CN117848127A - 一种环路热管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种环路热管，包括依次循环连接的蒸发器、蒸汽管路、冷凝器和液体管路，所述蒸发器包括上外壳、下外壳以及位于上外壳和下外壳之间的内壳，所述上外壳包括液体进口和蒸汽出口，内壳间隔布置补偿腔和蒸汽腔，所述补偿腔与液体进口连通，蒸汽腔与蒸汽出口连通，所述内壳蒸发腔内设置毛细芯，所述毛细芯与补偿腔相连，所述毛细芯包括仿生树木结构，仿生树木结构包括从蒸发腔进液口向蒸汽出口方向延伸的多个树干结构，所述多个树干结构之间连接树枝结构。本发明所设计的仿生树木蒸发器，利用蒸腾作者用能有效避免气塞和烧干现象。
Description
技术领域
本发明涉及换热领域，特别涉及一种环路热管。
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。
环路热管是传统热管技术的拓展，是一种高效的两相传热装置。通过蒸汽管路和液体管路将蒸发器与冷凝器连成回路，仅利用毛细芯提供的毛细力驱动管内工质的循环，无需额外能量消耗利用工质发生相变传递热量。环路热管的结构特点是：蒸汽管路和液体管路分离、蒸发器和补偿器一体化，因结构紧凑从而其气液携带阻力小，启动快速灵活，具有良好的传热能力、安装方便、长距离传输热量等特点，被广泛应用于军工、航空航天、电子设备等众多领域。
环路热管是一种基于分离式热管技术而逐渐发展起来的热管理技术，包括蒸发器、冷凝器、以及蒸汽和液体管路构成。环路热管用蒸发器包括补偿腔和蒸汽腔，补偿腔和蒸汽腔通过毛细芯连接，且凭借毛细芯所提供的毛细力来驱动工质循环。与传统热管相比，LHP中更加合理的毛细结构布置与设计以及分离设计的气液管路，大大提高了其热传输距离以及系统可靠性，减小了系统内部工质的循环阻力以及系统的体积尺寸，能够实现复杂空间的热管理工作。
然而，现有技术环路热管用蒸发器仍然存在一些不足之处：
1、常常采用单一导热系数的毛细芯。毛细芯导热系数过小会阻碍热量传递至蒸发界面，减低换热性能；导热系数过高，会使气液界面向液体侧偏移，液体不能被及时灌满毛细芯，漏热使其传热传质功能失效。
2、毛细芯抽吸力不足。在高热流密度器件的散热过程中，由于毛细芯抽吸力不足，而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，产生热泄露，引起整个环路热管的热失效。
本发明在运行过程中能保证液体充满毛细芯，适应多样化的散热需求和工作条件。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供了一种能有效避免气塞和烧干现象的环路热管。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种环路热管，包括依次循环连接的蒸发器、蒸汽管路、冷凝器和液体管路，所述蒸发器包括上外壳、下外壳以及位于上外壳和下外壳之间的内壳，所述上外壳包括液体进口和蒸汽出口，内壳间隔布置补偿腔和蒸汽腔，所述补偿腔与液体进口连通，蒸汽腔与蒸汽出口连通，所述内壳蒸发腔内设置毛细芯，所述毛细芯与补偿腔相连，所述毛细芯包括仿生树木结构，仿生树木结构包括从蒸发腔进液口向蒸汽出口方向延伸的多个树干结构，所述多个树干结构之间连接树枝结构。
作为改进之一，从蒸发腔进液口向蒸汽出口方向，所述树干结构的宽度越来越小。
作为改进之一，所述树枝结构从树干上向上倾斜。
作为改进之一，所述树枝结构按照如下进行设计：
式中，
n1为树干数量；n2为树枝纵向数目；ω1为树干最宽处宽度；ω2为树枝最宽处宽度； θ为树枝与树干的之间的形成的锐角，如果多个锐角不同，选取多个锐角的平均值；h为树干高度。
作为改进之一，树干的最窄处宽度是ω1的0.5-0.8倍，树枝最窄处宽度ω2的0.3-0.6倍。
作为改进之一，仿生树木结构是低导热毛细芯，还包括高导热毛细芯，所述高导热毛细芯与导热下外壳接触，设置在低导热毛细芯下部并且与低导热毛细芯相连。
作为改进之一，高导热毛细芯的毛细力是低导热毛细芯毛细力的1-3倍。
作为改进之一，高导热毛细芯的毛细力是低导热毛细芯毛细力的2倍。
