CN203163564U - 一种具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置 - Google Patents

Abstract

一种具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置，为真空密封结构，它主要包括平板式蒸发器、冷凝器、蒸汽管路和液体管路；由平板式蒸发器、冷凝器、蒸气管路和液体管路形成环路重力热管，在该环路重力热管内部充灌有工质。本实用新型可以实现高效热传输，提高整体系统热效率，同时装置本身造型结构简单，安装方便，造价低、空间利用率高。装置中平板式蒸发器的引入扩大了环路重力热管的应用范围，在为地热利用及太阳能利用提供高效、廉价的热传输装置以外，也能够成为CPU、LED芯片等平面热源可靠的散热选择。适用于重力环境下高热流密度的平板式热源的传热和散热。

Description

一种具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置

技术领域

[0001] 本实用新型属于能源利用领域，可应用于电子器件或大型设备的散热、热量高效传导，具体涉及一种具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置。

背景技术

[0002] 第三次工业革命以后，尤其是进入21世纪以来，随着科学技术水平的不断提高，半导体电子产业的蓬勃发展，集成技术的日益精进，电子电气设备向高性能高功率小体积的方向不断探索并取得突飞猛进的进步，但是电子设备元器件工作过程中会产生热量，功率越高，随之产生的热量也就越大，如若热量无法散发出去，便会使得元器件在超温状态下工作效率降低，甚至烧毁。因此近年来，随着高性能的大功率元器件集成化程度越来越高，电子电器设备的散热问题也越来越突出。电子元器件单位面积的热流密度随着单位面积的功率增加而增加，对于热流密度大于lOW/cm2的情形而言，传统的采取型材挤型散热器结合风扇强制对流散热的方式很难达到理想的散热效果，而采取水冷技术，尤其是自身需要搭配动力装置的主动式水冷散热技术容易产生动力部件和密封件的可靠性和寿命问题，故现有技术通常采用相变传热的技术手段，解决热流密度lOW/cm2——100ff/cm2的散热问题，如今，普通热管已经较普遍地应用在电子电气行业，然而其自身的传热局限性使得其散热能力局限在30W/cm2左右。

[0003] 另外，重力热管装置现在已经成为比较成熟的传热装置，广泛应用在地热能利用和太阳能热利用领域。重力热管装置是利用重力作为驱动力，让处于负压密闭环境中的工质发生相变传导热量的传热装置，由于其结构简单并具有非常高的传热系数，因此传热效率较高。近年来，在分体式太阳能热水器中已经有利用到重力热管装置用作传热部件的设计和应用出现。近年来，分体式太阳能热水器由于其集热器和储水箱的分离设计扩大了太阳能热水器的安装范围，成为近年来太阳能热水器项目的热点研究问题。然而分体式太阳能热水器往往采用多次间接换热对水箱内的水进行加热，使得系统加热效率较紧凑式太阳能热水器低，并且受普通重力热管的传热极限尤其是携带极限所限制，现有的利用普通重力热管的分体式太阳能热水器并不能真正的实现太阳能集热器与储水箱远距离分离布置。而相较传统的一些使用普通重力热管的分体式太阳能热水器，使用环路重力热管装置能够进一步减小传热热阻，增强系统换热效率，并且实现远距离传热。而其易于安装的特点也使得代替传统普通重力热管成为了可能。

[0004] 现有的环路重力热管一般如图7所示，环路重力热管主要包括带有蒸发槽道11的蒸发器10、冷凝器20、上行蒸汽管路30及下行液体管路40，其中冷凝器20布置在蒸发器10上方，上行蒸汽管路30的两端与蒸发器20的上方连接，下行液体管路40的两端分别与蒸发器10、冷凝器20的下方相连。这样的环路重力热管可以强化传热、降低热阻、提高热利用效率，但是现有的环路重力热管在实际应用中还主要存在一些问题:

