CN1295230A - 载热器 - Google Patents

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Abstract

一种载热器,包括一个密闭或环形热管,该热管包括一个受热区和一个散热区,所述热管中有加热介质,例如二氧化碳,所述加热介质受到加热时,该加热介质变成低黏度超临界流体。由于所述受热区和所述散热区之间的温差引起的密度差,使得超临界流体在热管中通过对流循环,从而将热量从受热区传递到散热区。

Description

载热器
本发明涉及一种载热器，它通过加热介质将该载热器受热区的热量传递到载热器的散热区。
例如在日本专利公开文件8-303970中公开了一种典型的用于冷却发热元件，例如便携式个人电脑(PC)的MPU的冷却单元，这种冷却单元所用的热管内为芯吸(Wick)结构，它包括多个用于充装例如水的工作流体或加热介质的细管线。
在该公开文献介绍的热管中，加热介质在热管的受热区(发热区)蒸发。产生的蒸汽将热量带到或传送到散热区，加热介质在该散热区因放出热量而得到冷却，并在通过Wick结构回到受热区以前变成液态，由此连续将受热区的热量传到散热区，冷却发热区。
因为热管内为传送工作流体的Wick结构，所以不能制成紧凑式结构。因此，如果将上述结构的热管用于电子设备，则该设备必然变得很庞大。
在日本专利公开文件7-253254中公开了另一种在生态学上具有安全性能的超临界流体式的加热介质。
但是，在该公开文献中所述的技术是很大的空调器系统，它包括一个使超临界加热介质在两个热交换器之间循环的气泵，这两个热交换器一个吸热，另一个放热。因此，该系统太大，不能用在电子设备中。
本发明旨在提供一种紧凑式载热器来克服上述缺陷，本发明只用薄壁热管，而不用传统的厚壁热管或使载热器体积很大的泵。本发明还在于提供一种用在小型电子设备，例如便携式PC中的紧凑式载热器。
一方面，本发明的载热器包括一个密闭容器，该容器包括至少一个受热区和至少一个散热区，所述闭合容器中装有加热介质，其中所述加热介质在所述受热区中受到加热时，该加热介质变成超临界流体，由于所述受热区和所述散热区之间的温差引起的密度差，使得流体通过对流循环，将热量从受热区传到散热区。
在这种设置中，由于加热介质在超临界状态下的黏度较低，所以只需要很少的循环能量，这样就能够制造出紧凑高效的载热器。
所述密闭式容器可以做成长方体，也可以做成圆筒形，由此便于加热介质在容器中对流循环。
但是，所述容器最好是连接受热区和散热区的环形热管，这样就可以使加热介质平稳地流过所述热管。
环形热管可以朝上弯曲，这样加热介质在重力作用下可以方便地对流换热。
除了受热区和散热区之外，在整个管上涂敷绝热材料，这样就可以增强加热介质的循环或使加热介质更有效地循环，使受热区向散热区的传热更佳。
最好能使环形热管在受热区和散热区之间以之字形延伸多次，它代替传统载热器中的若干用于连接受热区和散热区的管道。这样就可以减轻在很多管道中充装加热介质的负担。
通过在环形热管中设置多个小尺寸的散热区，就可以减少各个散热区放出的热量，由此可减小各个散热区的尺寸，从而就可以将它们设置在较小的空间内。本发明对于小尺寸的PCs特别有利。
另一方面，可以将一个公共散热区连接到环形热管的多个受热区，从而可减少散热区的空间和降低载热器的成本。
环形热管的一部分可以是用作受热区的平面形网格，例如这种网格适用于印刷电路板。
在这种情况中，使各个管道的直径小于该热管的其余部分的直径，就可以理想地使受热区和散热区之间实现均匀的热传递，这种载热器例如适用于紧凑轻型的便携式PC。
可以在受热区沿一个包括该受热区在内的物体的周边设置足够长的热管，这样就可以使装置理想散热。
