CN117968426A - 一种热管理系统的热管装置、热管理系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热管理系统的热管装置、热管理系统及其使用方法，该热管装置包括：外壳；毛细芯，毛细芯附着在所述外壳的内腔表面，并在外壳的内腔设置有第一单向阀和第二单向阀，将外壳的内腔分为热管内第一通路、热管内第二通路以及热管内第三通路，在热管内第一通路和热管内第二通路内设置吸附层，在热管外壳的外侧设有热源，基于热源对吸附层的加热状态，使得吸附层交替进行吸附过程和解吸过程实现在低温热源取热，释放到高温热源。本发明的热管理系统无运动部件，可靠性高。

Description

一种热管理系统的热管装置、热管理系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及热管理技术领域，特别是涉及一种热管理系统的热管装置、热管理系统及其使用方法。

背景技术

传热技术广泛应用于各个领域，常见的传热技术需求主要是换热器和热管理器件。

在诸多传热元件中，热管由于其导热性高、均温性能好、体积小重量轻且无驱动部件，被普遍应用于航天航空、电子器件散热、工业生产等领域。热管传热的两个评价指标一个是热端和冷端温差，另一个是传输功率。由于热管是一个无外部电功输入的传热器件，所以从热力学上可知，热管的热端温度一定高于冷端温度，这使得在某些场景下，比如冷却端温度较高时，散热端的温度会过高，常见的冷却端一般为环境温度，在环境温度较高的情况下，散热端的温度会超出所需。根据热力学第二定律，如果外部能输入电功。则可使得热量可以从低温传输到高温的，从而极大地拓展了热管的适用范围和限制。但是一般的带压缩机的制冷系统结构复杂，不适合应用于热管理系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种热管理系统的热管装置、热管理系统及其使用方法，以解决上述现有技术存在的问题，该系统无运动部件，可靠性高；此外，吸附走蒸发段所产生的蒸汽，可以降低蒸发段的压力，不但可以提升热管的毛细极限，使得热管传输功率更高，对逆重力传热提升较大，还可以实现一定的制冷功能，使得在散热段温度稍高于蒸发段时还可以散热。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种热管理系统的热管装置，包括：

外壳；

毛细芯，设置于所述外壳内，所述毛细芯内封有工作流体；

第一单向阀和第二单向阀，均设置于所述外壳的内腔，所述第一单向阀和第二单向阀将所述外壳的内腔分隔为热管内第一通路、热管内第二通路和热管内第三通路，所述热管内第三通路通过所述第一单向阀与所述热管内第一通路相连通，所述热管内第三通路通过所述第二单向阀与所述热管内第二通路相连通；

第一吸附层和第二吸附层，所述第一吸附层设置于所述热管内第一通路内，所述第二吸附层设置于所述热管内第二通路内，所述第一吸附层和所述第二吸附层均用于对热管内工作流体进行吸附和解吸。

可选地，该热管装置还包括：

将热管内部分为三段：蒸发段、吸附段和冷凝段；所述蒸发段，为使液相工作流体蒸发相变为气相工作流体的热管的一端侧部分；所述吸附段，为在吸附阶段吸收蒸发的气相工作流体并在解吸阶段释放出气相工作流体的热管的中间段部分；所述冷凝段，为使气相工作流体冷凝相变为液相工作流体的热管的另一端侧部分。

可选地，所述第一吸附层和所述第二吸附层均设置于所述外壳内腔与所述毛细芯之间，所述第一吸附层贯穿所述毛细芯、并伸入至所述热管内第一通道内，所述第二吸附层贯穿所述毛细芯、并伸入至所述热管内第二通道内。

可选地，热源对所述第一吸附层和所述第二吸附层进行加热，通过切换对二者的加热状态，使得所述第一吸附层和所述第二吸附层交替进行吸附过程和解吸过程，从而实现热管理系统的连续性工作。