[0005] 1、该环路重力热管结构蒸发器部分上下端各需要接入至少一条管路，这在现有替换现有重力热管应用上存在有不便和缺陷，原因在于目前的重力热管应用通常为只有上部空间留有管道出口下部空间封闭的闭式结构，必须改变现有应用的设计结构才能够用现有的环路重力热管替换普通重力热管；

[0006] 2、现有的环路重力热管虽然结构简单，造价不高，但具有较高的施工难度，维护成本较高，不适于广泛推广；

[0007] 3、之前提出的管式蒸发器环路重力热管装置有一定的应用局限性，例如不能很好地用作CPU、LED芯片等平板式热源的散热。

实用新型内容

[0008] 为了克服现有的环路重力热管传热装置存在诸多问题的不足，本实用新型的目的在于:提供一种具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置，该装置依靠重力作为驱动力，无须外动力能源，可以实现高效热传输，提高整体系统热效率，同时装置本身造型结构简单，安装方便，造价低、空间利用率高。装置中平板式蒸发器的引入扩大了环路重力热管的应用范围，在为地热利用及太阳能利用提供高效、廉价的热传输装置以外，也能够成为CPU、LED芯片等平面热源可靠的散热选择。

[0009] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案如下:

[0010] 一种具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置，所述的环路重力热管传热装置为真空密封结构，它主要包括平板式蒸发器、冷凝器、蒸汽管路和液体管路；所述的平板式蒸发器设有至少一个，该平板式蒸发器设在所述的整个环路重力热管传热装置的下方，所述的冷凝器设有至少一个，该冷凝器设在平板式蒸发器的上方，所述的蒸汽管路的入口端伸入平板式蒸发器的顶部并位于该平板式蒸发器的上部，所述的液体管路的出口端穿过平板式蒸发器的顶部并插入至该平板式蒸发器的下部；所述的蒸汽管路的出口端与所述的冷凝器的上部连通，所述的液体管路的入口端与冷凝器的下部连通，构成环路；由所述的平板式蒸发器、冷凝器、蒸气管路和液体管路形成环路重力热管，在该环路重力热管内部充灌有工质。

[0011] 所述的平板式蒸发器的形状为具有平面结构的长方形体形、圆柱体形、半球体形；所述的平板式蒸发器的单侧或多侧具有与平板式蒸发器热源发热面相匹配的受热平面。

[0012] 所述的平板式蒸发器的内表面为光滑表面，或可强化传热性能的沟槽面、阵列式针肋面，内部烧结多孔材料层。

[0013] 所述的冷凝器内壁面为光滑面，或可强化冷凝换热性能的直沟槽、螺旋沟槽壁面、或附着换热表面涂层壁面；所述的冷凝器的外壁面为光滑表面，或在外壁面上设有翅片或肋结构，或在外壁面上外设水冷结构。

[0014] 在所述的蒸汽管路或液体管路上设置三通结构，该三通结构设有抽气口并可密闭。

[0015] 所述的平板式蒸发器和冷凝器的材质为具有优良导热性能的铜或铝或不锈钢；所述的蒸汽管路和液体管路和三通结构的材质为与工质不发生反应的铜或铝或不锈钢或聚四氟乙烯。