由于二氧化碳在7．3MPa的压力下和在31℃左右的温度下能理想地变成超临界状态，所以二氧化碳可以用于冷却电子设备，例如冷却具有发热元件的PC，如果该PC没有得到冷却，则其温度会上升到约80℃。
图1示出了本发明第一种载热器的基本结构；
图2是二氧化碳的莫利示图(mollier diagram)；
图3A和3B示出了本发明第二种载热器的基本结构；
图4A和4B示出的是如图3A和3B所示的载热器的热管中的加热介质的对流图；
图5示出的是本发明用于太阳能集能器的例子；
图6示出的是本发明用于具有散热翅片的散热器的例子，其中图6A是散热器的透视图，图6B是侧视图；
图7示出的是本发明用于将热源的热量传送到用热系统中的传热系统的例子；
图8示出的是本发明用于温度控制槽的例子；
图9是环形热管在受热区和散热区之间为之字型的例子；
图10示出的是本发明用于笔记本电脑中的例子；
图11是用于图10笔记本电脑中的环形热管的例子；
图12到14示出的是根据不同方法用于笔记本电脑印刷电路板上的本发明的载热器，其中图12示出的是电路板包括多个发热件的例子；图13示出的是电路板包括单个发热件以及多个散热区的另一个例子；而图14示出的是整个印刷电路板都用作受热区的又一个例子；
图15是用于例如笔记本电脑类的电子设备的载热器的透视图，所示出的安装的环形热管的形状与电子设备的相同。
现在参见图1，所示的本发明的载热器包括一个通过该载热器的受热区2和散热区3的环形热管1。环形热管1上除了该管在受热区2和散热区3部分以外全部涂敷有绝热材料层4。环形热管1内封装有二氧化碳作为加热介质。
环形热管1中的二氧化碳在7．3MPa以上的压力下和在约31℃的温度下变成易于对流的低黏度超临界流体。当环形热管1中的超临界流体出现温度梯度时，就会产生密度梯度，这样不需要任何外部驱动设备就会使得流体自然对流，由此在流体流过环形热管1时将受热区2的热量传递给散热区3。
超临界流体是热力学状态与流体物质临界点处或临界点以上的液态或气态不同的流体。二氧化碳的临界点的压力为7．3MPa，温度约为31℃，这在图2中用点“a”表示。所以二氧化碳在影线区域b中变成超临界流体。
下表示出了含有二氧化碳的各种物质的临界温度和临界压力。
表Ⅰ
    物质     临界温度(℃)     临界压力(MPa)
    空气     -141．15     3．77
    二氧化碳     31．05     7．38
    氯化氢     51．45     8．31
    水     374．15     22．3
    氮     -146．95     3．39
    氧     -118．55     5．50
从上表中可以看到，与别的物质相比，二氧化碳具有用作上述载热器加热介质的理想临界点。但是应当注意的是本发明的加热介质并不限于二氧化碳，根据载热器的用途可以使用其它合适的物质。
应注意的是，如表2所示，二氧化碳的密度和热导率与液体的类似，黏度与气体类似。
表2
特性 气体 液体 超临界流体的密度
密度(Kg／m3m3) 0．6-1 1000 200-900
黏度(PaS) 10-5 10-3 10-5-10-4
扩散系数(m2／S) 10-5 ＜10-9 10-7-10-8
热导率(W／mK) 10-3 10-1 10-3-10-1
从表2可以看到，超临界流体通常具有以下特性：
(1)由于黏度低，所以流动性高；和
(2)与液体和气体比较，运动粘度较低，所以容易出现对流。
虽然上面已经结合图1的环形热管描述了本发明的用于加热介质的载热器的容器，但本发明的容器并不限于这种环形热管。例如，容器可以是图3所示的里面没有闭合回路的简单的封闭式长方体容器5或简单封闭式圆筒体6。