与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：
本发明的蒸发器，设置了低导热仿生结构毛细芯，抽吸力高且输送均匀，能快速抽吸液体，使其均匀充满毛细芯，且低导热特性可保证液体进入高导热毛细芯进行相变，带走电子器件散发的热量，而避免提前气化；在散热时，仿生结构毛细芯的强大抽吸力可以使补偿腔液体深入速率与液流蒸发速率相匹配，避免在蒸汽腔中液流蒸发后得不到及时补充，避免蒸汽腔被烧干，保证环路热管用蒸发器的散热性能稳定。
低导热仿生结构毛细芯与高导热毛细芯耦合使用，使得液流与蒸汽之间形成多个气液界面，避免气塞现象，防止蒸汽阻碍液流补充，提高蒸发器运行的可靠性。
附图说明
图1是本发明环路热管整体系统图。
图2是本发明仿生树木蒸腾作用的环路热管用蒸发器俯视图。
图3是本发明蒸发器仿生树木蒸腾作用的环路热管用蒸发器爆炸图。
图4是本发明蒸发器低导热毛细芯俯视图俯视图。
图5是本发明蒸发器内壳立体图。
图6是本发明蒸发器内壳俯视图。
图7是本发明蒸发器导热下外壳俯视图。
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。
没有特殊说明，内壳内补偿腔121方向为下，蒸发腔123方向为上，即蒸发腔123位于补偿腔121上方。
如图1所示，一种歧管式平板环路热管，包括依次循环连接的蒸发器1、蒸汽管路3、冷凝器2和液体管路4，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2进行防热冷凝成液体，然后液体通过液体管路4进入蒸发器1中，从而形成一个循环。
图2-7展示了本发明的仿生树木蒸腾作用的环路热管用蒸发器1。如图3所述，蒸发器1包括上外壳11、下外壳15以及位于上外壳11和下外壳15之间的内壳12，如图2所示，所述上外壳11包括液体进口111和蒸汽出口112，如图5所示，内壳12间隔布置补偿腔121和蒸汽腔123，所述补偿腔121与液体进口111连通，蒸汽腔123与蒸汽出口112连通，所述内壳蒸发腔内设置毛细芯，所述毛细芯与补偿腔相连，所述毛细芯包括低导热毛细芯113，如图5、6所示，低导热毛细芯113为仿生树木结构，所述低导热毛细芯13包括从蒸发腔进液口122向蒸汽出口方向延伸的多个树干结构，所述多个树干结构之间连接树枝结构，从蒸发腔进液口向蒸汽出口方向。
本发明的蒸发器，设置了低导热仿生结构毛细芯，抽吸力高且输送均匀，能快速抽吸液体，使其均匀充满毛细芯，且低导热特性可保证液体进入高导热毛细芯进行相变，带走散发的热量，而避免提前气化；在散热时，仿生结构毛细芯的强大抽吸力可以使补偿腔液体深入速率与液流蒸发速率相匹配，避免在蒸汽腔中液流蒸发后得不到及时补充，避免蒸汽腔被烧干，保证环路热管用蒸发器的散热性能稳定。
作为改进，如图5、6所示，所述树干结构的宽度越来越小，可以提高毛细力，使水分纵向均匀填充毛细芯。
作为改进，如图5、6所示，所述树枝结构从树干上向上倾斜，可以减小流动阻力，促进液体输送至数值末梢。
一个改进，树枝结构宽度从中间树干开始向上逐渐变小，可以提高毛细力，使水分横向均匀填充毛细芯。
作为优选，所述树枝结构按照如下进行设计：
式中，
n 1为树干数量，例如图4中n 1=3；n 2为树枝纵向数目，例如图4中n 2=3；ω 1为树干最宽处宽度；ω 2为树枝最宽处宽度； θ为树枝与树干的之间的形成的锐角，如果多个锐角不同，选取多个锐角的平均值；h为树干高度。树干的最窄处宽度是ω 1的0.5-0.8倍，树枝最窄处宽度ω 2的0.3-0.6倍。
上述公式是经过大量实验得到的结果，利用该优化公式计算得到的仿生树木分形结构参数可以提供强大的抽吸力，且减小流动阻力，保证液体最大限度地均匀填充毛细芯，及时补充液体发生相变，效避免气塞和烧干现象，极大地提高环路热管的换热性能。
作为优选，仿生树木树干底部为3-5mm，优选4 mm，顶部为1.5-2.5mm，优选2 mm；树枝最宽处1.2-2.5mm，优选2 mm，末梢位置0.3-0.7mm，优选0.5 mm。采取上述尺寸的仿生树木分形结构，可以进一步减小流动阻力，提高毛细力，使水分输送均匀。