[0016] 所述的工质为可在工作温度区发生相变的，具有良好热物理性质的液体工质。

[0017] 本实用新型的技术原理如下:本实用新型中的平板式蒸发器是作为环路重力热管装置与热源发生热量交换的部位，热源通过热传导、热对流或热辐射的方式将热量传导到平板式蒸发器，平板式蒸发器吸收足够热量后，内部储存的液体工质发生汽化相变，实现热源与工质之间的热交换。本实用新型的冷凝器是作为环路重力热管装置与冷源(热沉)发生热量交换的部位，冷凝器将吸收到的热量释放到冷源，内部蒸汽工质因热量流失而发生凝结相变，实现工质与冷源之间的热交换。本实用新型中所设的蒸汽管路或液体管路为工质形成环路所用通道，并设置有抽气口可封闭的三通结构。本实用新型依靠平板式蒸发器与蒸汽管路、液体管路的配合设计，使得气相和液相工质仅在蒸发器上端同时进出而下端完全封闭。液体管路从上部插入蒸发器下部的设计构造可达到将回流工质送到蒸发器腔体内部的目的，在蒸发器内部隔绝了气相和液相区，实现工质循环的效果，也在重力的作用下，实现工质在整个系统内部单向循环流动。工质发生相变后只能进入蒸汽管道而无法进入液体管道的原因在于在有重力存在的情况下，工质汽化后蒸汽密度小，受浮力作用在液体中上升，进入蒸发器的上半部空间，而液体管路出口处于液体堆积的蒸发器下部，温度低、密度大，产生蒸汽的可能性较低，加上液体管路中有回流液体，蒸汽很难持续形成进入液体管路，因此实现了工质的单向循环流动，这也是本实用新型所提出的新的环路重力热管蒸发器的运行原理。

[0018] 由于采用上述技术方案，使本实用新型与现有技术相比，具有如下有益效果:

[0019] 1、具有良好传热特性，热传输效率高

[0020] 本实用新型采用的环路重力热管传热装置中具有平板式蒸发器，该平板式蒸发器的单侧或多侧具有与平板式热源发热相匹配的受热平面，因此在与热源发生热交换时，可以充分受热，吸收足够的热量，且平板式蒸发器具有可强化传热性能的内表面，在冷凝器内具有可强化换热性能的内壁面，加上本实用新型中的平板式蒸发器、冷凝器的材质均为具有优良导热性能的材料，因而可以实现高效热传输，提高整体系统热效率，工质蒸汽和冷凝液通过独立的管路运行，减少了流动的阻力，提高了环路重力热管的传热极限。

[0021] 2、造型结构简单、安装方便、造价低、空间利用率高

[0022] 3、扩大了环路重力热管的应用范围

[0023] 本实用新型引入平板式蒸发器，提高了散热能力，可解决热流密度几十至几百瓦/平方厘米的散热问题，在为地热利用及太阳能利用提供高效、廉价的热传输装置外，也能够成为CPU、LED芯片等平面热源的可靠散热选择。

附图说明

[0024] 下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

[0025] 图1是本实用新型具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置的结构示意图。

[0026] 图2是图1中平板式蒸发器的结构示意图。

[0027] 图3是本实用新型中蛇形管冷凝器结构示意图。

[0028] 图4是本实用新型中带翅片结构的蛇形管冷凝器结构示意图。

[0029] 图5是本实用新型中水冷板式冷凝器结构示意图。

[0030] 图6是本实用新型具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置在PC机箱中的应用实例示意图。

[0031] 图7现有的环路重力热管结构示意图。

[0032] 图中，1.平板式蒸发器，2.冷凝器，3.蒸汽管路，4.液体管路，5.三通结构，6.工质，10.蒸发器，11.蒸发槽道，20.冷凝器，30.上行蒸气管路，40.下行液体管路。具体实施方式

[0033] 图1所示为本实用新型具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置的一个实施例，不作为对本专利的限制。该装置为真空密闭结构，主要包括平板式蒸发器1、冷凝器2、蒸汽管路3和液体管路4。该平板式蒸发器I设有一个或多个，起到吸收热源热量的作用。该平板式蒸发器I设在整个环路重力热管传热装置的下方。该平板式蒸发器的形状包括但不限于具有平面结构的长方形体形、圆柱体形、半球体形等具有平面结构的常见几何形状或其组合。其单侧或多侧具有与平板式蒸发器热源发热面相匹配的受热平面。在平板式蒸发器的单侧或多侧留有装配平面热源所用的装配孔，也可采用外部支架固定的方式固定热源。该平板式蒸发器I在整套环路重力热管传热装置中位于冷凝器2的下方，平板式蒸发器I的内表面可为图2所示的光滑表面，也可根据需要设置可强化传热性能沟槽面、阵列针肋面、内部烧结多孔材料层等其他结构表面，以增强沸腾换热以及液体回流能力。如图2所示，蒸汽管路3的入口端略伸入平板式蒸发器I的顶部，位于该平板式蒸发器I的上部；液体管路4的出口端穿过平板式蒸发器I的顶部并插入至平板式蒸发器I的下部。