在上述简单闭合容器中，当容器在受热区7得到加热时，加热介质沿图4箭头X所示的方向进行对流。由于对流X，使得受热区7的热量由加热介质传递到容器的散热区8。
本发明的载热器可以用于下面所述的各种传热系统。图5示出的是装在房屋9的屋顶10上的用于接收太阳能的太阳能收集器11。太阳能收集器11收集的热量可以通过环形热管13传递给水加热器12，由此加热水加热器12中的水。环形热管13包括一个连接太阳能收集器11和水加热器12的容器，热管中有例如二氧化碳的加热介质，在使用时二氧化碳变成超临界流体。
图6示出的是大面积散热器，即具有多个散热翅片14的散热器。若干伸入翅片的导热管15与翅片14连接。将本发明的环形热管16装在导热管15的周围，它们之间相互接触。
在这种设置中，例如当翅片在部位H受到局部加热时，环形热管16将热量传递到翅片14的其他部位，由此有效地冷却加热部位H。
图7示出的是将热源17的热量通过环形热管19传送到用热设备18中的例子；热源例如是地热站，工厂或锅炉的废热，用热设备例如是充分利用热量的热水供应系统。环形热管19上可以涂敷绝热材料，以便在传热过程中使热量损失最小。
图8示出的是通过环形热管21将温度控制槽20与热源22连接的例子。使环形热管21在温度控制槽20的壁上延伸，以便迅速将热源的热量传递给槽，将槽内保持在给定温度。
图9是环形热管25在受热区23和散热区24之间为之字型的例子。受热区23所处的位置低于散热区24，从而使环路中的超临界加热介质进行对流。环形热管25上涂敷有绝热材料26，以防止热量外漏到环境空气中。
环形热管25的内部空间25a充有作为超临界传热介质的二氧化碳。一旦受热区23和散热区24之间出现温差，超临界流体就在环形热管25中开始对流，从而有效地将受热区23的热量传递给散热区24。
在环形热管中使用超临界加热介质可以克服现有技术存在的问题，如果气体加热介质转变成稠的液体，则这种黏度就可以抑制所要求的介质对流，由此减少传热。由于超临界传热介质的这种有效传热，所以可以减少环形热管的内径，这样也就可以减少环形热管本身的直径。此外，可以用很小的能量使超临界流体流过环形热管，从而可以得到高效的载热器。
如下所述，本发明的载热器可用于笔记本电脑。图10示出的是本发明的用于冷却CPU31的载热器，所述CPU31控制笔记本电脑30的全部运行。计算机除了CPU31之外还包括一个具有显示屏32a的显示器32，显示屏嵌入框32b中。CPU31的顶端具有用于吸收该CPU31发出的热量的受热区33。CPU31发出的热量通过设置在显示屏32a周围的环形热管34传递，最后由作为载热器散热区的一部分的框32b释放。环形热管34内的密闭空间中充有加热介质，例如上述实施例中的用于对流的超临界二氧化碳。在这种设置中，加热介质吸收受热区33中的热量，当加热介质在热管中流动时，放出LCD屏32a的热量。当加热介质是二氧化碳时，由于里面是二氧化碳的受热区33的温度超过31℃，所以环形热管34中的加热介质变成低稠度的超临界流体。因此，当CPU31将受热区加热到31℃时，由于在受热区和散热区之间的温差造成这两者之间的密度梯度，因而在热管中出现对流。因此，通过对流进行传热，并对LCD屏32a的周围进行散热。
另外，为了便于利用加热介质中出现的密度梯度进行对流，如图11所示，可以在环形热管34的靠近该热管受热区33的部位有一个朝上的弯曲部34a。
图12表示的是象PC母板一类的印刷电路板35，例如它包括多个发热件36a-36c。
在该例子中，环形热管37的受热区38a-38c与各个发热件36a-36c接触或靠近。这些发热件通过热管与远离它们的散热区39热连接。环形热管37可以有若干靠近受热区38a-38c的弯曲部40a-40c，从而就象上面的例子所描述的那样便于超临界流体对流。