可选地，所述毛细芯为烧结铜粉结构、铜丝网结构或泡沫铜结构。

可选地，所述吸附层的材质为活性炭、硅胶、溴化锂、氧化钙或氢氧化钠可吸附工作介质蒸汽的物质。

可选地，所述第一单向阀包括第一阀座、第一阀芯以及弹性件，所述第一阀座和所述第一阀芯通过所述弹性件相连接。

为实现上述目的，本发明还提供了一种热管理系统，所述系统包括：电源；

一对加热片，均与所述电源相连接，一对所述加热片的其中一者用于对所述第一吸附层进行加热，另一者用于对所述第二吸附层进行加热。

可选地，一对所述加热片均与所述外壳的表面接触。

为实现上述目的，本发明还提供了一种热管理系统的使用方法，所述方法包括：

基于加热面在热管装置的蒸发段处加热，所述蒸发段的毛细芯内的工作流体由液相转化为气相，使得热管内第三通道内部的压力大于热管内第一通道和第二通道内部的压力；

通过热源对第一吸附层和第二吸附层的其中一者进行加热，以使得热管内第一通路和热管内第二通路的其中一者内部的压力大于所述热管内第三通路内部的压力，而另一者由于其内部的压力小于所述热管内第三通路内部的压力，使得转化为气相的所述工作流体朝向其通路内流动；

气相工作流体流向冷凝段后冷凝成液相，同时所述冷凝段的毛细芯会迅速将转化为液相的所述工作流体吸走，并沿着管路将所述工作流体回流至所述蒸发段重新进行蒸发。

本发明的有益效果为：

本发明通过在热管内设置第一单向阀和第二单向阀，将热管的内腔划分为若干个通路，在通路内设置吸附层，吸附层对蒸发的气相工作流体进行吸附，加热吸附层，解吸出吸附层内吸附的气相工作流体，通过不同通路内的两个吸附层交替进行吸附过程和解吸过程，使得热管理系统能够连续性工作，实现从低温区域吸收热量并将其释放到高温区域，相比于传统的毛细芯热管，由于热管中通路的创新性设计，使得此热管的取热能力高于一般毛细芯热管。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种热管理系统示意图；

图2为本发明实施例的毛细芯热管内部结构示意图；其中，图2(a)为毛细芯热管内部结构横切面示意图，图2(b)为毛细芯热管内部结构纵切面示意图；

图3为本发明实施例的基于吸附原理的毛细芯热管工作原理图；其中，图3(a)为第一吸附层吸附过程和第二吸附层解吸过程的毛细芯热管工作原理图，图3(b)为第一吸附层解吸过程和第二吸附层吸附过程的毛细芯热管工作原理图；

图4为本发明实施例的第一分离式基于吸附原理的毛细芯热管示意图；

图5为本发明实施例的第二分离式基于吸附原理的毛细泵热管；

其中，1-热管，2-电源，101-外壳，102-毛细芯，103-吸附层，104-单向阀，201、2011、2012-加热片，1031-第一吸附层、1032-第二吸附层，1041-第一单向阀、1042-第二单向阀，1051-热管内第一通路、1052-热管内第二通路、1053-热管内第三通路，Ⅰ-蒸发段、Ⅱ-吸附段和Ⅲ-冷凝段。

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种热管理系统的热管装置，包括：外壳101；毛细芯102，设置于外壳101内，毛细芯102内封有工作流体；第一单向阀1041和第二单向阀1042，均设置于所述外壳101的内腔，第一单向阀1041和第二单向阀1042将外壳101的内腔分隔为热管内第三通路1053、热管内第一通路1051和热管内第二通路1052，热管内第三通路1053通过第一单向阀1041与热管内第一通路1051相连通，热管内第三通路1053通过第二单向阀1042与热管内第二通路1052相连通；

第一吸附层1031和第二吸附层1032，第一吸附层1031设置于热管内第一通路1051内，第二吸附层1032设置于热管内第二通路1052内，第一吸附层1031和第二吸附层1032均用于对热管内工作流体进行吸附和解吸。

