设在第一盖板1上。

进一步地，蒸发构件4具有壳体结构，蒸发构件4的内部中空，在蒸发构件4中设置有蒸发芯，蒸发芯具有多孔结构，具体地，蒸发芯包括多个毛细蒸发芯，毛细蒸发芯具有金属泡沫多孔结构，具体地，毛细蒸发芯可由铜、镍或者含铜或镍的合金通过气相沉积、重力沉降、电化学沉积、离心成型或者三维印刷技术等方法制成，毛细蒸发芯的多孔结构填充满整个蒸发构件4的内部空间，多孔结构的孔之间起到支撑作用的部分可称为固体骨架，固体骨架上均形成有多个具有微小直径的孔部或者凹坑，从而使得蒸发芯整体具有多孔结构，毛细蒸发芯的上端与热源2接触，毛细蒸发芯的下端储液构件5接触，以使得蒸发芯能够通过具有多孔结构的毛细蒸发芯以抽吸的方式吸取储液构件5内的冷却液体。

优选地，蒸发芯的上侧与第一盖板1之间通过烧结、热焊接等工艺紧密结合，结构简单紧凑，且本自调节蒸发器整体仅在第一盖板1与蒸发芯上侧存在一处接触热阻，提高热源2与蒸发芯之间的传热效率。

优选地，按照蒸发芯的高度方向也就是竖直方向，蒸发芯由上至下设置有至少第一蒸发芯层和第二蒸发芯层，第一蒸发芯层和第二蒸发芯层均具有金属泡沫多孔结构，第一蒸发芯层的毛细蒸发芯的上端与热源2靠近，第一蒸发芯层的毛细蒸发芯的下端与第二蒸发芯层的毛细蒸发芯的上端接触，第二蒸发芯层的毛细蒸发芯的下端与储液构件5接触，蒸发芯的整体的多孔结构按照由上至下的方向，毛细蒸发芯的孔隙逐渐减小。

具体地，冷却液体在蒸发芯内受热沸腾产生气泡，按照气泡逃逸的方向也就是自下向上的方向，蒸发芯具有呈梯度分布的毛细多孔结构，即靠近储液构件5一端为小孔隙，靠近热源2的一端为大孔隙，毛细蒸发芯的靠近上端的部分固体骨架上的孔隙大于毛细蒸发芯的靠近下端的部分固体骨架上的孔隙，这样的结构有助于增加固体骨架的比表面积，从而增大换热面积，这样的设计，使得汽化核心增多，大幅度提高换热系数，而且靠近热源2的一端的大孔隙结构能够增加渗透率，减小蒸汽的释放阻力。

蒸发构件4与第一盖板1之间设置有蒸汽槽道3，蒸汽槽道3的长度与蒸发构件4的整体长度近似相等，在蒸汽槽道3的上表面，沿着蒸汽槽道3的长度方向平行间隔设置有多个槽部301，每一个槽部301均沿着蒸汽槽道3的宽度方向延伸，进一步地降低气泡的逃逸阻力，起到气液分离的作用，增强沸腾换热效果。其中，槽部301形状可为矩形槽、U形槽或者V形槽，槽宽为1-4mm，槽数为2-10。

优选地，蒸发芯的固体骨架为金属泡沫骨架，蒸发芯整体具有呈梯度分布的金属泡沫多孔结构，金属材料为铜、镍或相关合金，可通过气相沉积、重力沉降、电化学沉积、离心成型或三维印刷技术等方法制成。其中，泡沫金属是指含有泡沫气孔的特种金属材料。通过其独特的结构特点，泡沫金属拥有密度小、隔热性能好等优点，并且透气性高几乎都是连通孔，孔隙比表面积大。

蒸发芯的每一个毛细蒸发芯的管壁均形成有呈梯度分布的多个孔部，靠近储液芯一侧的开孔之间为小孔隙，孔隙取值范围为80-300微米，泡沫层高度为10-50mm；远离储液芯一侧也就是接近热源2的一侧的开孔之间为大孔隙，孔隙取值范围为300-500微米，泡沫层高度为5-30mm。

需要说明的是，蒸汽槽道3与蒸发芯实际具有一体结构，对蒸发芯靠近热源2的部分切割从而形成蒸汽槽道3，也就是说，蒸汽槽道3与蒸发芯是连通的，在中高孔密度下，开槽道设计能使得气泡从槽中逃逸，液体从金属骨架微通道内吸入并补充，产生一个稳定的循环，而且能够消除气泡脱离和新鲜液体补充产生的逆流，并可通过增加槽道数来增大临界热流密度，强化换热。