由超临界流体得到的热量通过热管从各个发热件36a-36c传递到散热区39，并由散热区进行散热。应注意的是，在该例子中，只有一个散热区冷却多个发热件，以便节省应满足其他需求的散热区的额外经费和空间。
图13是包括多个用于冷却电路板35上的发热件36的散热区39a-39c的例子。
应注意的是，在该例子中，发热件可以理想地受到多个散热区的冷却，每一个散热区的热容量都比较小，所以占的空间均比较小。
图14示出的是具有多个分布在PC印刷电路板35上的分支的环形热管37，这些分支连接在一起，以便起到冷却多个分布在印刷电路板35上的发热件36a-36c的板式受热区41的作用。
应注意的是，图14所示的板式受热区41具有与印刷电路板35上的发热件36接触或靠近的方格型分支，从而吸收发热件上的热量。如果不形成这种具有方格型分支的环形热管37，则可以形成具有一系列平行分支的板式热管。
当加热介质是超临界流体时，由于黏度较低，所以分支中的流阻也较小，这样在受热区41中的热管就可以比环形热管37其余的部位薄。因此，例如便携式PCs就可以变薄，使其具有较小的重量。
当发热件36加热到高于一定的温度，也就是说50℃时，环形热管37中的超临界流体开始在热管中流动，将受热区41的热量传递给散热区39，由此冷却受热区41。
在图15所示的例子中，将热管的受热区46铺在待冷却物体44的外周上。容器42有一个用于安装长方体44的槽43，长方体例如可以是PC的电子元件。环形热管45的受热区46铺在待冷却物体44的外周上，以致于受热区46可以与物体44一起设置在槽43内。环形热管的散热区47设置在容器42外。
应注意的是，在这里所示的例子中，由于超临界流体的黏度较小，所以超临界流体的流动没有受到热管弯曲部的妨碍。反之，利用若干朝上弯曲部分更便于对流，由此更有效地将热量传递到散热区47。
本领域的技术人员应当明白，也可以考虑采用其他包括对这些载热器改变的措施。例如可以将所述例子的若干特征进行适当的组合。

Claims (15)

1．一种载热器包括：
一个密闭容器，该容器中装有加热介质，所述容器包括至少一个受热区和至少一个散热区，其中
所述加热介质在受到加热时，该加热介质变成超临界流体，由于所述受热区和所述散热区之间的温差，使得超临界流体进行对流，从而将热量从所述载热区传到所述散热区。
2．根据权利要求1所述的载热器，其中所述密闭式容器为长方体或圆筒形。
3．根据权利要求1所述的载热器，其中所述加热介质是二氧化碳。
4．根据权利要求1所述的载热器，其中所述容器是连接所述受热区和所述散热区的环形管。
5．根据权利要求4所述的载热器，其中所述环形管具有至少一个朝上弯曲的部分。
6．根据权利要求4所述的载热器，其中所述环形管上除了所述受热区和所述散热区之外均涂敷有绝热材料。
7．根据权利要求4所述的载热器，其中所述环形管具有一个以上的散热区。
8．根据权利要求4所述的载热器，其中所述环形管具有一个以上的受热区和一个散热区。
9．根据权利要求4所述的载热器，其中所述环形管在受热区和散热区之间具有成之字形的部分。
10．根据权利要求9所述的载热器，其中所述加热介质是二氧化碳。
11．根据权利要求4所述的载热器，其中在所述受热区的所述环形管是平面形网格结构。
12．根据权利要求11所述的载热器，其中所述环形管在受热区的直径小于该管的其余部分的直径。
13．根据权利要求12所述的载热器，其中所述加热介质是二氧化碳。
14．根据权利要求4所述的载热器，其中在所述受热区的所述环形管沿一个包括该受热区在内的物体的周边设置。
15．根据权利要求14所述的载热器，其中所述加热介质是二氧化碳。
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