[0034] 冷凝器2设有至少一个，该冷凝器2设在平板式蒸发器I的上方，冷凝器2的上部入口端与蒸汽管路3的出口端相连通，冷凝器2的下部出口端与液体管路4的入口端相连通，构成环路，由平板式蒸发器1、冷凝器2、蒸汽管路3和液体管路4形成环路重力热管，在该环路重力热管内部充灌有工质6。

[0035] 冷凝器2的形状根据需要可设计成为包括但不限于板式冷凝器或蛇形管冷凝器或螺旋管式冷凝器等常用冷凝器。冷凝方式可为自然空冷、强迫空冷、水冷等多种形式。图1中的冷凝器为盘管式冷凝器，图3、图4中的冷凝器为蛇形盘管式冷凝器，图5中的冷凝器为水冷板式冷凝器。冷凝器2的外壁面可以是光滑壁面，也可以加工成有各种强化换热壁面，或者使用如图4所示的换热翅片或肋结构强化换热，或在外壁面上外设水冷结构。冷凝器2的内壁面可为光滑面或附着强化冷凝换热表面涂层壁面强化换热，也可以制成各种强化冷凝换热结构，例如直沟槽或螺旋沟槽壁面。

[0036] 本实用新型在蒸汽管路3或液体管路4上设置有出口可封闭的三通结构5，该三通结构5的抽气口为抽真空或灌装工质的专用接口。

[0037] 本实用新型中的工质为水或丙酮或乙醇或乙二醇或氟利昂或液态金属，或三氧化二铝与水混合的纳米流体，或氧化铜与水混合的纳米流体或其他常用热管工质。

[0038] 平板式蒸发器I和冷凝器2的材质为具有优良导热性能的铜或铝或不锈钢或其它具有优良导热性能的常见材料；蒸汽管路3和液体管路4和三通结构5的材质为与工质不发生反应的铜或铝或不锈钢或聚四氟乙烯或其他与工质不发生反应的适宜材质。平板式蒸发器I可以由两部分焊接、铆接、粘接等常用加工方法制得。盘管冷凝器2可以使用折弯机弯折而成，水冷式板式冷凝器2可以通过焊接的方式制成，冷凝器2与蒸汽管路3、液体管路4可通过焊接的方式结合。平板式蒸发器I与蒸汽管路3或液体管路4采用焊接或粘接装配连接；蒸汽管路3和冷凝器2和液体管路4通过焊接(包括软焊接、硬焊接或扩散焊接)或粘接与三通结构5固定连接或与三通结构一体成型。

[0039] 三通结构5的材料与相连接的管材材料一致并且通过焊接的方式与环路重力热管相连接(包括钎焊或氩弧焊等)。当所有组件连接完毕，通过三通结构5的出口对环路重力热管装置抽真空，充装工质6，待工质6充装完毕后，把三通结构5出口彻底封闭，封闭方法可采用先冷焊法封闭，再通过氩弧焊法彻底封闭。蒸汽管路3、液体管路4的管径尺寸可保持一致或根据具体情况在不同弯折或结构处有所改变，也可由两根以上管材拼接而成。

[0040] 本实用新型工作过程如下:

[0041] 具有平板式蒸发器的环路重力热管运行过程中，工质6在完全密闭的环路重力热管内部运行，平板式蒸发器I将由表面导入的热量传递给工质6，工质6吸收热量在平板式蒸发器I内部吸热发生沸腾相变，从而产生蒸汽，蒸汽上升至平板式蒸发器I顶部，进入蒸汽管道3，蒸汽沿着蒸汽管道3运动进入冷凝器2，将热量释放到环境介质中，工质6冷凝成为液体，在重力g的作用下顺着液体管道4回到平板式蒸发器I中，循环往复，持续将热源的热量释放到环境介质中，达到传热装置的作用。