一个改进，还包括高导热毛细芯14，所述高导热毛细芯14与导热下外壳15接触，设置在低导热毛细芯13下部并且与低导热毛细芯14相连。保证工质及时相变，以达到良好的热管理效果；低导热毛细芯13与高导热毛细芯14耦合使用，使得液流与蒸汽之间形成多个气液界面，避免气塞现象，防止蒸汽阻碍液流补充，提高蒸发器运行的可靠性。
采用前述的环路热管用蒸发器，使得本发明的环路热管系统能够能避免环路热管用蒸发器出现气塞和烧干现象，保证环路热管系统能稳定高效地进行散热。
将环路热管用蒸发器置于散热表面，导热下外壳与散热表面贴合，补偿腔中的液体通过仿生低导热毛细芯的抽吸力，均匀充满高导热及低导热毛细芯至导热下外壳，吸收热量后发生相变，蒸汽进入蒸汽腔中，通过蒸汽出口导出至外部管路，通过冷凝器冷凝为液体后通过液流进口向补偿腔供给液流，从而完成一个换热循环。
本发明采用高毛细芯和低毛细芯相结合，其中高导热毛细芯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。
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130-500倍。优选是200-300倍。
作为改进，高导热毛细芯导热系数约为6~8 W/(m∙K)，优选例如烧结镍毛细芯，高导热毛细芯得高导热系数特性，有助于液体相变带走热量，提高环路热管整体的传热性能。
低导热毛细芯导热系数约为0.2~0.4 W/(m∙K)，优选例如烧结PTFE (7AX型聚四氟乙烯) 毛细芯，低导热毛细芯得低导热特性可保证液体进入高导热毛细芯进行相变，带走散发的热量，而避免提前气化。
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。高导热毛细芯的毛细力是低导热毛细芯毛细力的1-3倍，优选是2倍。上述数据使得吸液能力和换热能力达到最佳。高导热毛细芯和低导热毛细芯的厚度均为2mm，高导热毛细芯和低导热毛细芯的毛细力由有效毛细半径决定。
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 (8)
1.一种环路热管，包括依次循环连接的蒸发器、蒸汽管路、冷凝器和液体管路，所述蒸发器包括上外壳、下外壳以及位于上外壳和下外壳之间的内壳，所述上外壳包括液体进口和蒸汽出口，内壳间隔布置补偿腔和蒸汽腔，所述补偿腔与液体进口连通，蒸汽腔与蒸汽出口连通，所述内壳蒸发腔内设置毛细芯，所述毛细芯与补偿腔相连，所述毛细芯包括仿生树木结构，仿生树木结构包括从蒸发腔进液口向蒸汽出口方向延伸的多个树干结构，所述多个树干结构之间连接树枝结构。
2.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，从蒸发腔进液口向蒸汽出口方向，所述树干结构的宽度越来越小。
3.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，所述树枝结构从树干上向上倾斜。
4.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，所述树枝结构按照如下进行设计：
式中，
n 1为树干数量；n 2为树枝纵向数目；ω 1为树干最宽处宽度；ω 2为树枝最宽处宽度； θ为树枝与树干的之间的形成的锐角，如果多个锐角不同，选取多个锐角的平均值；h为树干高度。
5.如权利要求4所述的环路热管，其特征在于，树干的最窄处宽度是ω 1的0.5-0.8倍，树枝最窄处宽度ω 2的0.3-0.6倍。
6.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，仿生树木结构是低导热毛细芯，还包括高导热毛细芯，所述高导热毛细芯与导热下外壳接触，设置在低导热毛细芯下部并且与低导热毛细芯相连。
7.如权利要求6所述的环路热管，其特征在于，高导热毛细芯的毛细力是低导热毛细芯毛细力的1-3倍。
8.如权利要求7所述的环路热管，其特征在于，高导热毛细芯的毛细力是低导热毛细芯毛细力的2倍。
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