CN117760243A - 一种微型热管蒸发器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微型热管蒸发器，所述蒸发器包括上盖板、下基体以及位于上盖板和下基体之间的中间体，所述上盖板包括液体进口和蒸汽出口，中间体包括补偿腔和蒸汽腔，所述补偿腔与液体进口连通，蒸汽腔与蒸汽出口连通，所述蒸发器内设置毛细芯，所述毛细芯包括高导热毛细芯和低导热毛细芯，所述高导热毛细芯设置在下基体上，与热源热连接，低导热毛细芯设置在高导热毛细芯上部，与蒸汽腔连通。本发明所设计的蒸发器有利于提升环路热管的传热特性。
Description
技术领域
本发明涉及换热领域，特别涉及一种微型热管蒸发器。
背景技术
热管技术利用传热理论与相变介质的快速热传递性质，通过热管将加热源的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属。因此，热管技术自问世以来，成为近几十年来国内外众多学者研究的热点。
目前已知的热管，主要是直径在6毫米(mm)的规格，目前，并没有任何稳定且有效的技术可以制造出直径在3毫米(mm)以下的热管，而直径在3毫米以下的热管，即为本案所定义的微型热管。
微型热管主要由蒸发器、毛细芯、补偿腔、蒸汽管路、液体管路及冷凝器等组成。微型热管的工作原理是：热源热量通过蒸发器导热传递给工质，液体工质吸热，温度升高并发生相变，在毛细芯外表面蒸发，产生的蒸汽从蒸汽通道流出进入蒸汽管道，然后进入冷凝器冷凝成液体，冷凝液在蒸汽压力的推动下沿液体管道进入补偿腔对毛细芯进行补偿，这一部分回流液又通过毛细芯的毛细吸力再次被吸入毛细芯内吸热蒸发，如此反复形成完整的循环过程。毛细芯是蒸发器乃至环路热管的核心部分，因为整个回路的驱动力全部由毛细芯的毛细力提供，因此毛细芯的设计或者说蒸发器的设计决定了环路热管的整体性能。
热管虽具有上述优点，且更适用于内部空间受限的应用场景。但环路热管因蒸发器和补偿腔同处一个基板，存在漏热问题，一部分热量沿轴向传递到补偿腔，流经补偿腔的回流液吸收这部分热量而蒸发，不能及时补充工质，导致循环过程受阻，运行不稳定，甚至导致热管失效。
此外，传统平板热管毛细芯内形成的汽液界面有限，这限制了毛细芯的抽吸性能，且大大降低了环路热管的散热性能；同时传统环路热管冷凝液回流通道面积有限，这也降低了环路热管的传热性能。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种平板型环路热管的设计，不仅可以有效地防止蒸发器和补偿腔漏热较大的问题，避免因热量进入补偿腔导致循环中断、热管失效的问题，而且增加了毛细芯内部汽液界面，强化毛细芯对液体的抽吸作用，增大了有效冷凝回流面积，提高环路热管的整体散热能力和传热性能。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种微型热管蒸发器，所述蒸发器包括上盖板、下基体以及位于上盖板和下基体之间的中间体，所述上盖板包括液体进口和蒸汽出口，中间体包括补偿腔和蒸汽腔，所述补偿腔与液体进口连通，蒸汽腔与蒸汽出口连通，所述蒸发器内设置毛细芯，所述毛细芯包括高导热毛细芯和低导热毛细芯，所述高导热毛细芯设置在下基体上，与热源热连接，低导热毛细芯设置在高导热毛细芯上部，与蒸汽腔连通。
作为改进，高导热毛细芯优选为多孔泡沫铜金属。
作为改进，低导热毛细芯导热系数采用PTFE。
作为改进，高导热毛细芯导热率在80—400W/(m·K)之间；而低导热毛细芯导热系数一般为0.2—0.3W/(m·K)之间。
作为改进，两种导热系数的毛细芯的厚度可根据具体应用情况进行设计，毛细芯毛细力取决于目数、孔隙率以及有效毛细半径，若毛细芯厚度不足，不能提供足够的毛细力；若毛细芯厚度过大，会导致渗透率下降。