具体为：本发明将毛细芯102铺设在外壳101内，毛细芯102内封有工作流体，在外壳101的内腔中设置第一单向阀1041和第二单向阀1042，将外壳101的内腔分隔为热管内第三通路1053、热管内第一通路1051和热管内第二通路1052，基于第一单向阀1041连通热管内第三通路1053与热管内第一通路1051，基于第二单向阀1042连通热管内第三通路1053与热管内第二通路1052，通过加热面在蒸发段Ⅰ处加热，蒸发段的毛细芯内的工作流体由液相转化为气相，在热管内第一通路1051和热管内第二通路1052内分别设置第一吸附层1031和第二吸附层1032，通过热源对第一吸附层1031和第二吸附层1032的其中一者进行加热，使得热管内第一通路1051和热管内第二通路1052的其中一者内部的压力大于热管内第三通路1053内部的压力，而另一者由于其内部的压力小于热管内第三通路1053内部的压力，使得气相工作流体朝向其通路内流动，气相工作流体在冷凝段Ⅲ冷凝后沿着管路回流至蒸发段Ⅰ重新进行蒸发，实现从低温区域吸收热量并将其释放到高温区域，相比于传统的毛细芯热管，由于热管中通路的创新性设计，使得此热管的取热能力高于一般毛细芯热管。

进一步地，第一吸附层1031和第二吸附层1032均设置于外壳101内腔与毛细芯102之间，第一吸附层1031贯穿毛细芯102、并伸入至热管内第一通路1051内，第二吸附层1032贯穿毛细芯102、并伸入至热管内第二通路1052内。

进一步地，将热管内部分为三段：蒸发段Ⅰ、吸附段Ⅱ和冷凝段Ⅲ；蒸发段Ⅰ，为使液相工作流体蒸发相变为气相工作流体的热管的一端侧部分；吸附段Ⅱ，为在吸附阶段吸收蒸发的气相工作流体并在解吸阶段释放出气相工作流体的热管的中间段部分；冷凝段Ⅲ，为使气相工作流体冷凝相变为液相工作流体的热管的另一端侧部分。

进一步地，热源对第一吸附层1031和第二吸附层1032进行加热，通过切换对二者的加热状态，使得第一吸附层1031和第二吸附层1032交替进行吸附过程和解吸过程，从而实现热管理系统的连续性工作。

进一步地，毛细芯102为烧结铜粉结构、铜丝网结构或泡沫铜结构。

进一步地，吸附层的材质为活性炭或硅胶。

进一步地，第一单向阀1041包括第一阀座、第一阀芯以及弹性件，第一阀座和第一阀芯通过弹性件相连接。

本发明还公开了一种热管理系统，包括热源以及热管理系统的热管装置。

进一步地，热源包括：电源2；加热片2011和加热片2012，均与电源2相连接，加热片2011和加热片2012的其中一者用于与第一吸附层1031进行加热，另一者用于对第二吸附层1032进行加热；其中，加热片2011和加热片2012均与外壳101的表面接触。

本发明还公开了一种热管理系统的使用方法，方法包括以下步骤：

加热面在热管装置的蒸发段Ⅰ处加热，蒸发段Ⅰ的毛细芯内的工作流体由液相转化为气相，使得热管内第三通道1053内部的压力大于热管内第一通道1051和第二通道1052内部的压力；

通过热源对第一吸附层1031和第二吸附层1032的其中一者进行加热，以使得热管内第一通路1051和热管内第二通路1052的其中一者内部的压力大于热管内第三通路1053内部的压力，而另一者由于其内部的压力小于热管内第三通路1053内部的压力，使得转化为气相的工作流体朝向其通路内流动；