[0042] 请参见图6所示的本实用新型具体应用的实施例示意图。图6中为本实用新型一个具体应用实例的结构示意图。图中所示的是针对台式计算机CPU芯片换热的示意图，该实施例中运用的平板式蒸发器为方形平板式蒸发器I。CPU芯片固定在平板式蒸发器I上。工作时，平板式蒸发器I吸收来自CPU芯片释放的热量，工质蒸发带走平板式蒸发器I传导来的热量沿蒸汽管路3进入冷凝器2中，通过冷凝器2换热将热量释放到环境介质当中，工质在冷凝器2中冷凝成为液体，沿液体管路4回到平板式蒸发器I中冷却平板式蒸发器1，循环往复从而达到了散热的目的。

[0043] 本实用新型适用于重力环境下高热流密度的平板式热源的传热和散热。

Claims (9)

1.一种具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置，其特征在于:所述的环路重力热管传热装置为真空密封结构，它主要包括平板式蒸发器、冷凝器、蒸汽管路和液体管路；所述的平板式蒸发器设有至少一个，该平板式蒸发器设在所述的整个环路重力热管传热装置的下方，所述的冷凝器设有至少一个，该冷凝器设在平板式蒸发器的上方，所述的蒸汽管路的入口端伸入平板式蒸发器的顶部并位于该平板式蒸发器的上部，所述的液体管路的出口端穿过平板式蒸发器的顶部并插入至该平板式蒸发器的下部；所述的蒸汽管路的出口端与所述的冷凝器的上部连通，所述的液体管路的入口端与冷凝器的下部连通；由所述的平板式蒸发器、冷凝器、蒸气管路和液体管路形成环路重力热管，在该环路重力热管内部充灌有工质。

2.根据权利要求1所述的具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置，其特征在于:所述的平板式蒸发器的形状为具有平面结构的长方形体形、圆柱体形、半球体形；所述的平板式蒸发器的单侧或多侧具有与平板式蒸发器热源发热面相匹配的受热平面。

3.根据权利要求2所述的具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置，其特征在于:所述的平板式蒸发器的内表面为光滑表面，或可强化传热性能的沟槽面、阵列式针肋面、内部烧结多孔材料层。

4.根据权利要求1所述的具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置，其特征在于:所述的冷凝器根据其形状为板式冷凝器或盘管式冷凝器或螺旋管式冷凝器。

5.根据权利要求4所述的具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置，其特征在于:所述的冷凝器内壁面为光滑面，或可强化冷凝换热性能的直沟槽、螺旋沟槽壁面，或附着换热表面涂层壁面；所述的冷凝器的外壁面为光滑表面，或在外壁面上设有翅片或肋结构，或在外壁面上外设水冷结构。

6.根据权利要求1所述的具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置，其特征在于:在所述的蒸汽管路或液体管路上设置三通结构，该三通结构设有抽气口并可密闭。

7.根据权利要求1或6所述的具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置，其特征在于:所述的平板式蒸发器和冷凝器的材质为具有优良导热性能的铜或铝或不锈钢；所述的蒸汽管路和液体管路和三通结构的材质为与工质不发生反应的铜或铝或不锈钢或聚四氟乙烯。

8.根据权利要求7所述的具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置，其特征在于:所述的平板式蒸发器与蒸汽管路或液体管路采用焊接或粘接装配连接；所述的蒸汽管路和冷凝器和液体管路通过焊接或粘接与三通结构固定连接，或与三通结构一体成型。

9.根据权利要求1所述的具有平板式蒸发器的环路重力热管传热装置，其特征在于:所述的工质为水或丙酮或乙醇或乙二醇或氟利昂或液态金属。