进一步地，储液构件5的内部中空，并且储液构件5的内部的空间由若干个毛细吸液芯填充，每一个毛细吸液芯均沿竖直方向延伸，毛细吸液芯为具有小直径的纤维结构，能够以毛细吸取的方式抽取位于第二盖板6内的冷却液体，并且第二蒸发芯层的毛细蒸发芯上的孔隙大于毛细吸液芯上的孔隙，也就是说，蒸发构件4与储液构件5两者整体共同形成本自调节蒸发器的呈梯度分布的毛细结构，毛细结构包括三层不同的孔隙尺寸，储液芯层的毛细吸液芯的孔隙尺寸最小，靠近储液芯的毛细蒸发芯的孔隙尺寸次之，靠近热源2的毛细蒸发芯的孔隙尺寸最大，即沿着液体的输送方向也就是由下至上的方向，储液构件5与蒸发构件4共同拥有的整体毛细结构也呈由小到大的梯度变化，使得蒸发芯能够持续地抽吸储液芯内冷却液体。

优选地，储液芯的厚度大于蒸发芯的厚度，保证储液芯具有充足的冷却液体吸取量和储水量，确保对蒸发芯的冷却液体的供给量，其中，储液芯的厚度优选为3-40mm。

更优选地，毛细吸液芯由亲水、耐高温的材料堆积而成，例如硅酸铝纤维、聚四氟乙烯等，具有微细孔的亲水结构，纤维直径大小为1-20微米，保证孔隙结构中存在大量微通道通过毛细作用进行水分输运，使得每一个毛细吸液芯以及储液芯整体具有较强的吸液、储液功能，便于向蒸发芯补充充足的冷却液体。在本申请实施例中，储液芯具有自动抽吸和自适应外界热流密度变化功能，可以根据外界热负荷变化自适应的调节向蒸发芯补充的冷却液体流量，防止瞬时高负荷条件下蒸发器芯冷却液体供应不足产生的干涸现象，使得本自调节蒸发器能够在不改变泵送流量的条件下，满足变负荷设备的持续工作，经测试比对，相较于现有的单一蒸发芯结构的蒸发器，本申请实施例提供的自调节蒸发器通过增加了储液构件5，最大热流密度提高了20％-50％。

进一步地，第二盖板6形成有储液腔602，并且第二盖板6的一侧壁设置有进液口601，通过进液口601可向储液腔602内补充冷却液体，储液芯面对储液腔602设置，并且每一个毛细吸液芯的底端均能够与储液腔602内的冷却液体接触，以确保储液构件5的吸液、储液效果。

在本申请实施例提供自调节蒸发器在具体工作时，冷却液体由第二盖板6的进液口601进入储液腔602，冷却液体通过储液芯的毛细抽吸作用被源源不断地输送到蒸发芯内，冷却液体在蒸发芯内发生相变蒸发，产生气泡后从蒸汽槽道3流出，达到系统的动态平衡。

蒸发器工作时系统内部的压力动态平衡，蒸汽槽道3内的最大压力为ΔP_c,max，蒸发芯内的流动压差为ΔP_P，储液芯内的流动压差为ΔP_f，为了保证系统的正常工作，储液芯内的重力压差为ΔP_g，毛细压需要满足：ΔP_c,max≥ΔP_P+ΔP_f+ΔP_g，即蒸发芯的多孔结构中的水分输运需要克服蒸发芯的各毛细蒸发芯的毛细孔中的流动压差、储水芯的流动压差和重力压差(液体由下向上被抽吸的过程中产生重力压差)。当外部热流密度增大时，蒸发芯内的换热过程更加剧烈，消耗更多的冷却液体，蒸发芯以及蒸汽槽道3内的压力均发生变化，由储液芯向蒸发芯输送的冷却液体流量增大，毛细力和流动阻力也同时增大，到达新的平衡，以此实现随着热源热流密度变化时，能够自动、针对性地调节冷却液体的供应量。