气相工作流体流向冷凝段Ⅲ后冷凝成液相，同时冷凝段Ⅲ的毛细芯会迅速将转化为液相的工作流体吸走，并沿着管路将工作流体回流至蒸发段Ⅰ重新进行蒸发。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的主要实施方案公开了一种热管理系统的热管装置。本发明的热管装置结构包括热管1，加热片2011和加热片2012，电源2。毛细芯热管1的结构是本发明的关键创新之处，利用热管1处的结构设计，可以使得热管在低温热源取热，释放到高温热源，此外还可促进热管内蒸发段工作流体的蒸发并加快蒸发气体的流动速度，加强对流换热效果，从而提高热管的传热效率。加热片2011和加热片2012分布在热管上下管壁的外侧，与电源2连接，该部分也可替换为该热管应用场景中所产生的废热。

本发明中最核心的是毛细芯热管1的结构，如图2(a)、图2(b)所示，热管为一管状容器，管状容器具有封入有工作流体的内部空间。101为外壳，一般为铜、不锈钢、镍合金、钛合金等金属；102为毛细芯，一般为烧结铜粉或者铜丝网、泡沫铜等结构，其材质也可能为其他材质的烧结粉末，如不锈钢粉、陶瓷烧结粉等多孔介质；103为吸附层，吸附材料可以是活性炭或硅胶，热管中的工作工质不同，所选取的吸附材料不同，热管A-A处横剖视图如图2(b)所示；104为单向阀，两个单向阀将热管内部分隔成上下两部分，其中每部分都包含一个吸附层。

如图3所示，毛细芯热管内部分为三段：蒸发段Ⅰ、吸附段Ⅱ和冷凝段Ⅲ。热管的一端侧部分为使液相工作流体蒸发相变为气相工作流体的蒸发段Ⅰ；另一端侧部分为使气相工作流体冷凝相变为液相工作流体的冷凝段Ⅲ；中间段部分为在吸附阶段吸收蒸发的气相工作流体并在解吸阶段释放出气相工作流体的吸附段Ⅱ。

本发明还公开了一个基于吸附制冷的热管理的工作流程，通过切换加热片2011、加热片2012对吸附层的加热状态，使得上下两个吸附层交替进行吸附过程和解吸过程，从而实现此热管理系统的连续性工作，两种工作状态分别如图3(a)和3(b)所示。以图3(a)为例，其工作原理如下：加热面在热管蒸发段处加热，蒸发段毛细芯中的工作流体吸收热量，由液相蒸发变成气相，蒸发后体积膨胀使得蒸发段的热管内第三通路1053内的压力增大。由于热管内的热管内第一通路1051中压力相对于蒸发段的热管内第三通路1053较小，因此第一单向阀1041开启，蒸发的气相工作流体通过第一单向阀1041从蒸发段向吸附段流动，从而被吸附段的第一吸附层1031吸收；而此时第二吸附层1032由于在上个工作状态中吸附饱和，因此加热片2012对第二吸附层1032进行加热解吸并释放出大量的气相工作流体，使得热管内第二通路1052中压力相对于蒸发段的热管内第三通路1053较大，因此第二单向阀1042关闭，该通道释放出的气相工作流体向冷凝段流动，并在冷凝段冷凝成液相，同时毛细芯会迅速将液相工作流体吸走，并沿着管路将液体回流至蒸发段重新进行蒸发，以此完成整个循环。在整个循环中，由于蒸发段的蒸气不断被吸附段的吸附层吸收，导致蒸发段的热管内第三通路1053压力减小，从而增大热管内的蒸气压差，促进蒸发段的液相工作流体不断蒸发，并加快气相工作流体向吸附段流动的速度，提高热管传热性能。

本发明提出的基于吸附原理的毛细芯热管结构在本质上等于一个小型吸附式热泵，从低温区域吸收热量并将其释放到高温区域，消耗一定电功，可维持蒸发段温度低于冷凝段，适用于冷凝段外部温度较高而所需器件温度较低的情形。

如图4，可以将蒸发段，吸附段和冷凝段做成分离式并用管道连接，在蒸发端和吸附段之间的连接管道上安装单向阀。这样整个换热结构可以更灵活布置，不受限于加热和冷凝的位置。

