CN114894015B - 一种热管均温板及其换热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热管均温板，包括上板和下板，所述上板中设置支撑柱，下板中设置微圆柱阵列，微圆柱阵列和支撑柱共同构成均温板的回液柱，其中上板内布置的支撑柱之间的间隙大于下板微圆柱之间的间隙，微圆柱的直径和微圆柱之间的间距以产生毛细驱动力。本发明提出了一种新结构热管均温板及其换热系统，能够提高换热效率，解决换热不均匀问题。

Description

一种热管均温板及其换热系统
技术领域
本发明涉及一种热管技术，尤其涉及一种热管均温板及其换热系统，属于F28D15/02的热管领域。
背景技术
热管技术源自美国，具有近60年的历史，它充分利用了两相工质流热传导原理，具有热阻小、传热性能优良、散热效率高等优点。
热管是指封闭的管壳中充有工作介质(工质)并利用介质的相变吸热和放热进行热交换的高效换热元件。典型的热管，特别是水平热管由管壳、管芯和工作介质构成，管的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据应用需要在蒸发段和冷凝段中间可布置隔热段(绝热段)，管芯是为使冷凝液顺利回流到蒸发段而设置。重力热管是热管的一种。目前国内外热管式太阳能集热器中的热管，大都采用重力热管，重力热管的特点是热管倾斜或垂直放置，其工质的循环流动将受重力的影响，因蒸发段置于下方，在上方冷凝的液体工质借助重力而回流到蒸发段，进而实现循环往复的热的传导传递过程。工质靠重力在热管内回流，无需设置管芯，这就减小了热管的加工难度，降低了制造成本，因而重力热管被广泛应用于多个领域，包括太阳能热利用领域。
具有平面特征的平面热管首先可以用作具有面发热特性的热交换装置，在其内部的微孔内表面具有凹槽与交替式的翅片传热管是一种公知的技术。翅片与凹槽，可以显著提高在管内传送的传热工质的紊流。这种结构能够提高传热性能。凹槽和翅片还直接增加了热交换的表面积和毛细管作用。
传统的平板热管换热系统结构，热源会产生大量的热量。热量通过导热进入所用的热管中，热管温度升高，热量通过外部贴合的热沉将热量散至外界。整个装置均固定于热源的基板上。
但是在本领域中，随着散热量的不断增加，管式结构的本身也就限制了接触面积大小、增加配套工艺复杂程度，这样也限制了管的传热能力。本发明提供了一种新式热管均温板，通过热管下部的毛细微圆柱阵列以及上部设置的支撑柱之间的配合，通过配合上部设置的微通道换热器，实现热源的高效、均衡以及精准散热。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术或者相关技术存在的技术问题之一。本发明提出一种集成效果好，加工难度降低、换热效率高、无能源消耗的热管均温板。
本发明技术方案如下：一种热管均温板，包括上板和下板，所述上板中设置支撑柱，下板中设置微圆柱阵列，微圆柱阵列和支撑柱共同构成均温板的回液柱，其中上板内布置的支撑柱之间的间隙大于下板微圆柱之间的间隙，微圆柱的直径和微圆柱之间的间距以产生毛细驱动力。
作为优选，微圆柱的直径是5-10μm，相邻微圆柱圆心之间的间距是10-20μm，高度是25-50μm。
作为优选，支撑柱是正方形，边长是15-30μm，高度是30-60μm，相邻的支撑柱的相邻的边之间的间距是15-30μm。
作为优选，支撑柱分为多组，每组是四个，多组支撑柱按照横向和纵向布置，从而形成互相平行的横向支撑柱以及互相平行的纵行支撑柱。
一种热管换热系统，包括均温板和设置在均温板上部的微通道换热器，所述微通道换热器包括壳体和连接壳体底壁和上壁的微柱，所述微柱的高度要大于均温板的高度；所述换热器包括入口和出口，所述入口和出口设置在壳体上壁的两侧。