需要说明的是，蒸发芯以及储液芯均具有多孔结构，多孔结构内部复杂的微孔隙结构能够提供相互连通的微通道产生毛细现象从而对液体产生抽吸作用。最大的毛细压力计算公式为

其中，等效孔隙半径r_c与材料的润湿性有关。

可见，有效半径越小毛细作用越明显，但随着有效半径减小，相同的体积内金属骨架密度增大，气泡的逃逸阻力受到了极大的阻碍，一方面是来自金属泡沫骨架的阻力，另一方面由于毛细力作用，液体从外向内补充的路径与气泡逃逸路径相反，阻碍了气泡的逃离。在本申请实施例中，蒸发芯采用沿气泡逃逸路径由低到高的梯度孔隙结构，即在靠近储液芯侧为小孔隙，增加了固体骨架比表面积，使换热面积增大，汽化核心增多，提高换热系数；另一侧为大孔隙结构增加渗透率，减小蒸汽的释放阻力。

此外，由于储水芯具有吸水、亲水的特性，每一个毛细吸液芯内部都具有微细通道，通过毛细抽吸作用将液态水补充至蒸发芯。针对变热流工况，高热负荷时，蒸发芯的蒸发速率增大，储液芯通过毛细抽吸作用加快液体的补充速率；在低热负荷时，储液芯的毛细抽吸作用随之减小，从而防止冷却液体的断流。同理，对于热流非均匀分布的热源2表面，储液芯能够根据不同区域的蒸发速率自动调节各局部区域的冷却液体供应量，保证热表面温度的均匀性，也避免了蒸发构件4发生干烧现象。

综上所述，本申请提供的自调节蒸发器，一方面能够向蒸发器的主要蒸发部件持续、适量地提供冷却液体，既能够确保蒸发效率，还能够应对变热负荷的工况，另一方面，还增加液体沸腾产生的气泡的逃逸过程的顺畅性，从而能够避免传热恶化。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种自调节蒸发器，其特征在于，包括：

热源；

储液构件，面对所述热源设置；

蒸发构件，设置于所述热源与所述储液构件之间；所述蒸发构件与所述储液构件贴合；

所述储液构件设置有能够抽吸冷却液的储液芯，所述蒸发构件设置有蒸发芯，所述蒸发芯与所述储液芯接触，以使所述蒸发芯吸取所述储液芯内的液体。

2.根据权利要求1所述的自调节蒸发器，其特征在于，所述储液构件的内部中空，所述储液芯设置于所述储液构件的内部，所述储液芯包括多个毛细吸液芯。

3.根据权利要求1所述的自调节蒸发器，其特征在于，所述蒸发芯包括多个毛细蒸发芯，每一个所述毛细蒸发芯的一端与所述储液芯接触，每一个所述毛细蒸发芯的另一端靠近所述热源设置或与所述热源接触。

4.根据权利要求1所述的自调节蒸发器，其特征在于，所述蒸发构件的内部中空，所述蒸发芯设置于所述蒸发构件的内部，所述蒸发芯与所述热源之间设置有蒸汽槽道。

5.根据权利要求4所述的自调节蒸发器，其特征在于，所述蒸汽槽道形成有多个槽部，多个所述槽部沿所述蒸汽槽道的长度方向间隔设置，每一个所述槽部沿所述蒸汽槽道的宽度方向延伸。

6.根据权利要求5所述的自调节蒸发器，其特征在于，所述蒸汽槽道内的最大压力为ΔP_c,max；

所述蒸发芯内的流动压差为ΔP_P；

所述储液芯内的流动压差为ΔP_f；

所述储液芯内的重力压差为ΔP_g；

ΔP_c,max≥ΔP_P+ΔP_f+ΔP_g。

7.根据权利要求4所述的自调节蒸发器，其特征在于，所述自调节蒸发器还包括：

第一盖板，面对所述蒸汽槽道设置，所述热源设置于所述第一盖板；

第二盖板，形成有用于储存液体的储液腔，所述储液构件的底部形成开口，所述开口面对所述储液腔设置。

8.根据权利要求7所述的自调节蒸发器，其特征在于，所述蒸发芯至少包括第一储液芯层和第二储液芯层，所述第一储液芯层靠近所述蒸发构件设置，所述第二储液芯层靠近所述第二盖板设置；

所述第一储液芯层的毛细吸液芯的孔隙大于所述第二储液芯层的毛细吸液芯的孔隙；

所述第二储液芯层的毛细吸液芯的孔隙大于所述毛细吸液芯的孔隙。

9.根据权利要求2所述的自调节蒸发器，其特征在于，所述毛细吸液芯由亲水材料制成。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的自调节蒸发器，其特征在于，所述储液构件的厚度大于所述蒸发构件的厚度。

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