作为改进，高导热毛细芯设置在下基体上，与热源热连接，低导热毛细芯设置在高导热毛细芯上部，与液体回流通道连通。
与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：
(1)本发明采用高导热系数毛细芯和低导热系数毛细芯相结合，其中高导热毛细芯如泡沫铜，保证由加热元件热量全部或绝大部分传递给工质。上部采用低导热毛细芯，防止冷凝回流的液体受热蒸发，造成回流受阻。
(2)高导热系数毛细芯和低导热系数毛细芯的导热率差距很大才能充分使得由加热元件热量全部或绝大部分传递给工质。上部采用低导热毛细芯，防止冷凝回流的液体受热蒸发，造成回流受阻。
附图说明
图1是本发明环路热管整体系统图。
图2是本发明蒸发器拆分示意图。
图3是本发明蒸发器中间体立体示意图。
图4是本发明蒸发器中间体俯视图。
图5是本发明蒸发器中间体底视图。
图6是本发明蒸发器运行示意图。
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。
本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。
如图1所示，一种分流通道式平板环路热管，包括依次循环连接的蒸发器1、蒸汽管路3、冷凝器4和液体管路5，流体在蒸发器1中吸热蒸发，然后通过蒸汽管路3进入冷凝器4进行防热冷凝成液体，然后液体通过液体管路5进入蒸发器1中，从而形成一个循环。
如图2所示，所述蒸发器1包括上盖板12、下基体13以及位于上盖板12和下基体13之间的中间体14，所述上盖板包括液体进口10和蒸汽出口9，液体进口10和蒸汽出口9分别连接液体管路5和蒸汽管路3。中间体14包括补偿腔6和蒸汽腔8，所述补偿腔6与液体进口10连通，用于将液体引入到补偿腔。蒸汽腔8与蒸汽出口9连通，所述蒸发器1内设置毛细芯2，所述毛细芯2包括高导热毛细芯21和低导热毛细芯22，所述高导热毛细芯21设置在下基体13上，与热源热连接，低导热毛细芯22设置在高导热毛细芯21上部，与蒸汽腔8连通。
本发明采用高导热系数毛细芯和低导热系数毛细芯相结合，其中高导热毛细芯如泡沫铜，保证由加热元件热量全部或绝大部分传递给工质。上部采用低导热毛细芯，防止冷凝回流的液体受热蒸发，造成回流受阻。
优选，高导热毛细芯导热率是低导热系数导热率的130-800倍。优选是200-500倍。
作为优选，高导热毛细芯导热率一般在80—400W/(m·K)之间，比一般金属高。采用的高导热毛细芯优选为多孔泡沫铜金属；而低导热毛细芯导热系数一般为0.2—0.3W/(m·K)之间，优选采用PTFE。
上述高导热系数毛细芯和低导热系数毛细芯的导热率差距很大才能充分使得由加热元件热量全部或绝大部分传递给工质。上部采用低导热毛细芯，防止冷凝回流的液体受热蒸发，造成回流受阻。如果高导热系数过低和低导热系数过高，以及两者的倍数差距太小，都会导致技术效果变得很差，换热吸能大大降低。
两种导热系数的两种毛细芯的厚度可根据具体应用情况进行设计，毛细芯毛细力取决于目数、孔隙率以及有效毛细半径，若毛细芯厚度不足，不能提供足够的毛细力；若毛细芯厚度过大，会导致渗透率下降。最终工质液体要回到高导热毛细芯中，因此，高导热毛细芯的毛细力要强于低导热毛细芯的毛细力。
高导热毛细芯设置在下基体上，与热源热连接，低导热毛细芯设置在高导热毛细芯上部，与液体回流通道连通。之所以引入分流通道结构，原因是使蒸汽与液体相隔而不直接接触，增加汽液界面，大大增加了毛细芯的毛细力，有利于提升传热特性；有效冷凝回流面积大大增加，提高环路热管的整体散热能力，有利于提高环路热管的热传输性能。