作为优选，所述入口和出口设置在壳体的对角位置。
作为优选，微柱的高度是100-200μm，微柱中心之间的间距是30-70μm，微柱的直径是20-50μm。
作为优选，微圆柱高度h与间距s的比值为4.8-5.2。
作为优选，支撑柱的中心间距s与支撑柱边长d以及高度h与支撑柱边长d的比值为分别是1.9-2.1。
作为优选，所述微柱是弹性部件，沿着换热器内的流体流动方向，微柱的弹性越来越大。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明提供了一种新的热管均温板，通过上板设置支撑柱，下板设置微圆柱，支撑柱没有形成毛细力，主要是起到冷凝液体的作用，然后流到下板，通过支撑柱之间的毛细力将液体抽吸到下板底部，进行加热。上述设置可以使得冷凝液体快速的流到底部受热面，起到了快速加热的作用，提高了换热效率。
2)本发明提供了一种新式的微通道换热器，换热器内部设置微柱，流体在微柱之间流动吸热，进一步提高了换热效率。
3)本发明通过热管下部的毛细微圆柱阵列以及上部设置的支撑柱之间的配合，通过配合上部设置的微通道换热器，实现热源的高效、均衡以及精准散热。
4)本发明通过微圆柱毛细力的布局变化，可以使得可流体在下板底部分布均匀，从而使得换热均衡。
5)本发明提出一种集成效果好，加工难度降低、换热效率高、无能源消耗的热管均温板以及换热系统。
附图说明
图1是本发明现有技术热管换热系统散热分解图；
图2为本发明的热管换热系统的结构示意图；
图3为本发明的均温板结构示意图；
图4为本发明的微通道换热器结构示意图；
图5为本发明的均温板微通道换热器复合散热结构示意图。
具体实施方式
下面将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补充说明。
传统的用于芯片散热的热管系统结构如图1所示，热源1会产生大量的热量。热量通过导热进入所用的外壳2中，外壳2温度升高，布置于外壳内部的热管16开始工作，将热量有效的导入外部贴合的热沉4中，通过热沉4将热量散至外界。整个装置均固定于热源的基板3上。
图2-5展示了本发明的均温板微通道换热器复合散热结构示意图。如图2所示，一种热管换热系统，从下往上依次包括热源1、热管均温板5和热连接均温板5的位于均温板5上部的微通道换热器6。所述均温板5底部与热源1热连接。热源的热量通过热传导传递到均温板5，然后通过均温板传到微通道换热器6中的流体。上述的热源1、热管均温板5和微通道换热器6都封装在外壳2内。
所述的热管均温板是平板均温板，如图3所示，均温板包括上板8和下板7，所述上板8中设置支撑柱11，下板7中设置微圆柱10阵列，微圆柱10阵列和支撑柱11共同构成均温板的回液柱，其中上板内布置的支撑柱11之间的间隙大于下板微圆柱之间的间隙，微圆柱10的直径和微圆柱10之间的间距以产生毛细驱动力。微圆柱10阵列具有较小的直径和间距以增大毛细驱动力，目的是为了提高均温板5内冷凝液体回流的动力，防止局部的高热流密度将其局部瞬间蒸干。并且，微圆柱结构可以加快热量导入至均温板5内部，加快内部液体工质蒸发相变，减少传热热阻。
本发明提供了一种新的热管均温板，通过上板设置支撑柱，下板设置微圆柱，支撑柱没有形成毛细力，主要是起到冷凝液体的作用，然后流到下板，通过支撑柱之间的毛细力将液体抽吸到下板底部，进行加热。上述设置可以使得冷凝液体快速的流到底部受热面，起到了快速加热的作用，提高了换热效率。下部设置微圆柱，通过微圆柱的毛细力也能够使得整体的流体在下板底部分布均匀，从而使得换热均衡。所述的微圆柱和支撑柱都同时起到翅片作用，起到强化传热作用。
支撑柱之间设置间隙，支撑柱11下部对应的微圆柱的毛细力小于支撑柱间隙对应的微圆柱的毛细力。通过上述设置，可以使得流体在下板底部分布均匀，从而使得换热均衡。