如果将冷凝段中不布置毛细芯，则是一个毛细泵热管耦合吸附结构。如图5所示。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种热管理系统的热管装置，其特征在于，包括：

外壳；

毛细芯，设置于所述外壳内，所述毛细芯内封有工作流体；

第一单向阀和第二单向阀，均设置于所述外壳的内腔，所述第一单向阀和第二单向阀将所述外壳的内腔分隔为热管内第一通路、热管内第二通路和热管内第三通路，所述热管内第三通路通过所述第一单向阀与所述热管内第一通路相连通，所述热管内第三通路通过所述第二单向阀与所述热管内第二通路相连通；

第一吸附层和第二吸附层，所述第一吸附层设置于所述热管内第一通路内，所述第二吸附层设置于所述热管内第二通路内，所述第一吸附层和所述第二吸附层均用于对热管内工作流体进行吸附和解吸。

2.根据权利要求1所述的热管理系统的热管装置，其特征在于，该热管装置还包括：

将热管内部分为三段：蒸发段、吸附段和冷凝段；所述蒸发段，为热管的一端侧部分，使工作流体从液相蒸发相变为气相；所述吸附段，为在吸附阶段吸收蒸发的气相工作流体并在解吸阶段释放出气相工作流体的热管的中间段部分；所述冷凝段，为使气相工作流体冷凝相变为液相的热管的另一端侧部分。

3.根据权利要求1所述的热管理系统的热管装置，其特征在于，所述第一吸附层和所述第二吸附层均设置于所述外壳内腔与所述毛细芯之间，所述第一吸附层贯穿所述毛细芯、并伸入至所述热管内第一通道内，所述第二吸附层贯穿所述毛细芯、并伸入至所述热管内第二通道内。

4.根据权利要求2所述的热管理系统的热管装置，其特征在于，热源对所述第一吸附层和所述第二吸附层进行加热，通过切换对二者的加热状态，使得所述第一吸附层和所述第二吸附层交替进行吸附过程和解吸过程，从而实现热管理系统的连续性工作。

5.根据权利要求1所述的热管理系统的热管装置，其特征在于，所述毛细芯为烧结铜粉结构、铜丝网结构或泡沫铜结构。

6.根据权利要求1所述的热管理系统的热管装置，其特征在于，所述吸附层的材质为活性炭、硅胶、溴化锂、氧化钙或氢氧化钠可吸附工作介质蒸汽的物质。

7.根据权利要求1所述的热管理系统的热管装置，其特征在于，所述第一单向阀包括第一阀座、第一阀芯以及弹性件，所述第一阀座和所述第一阀芯通过所述弹性件相连接。

8.一种热管理系统，其特征在于，基于权利要求1-7任一项所述的热管装置，所述系统包括：电源；

一对加热片，均与所述电源相连接，一对所述加热片的其中一者用于对所述第一吸附层进行加热，另一者用于对所述第二吸附层进行加热。

9.根据权利要求8所述的热管理系统，其特征在于，一对所述加热片均与所述外壳的表面接触。

10.一种热管理系统的使用方法，其特征在于，基于权利要求8-9任一项所述的热管理系统，所述方法包括：

基于加热面在热管装置的蒸发段处加热，所述蒸发段的毛细芯内的工作流体由液相转化为气相，使得热管内第三通道内部的压力大于热管内第一通道和第二通道内部的压力；

通过热源对第一吸附层和第二吸附层的其中一者进行加热，以使得热管内第一通路和热管内第二通路的其中一者内部的压力大于所述热管内第三通路内部的压力，而另一者由于其内部的压力小于所述热管内第三通路内部的压力，使得转化为气相的所述工作流体朝向其通路内流动；

气相工作流体流向冷凝段后冷凝成液相，同时所述冷凝段的毛细芯会迅速将转化为液相的所述工作流体吸走，并沿着管路将所述工作流体回流至所述蒸发段重新进行蒸发。