本发明设计了多个冷凝回流通道，冷凝液回流流道就是指工质冷凝后进入补偿腔而后流进蒸发器内，如附图3中的11。每个回流通道都与低导热毛细芯连通，低导热毛细芯又设置在高导热毛细芯上部，低导热毛细芯中的液体在重力和毛细力的作用下流入高导热毛细芯中，每个低导热毛细芯与高导热毛细芯之间都可以形成两处弯月面。这也较传统热管增加了汽液界面，大大增加了毛细芯的毛细力。
一个改进，低导热毛细芯的至少一部分设置在蒸汽腔的下部。可以进一步提高蒸发效率。
一个改进，上盖板的边部向下延伸到下基体边部，用于将中间体和毛细芯包覆在上盖板和下基体之间。上述设计将中间体包覆其中，从而使得中间体得到和好的保护，避免损坏。
一个改进，低导热毛细芯和液体通道外的壳体是低导热材质。低导热毛细芯和液体通道外的壳体也应为低导热材质。壳体除上述作用外，还起到防止流经低导热毛细芯的液体工质与蒸汽接触，防止漏热，造成热管失效或热管换热性能下降。
如图2所示，本发明所设计的蒸发器，每个低导热毛细芯22可在高导热毛细芯21处形成2处弯月界面，而传统热管仅仅在毛细芯处形成一处汽液界面。大大增加了毛细芯的液体抽吸能力，有利于提升环路热管的传热特性；同时，本发明还有一个创新设计点，基于本结构，环路热管的有效冷凝回流面积大大增加，提高环路热管的整体散热能力，工作循环更稳定，有利于提高环路热管的热传输性能。
本发明热管的工作过程如下：下基板受到加热元件加热，热量通过导热传递给高导热毛细芯，环路热管内工质吸收这部分热量，发生相变并产生蒸汽，蒸汽通过多孔介质内空隙进入蒸汽通道，而后进入蒸汽腔汇集，经蒸汽出口进入蒸汽管路，再进入冷凝器冷凝成液体工质，冷凝液在蒸汽压力的作用下，沿液体管路流进补偿腔中，经液体通道回流，这一部分回流液先是通过毛细芯的毛细力被吸入低导热毛细芯中，再被高导热毛细芯毛细力吸入高导热毛细芯中，并在此形成多个汽液界面，增大毛细吸力及强化传热能力。冷凝液又吸收热量进行蒸发，如此反复，完成整个工作流程。
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)
1.一种微型热管蒸发器，所述蒸发器包括上盖板、下基体以及位于上盖板和下基体之间的中间体，所述上盖板包括液体进口和蒸汽出口，中间体包括补偿腔和蒸汽腔，所述补偿腔与液体进口连通，蒸汽腔与蒸汽出口连通，所述蒸发器内设置毛细芯，所述毛细芯包括高导热毛细芯和低导热毛细芯，所述高导热毛细芯设置在下基体上，与热源热连接，低导热毛细芯设置在高导热毛细芯上部，与蒸汽腔连通。
2.如权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，高导热毛细芯为多孔泡沫铜金属。
3.如权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，低导热毛细芯导热系数采用PTFE。
4.如权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，高导热毛细芯导热率在80—400W/(m·K)之间；而低导热毛细芯导热系数一般为0.2—0.3W/(m·K)之间。
5.如权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，两种导热系数的毛细芯的厚度可根据具体应用情况进行设计，毛细芯毛细力取决于目数、孔隙率以及有效毛细半径，若毛细芯厚度不足，不能提供足够的毛细力；若毛细芯厚度过大，会导致渗透率下降。
6.如权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，高导热毛细芯设置在下基体上，与热源热连接，低导热毛细芯设置在高导热毛细芯上部，与液体回流通道连通。
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