作为优选，两个支撑柱11之间的间隙下部对应的微圆柱的毛细力，从一个支撑柱到另一个支撑柱之间，毛细力先是逐渐变大，然后逐渐变小。通过上述设置，可以进一步使得通过毛细力抽吸到间隙中去，可以使得流体在下板底部分布均匀，从而使得换热均衡。
作为优选，毛细力先是逐渐变大的幅度越来越大，逐渐变小的幅度越来越大。上述设置可以进一步提高均匀程度。
作为优选，逐渐变大到逐渐变小的临界点是间隙的中部，即从一个支撑柱到间隙中部，毛细力先是逐渐变大，然后从间隙中部到另一个支撑柱毛细力逐渐变小。
作为优选，随着间隙距离的增加，间隙下部对应的微圆柱毛细力与支撑柱下部对应的毛细力之间的差距也越来越大。通过如此设置，能够使得更加换热均衡，避免换热不均。
作为优选，微圆柱的直径是5-10μm，相邻微圆柱圆心之间的间距是10-20μm，高度是25-50μm。
作为优选，支撑柱是正方形，边长是15-30μm，高度是30-60μm，相邻的支撑柱的相邻的边之间的间距是15-30μm。
作为优选，支撑柱分为多组，每组是四个，多组支撑柱按照横向和纵向布置，从而形成互相平行的横向支撑柱以及互相平行的纵行支撑柱。
图4公开了微通道换热器的结构。如图4所示，所述微通道换热器包括壳体和设置在壳体内部下壁面的微柱12，作为优选，微柱12连接壳体底壁和上壁。所述微柱12的高度要大于均温板的高度；所述换热器包括入口14和出口15，所述入口14和出口15设置在壳体上壁13的两侧。所述的微柱和支撑柱都同时起到翅片作用，起到强化传热作用。本发明提供了一种新式的微通道换热器，换热器内部设置微柱，流体在微柱之间流动吸热，进一步提高了换热效率。
作为优选，所述入口和出口设置在壳体的对角位置。
作为优选，热源是电子器件，优选是芯片。
作为优选，微柱的高度是100-200μm，微柱中心之间的间距是30-70μm，微柱的直径是20-50μm。
经过实验研究发现，微通道换热器部分的尺寸参数大致为深宽比为10左右时，其内部的压降较低且热阻较小。在本设计中，考虑到硅基微柱加工难度，为了尽可能降低微通道换热器内流动阻力，采用直径为20-50μm，高度为100-200μm的细圆柱，间距为30-70μm以强化换热。
均温板的下板7主要针对增强毛细驱动力进行设计，使单位时间内流过微圆柱10间当微圆柱高度h与间距s的比值为4.8-5.2，优选是5的流量最大，以最大程度提高其换热效果。初步设定微圆柱10直径为5-10μm，圆心距为10-20μm，高度为25-50μm。均温板的上板8设计主要为了使冷凝液体回流速度增大，提高其液体渗透率为目的，设置其边长为15-30μm，高30-60μm，边距为15-30μm。
对于均温板下板7，其回流液体质量Q满足式1所示关系，其中η为液体工质粘度，Pcap为两微圆柱间毛细抽吸力，RF为液体工质流过两微圆柱间隙的阻力。Pcap的计算公式如式2所示，其中，γ为液体工质的表面张力，h为微圆柱的高度，s为微圆柱圆心距，θ为液体工质与换热表面(硅表面)接触角。RF的计算公式如式3所示，其中，RH为微圆柱间隙的等效水力直径，d为圆柱直径，L为整个均温板的边长(优选设计的均温板为正方形，长度和宽度一致)。经过计算得到，当微圆柱高度h与间距s的比值为4.8-5.2，优选是5时，工质的流量最大，换热效果最好。
对于均温板上板8，其渗透率K满足式4，其中，d为支撑柱边长(支撑柱为正方形)，h为支撑柱高度，K0为二维支撑柱阵列渗透率，其计算公式如式5所示，ε为计算孔隙率，其计算公式如式6，其中s为支撑柱中心距。经计算得到，当中心间距s与支撑柱边长d以及高度h与支撑柱边长d的比值为分别是1.9-2.1，优选是2时，其渗透率K最大，液体工质在上板上的流动阻力最小。
作为优选，所述微柱是弹性部件，通过弹性部件可以使得流体流动的时候冲刷微柱，微柱会脉动性的摆动，从而促进除垢，振动导致扰流作用，也能强化传热。
作为优选，微柱可以是弹簧。
作为优选，沿着换热器内的流体流动方向，微柱的弹性越来越大。因为随着研究发现，随着流体进行换热，流体温度越来越高，更加容易积垢，而且沿着流体流动方向结垢程度越来越严重，因此通过设置弹性程度不断增加，已达到进一步除垢强化传热目的，减少大弹性的导热体，降低成本。
进一步优选，沿着换热器内的流体流动方向，微柱的弹性越来越大的幅度不断增加。上述的变化也是根据研究发现的，符合结垢的规律，能够进一步降低成本，提高换热效率，降低结垢。
作为优选，所述微通道换热器壳体的侧壁是外壳2的一部分。平板均温板的连接上板和下板的侧壁也是外壳2的一部分。热源1的所在空间的侧壁外壳2的一部分。从而使整个换热系统公用一个外壳2，集成效果好，加工难度降低、换热效率高、无能源消耗的换热系统。
本发明基于均温板的均温性能，将均温板5布置与热源1的上方，其下板7与热源1上表面键合在一起以减少接触热阻，均温板5上板8上方布置微通道换热器6，内部通入恒温冷却工质，利用整体散热结构的具体结构如图2所示。系统工作时，热源1产生的高热量通过热传导导入均温板下板，引起均温板下表面局部温度升高，其内部工质开始蒸发相变吸热，产生蒸汽在重力的作用下到达均温板5的上板8处，开始冷凝放热并将热量传递给上板8，此时冷凝后的液体工质通过均温板内的回液柱9回到下板7继续蒸发，利用均温板内部工质的相变循环达到极高的等效导热系数。此时上板8温度升高且温度分布较为均匀，提升了微通道换热器6的传热性能，冷却工质从微通道换热器内的微通道内流过，热量被冷却工质吸收流出整个散热结构。
本发明通过热管下部的毛细微圆柱阵列以及上部设置的支撑柱之间的配合，通过配合上部设置的微通道换热器，实现热源的高效、均衡以及精准散热。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种热管换热系统，包括均温板和设置在均温板上部的微通道换热器，所述微通道换热器包括壳体和连接壳体底壁和上壁的微柱，所述微柱的高度要大于均温板的高度；所述换热器包括入口和出口，所述入口和出口设置在壳体上壁的两侧，所述均温板包括上板和下板，所述上板中设置支撑柱，下板中设置微圆柱阵列，微圆柱阵列和支撑柱共同构成均温板的回液柱，其中上板内布置的支撑柱之间的间隙大于下板微圆柱之间的间隙，微圆柱的直径和微圆柱之间的间距以产生毛细驱动力；微圆柱的直径是5-10μm，相邻微圆柱圆心之间的间距是10-20μm，高度是25-50μm；所述微柱是弹性部件，沿着换热器内的流体流动方向，微柱的弹性越来越大；两个支撑柱之间的间隙下部对应的微圆柱的毛细力，从一个支撑柱到另一个支撑柱之间，毛细力先是逐渐变大，然后逐渐变小。
2.如权利要求1所述的热管换热系统，其特征在于，支撑柱是正方形，边长是15-30μm，高度是30-60μm，相邻的支撑柱的相邻的边之间的间距是15-30μm。
3.如权利要求1所述的热管换热系统，其特征在于，支撑柱分为多组，每组是四个，多组支撑柱按照横向和纵向布置，从而形成互相平行的横向支撑柱以及互相平行的纵行支撑柱。
4.如权利要求1所述的换热系统，其特征在于，所述入口和出口设置在壳体的对角位置。
5.如权利要求1所述的换热系统，其特征在于，微柱的高度是100-200μm，微柱中心之间的间距是30-70μm，微柱的直径是20-50μm。
6.如权利要求1所述的换热系统，其特征在于，微圆柱高度h与间距s的比值为4.8-5.2。
7.如权利要求1所述的换热系统，其特征在于，支撑柱的中心间距s与支撑柱边长d以及高度h与支撑柱边长d的比值为分别是1.9-2.1。
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