CN203629391U

CN203629391U - 性能增强型脉动热管散热器

Info

Publication number: CN203629391U
Application number: CN201320817380.9U
Authority: CN
Inventors: 薛志虎; 陈思员; 曲伟; 俞继军; 艾邦成
Original assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Current assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2023-12-11

Abstract

本实用新型提供一种性能增强型脉动热管散热器，其包括由毛细管组成且依次连接的蒸发段、绝热段和冷凝段，其中，所述蒸发段的内壁面设有多个空腔。本实用新型通过对蒸发段毛细管的内壁进行表面毛糙处理，可以有效地降低脉动热管工质成核相变所需的过热度，增加成核位置的数量，促进气泡的生成、生长和聚合，大大提高脉动热管启动和运行时的驱动力，从而提高在任意倾斜角尤其是在水平放置时的启动速度和传热性能。

Description

性能增强型脉动热管散热器

技术领域

本实用新型属于电子冷却、余热回收和热管技术领域，具体而言，本实用新型特别涉及一种性能增强型脉动热管散热器。

背景技术

电子器件产生的热量是目前和未来都需要解决的一个关键问题。对于电子元件或系统的热管理，传统热管显示了其优越性能。随着电路集成化程度越来越高，产生的热量也越来越多。因此，需要发展一种更小体积、更高性能的传热元件或设备。

脉动热管是一种新型的高效传热热管，其迎合了电路集成化程度的发展需要。相比传统热管，脉动热管具有很多独特的优点，例如：无毛细芯，结构简单，成本低；管径小、体积小，易于控温元件的小型化；管内分布的薄液膜的换热系数很大，可以实现高热流密度传热。大量实验结果表明，脉动热管的整体平均热阻可以低至0.5-1.0K/W左右，体积小但传送的热流量却能达到90W，在当量体积相同时，它所传输的热流密度可以比传统热管大几倍甚至到一个数量级。脉动热管被视为解决微小空间高热流密度的散热方案中一种很有希望和前途的传热元件。

因此，脉动热管已成功应用于电子和微电子设备冷却，并在航空航天领域展现了广泛的应用前景。但是将脉动热管水平放置工作时，它的性能相比垂直放置时会有大幅度下降，这个缺陷一定程度地限制了脉动热管的工程应用。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种性能增强型脉动热管散热器，以克服现有脉动热管水平放置工作时的性能相比垂直放置时会有大幅度下降的缺陷，提高其水平放置运行时的动力和传热性能。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种性能增强型脉动热管散热器，其包括由毛细管组成且依次连接的蒸发段、绝热段和冷凝段，其中，所述蒸发段的内壁面设有多个空腔。

在上述性能增强型脉动热管散热器的一种优选实施方式中，所述空腔布满所述蒸发段整个内壁面。

在上述性能增强型脉动热管散热器的一种优选实施方式中，所述空腔大小为微米量级。

在上述性能增强型脉动热管散热器的一种优选实施方式中，所述空腔为通过表面机械毛糙处理的方式形成。

在上述性能增强型脉动热管散热器的一种优选实施方式中，所述空腔为通过化学试剂对金属表面进行腐蚀形成。

在上述性能增强型脉动热管散热器的一种优选实施方式中，所述空腔为通过在毛细管内烧结纳米颗粒的方式形成。

在上述性能增强型脉动热管散热器的一种优选实施方式中，所述空腔通过机械螺纹钻对所述蒸发段的内壁面进行微米量级的毛糙处理形成。

在上述性能增强型脉动热管散热器的一种优选实施方式中，所述蒸发段焊接于所述绝热段。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

外部基本结构无变化。没有改变脉动热管的基本结构，和现有技术同样包括蒸发段、绝热段、冷凝段，蒸发段、绝热段和冷凝段是由毛细管组成。未增加复杂的部件，亦无需重新设计。

加工制备易实现。微米级空腔的加工方法有多种，在一段毛细管中很容易实现。脉动热管蒸发段的所有毛细管分别加工完后，再与绝热段和冷凝段毛细管进行连接。

性能提高显著。通过对蒸发段毛细管的内壁进行表面毛糙处理，可以有效地降低脉动热管工质成核相变所需的过热度，增加成核位置的数量，促进气泡的生成、生长和聚合，大大提高脉动热管启动和运行时的驱动力，从而提高在任意倾斜角尤其是在水平放置时的启动速度和传热性能。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型实施例包括由毛细管构成的蒸发段1、绝热段2和冷凝段3，三者依次如图连接。其中，蒸发段1的毛细管内壁面有多个空腔4。

为了取得更好的效果，蒸发段1内壁面加工的空腔4为微米量级。

对于蒸发段1的某一支毛细管而言，其内壁面空腔4的加工很容易实现。可以使用机械加工的方式形成，例如采用机械螺纹钻对毛细管的内壁面进行微米量级的毛糙处理；或采用稀盐酸等化学试剂对金属内壁面进行腐蚀形成；或是在毛细管内烧结纳米颗粒等方式来实现。虽然不同加工方式形成的空腔4略有区别，但是其效果基本相同。

单支蒸发段1的毛细管加工完毕，可以采用焊接的方式与绝热段2连接。

脉动热管以垂直状态工作，即冷凝段3位于蒸发段1的正上方时，气泡冷凝后产生的液体在重力的作用下可以更加快捷地流回蒸发段1。当脉动热管以水平状态工作时，由于没有重力的辅助作用，当驱动力不足时，热管的性能开始出现大幅度下降，甚至有时蒸发段1的局部会出现“烧干”现象。可见，脉动热管的工作原理决定了提高其性能的根本途径：满足动力足而阻力小的特征。脉动热管的动力来源是蒸发段1处与冷凝段3处工质相变时产生的压差驱动力。

鉴于此，本实施例致力于提高蒸发段1处工质的相变能力，以显著提高其热驱动力。本实施例的空腔4可以有效地降低脉动热管工质成核相变所需的过热度，增加蒸发段1处成核位置的数量，促进气泡的生成、生长和聚合，大大提高脉动热管启动和运行时的驱动力，从而提高脉动热管在任意倾斜角尤其是在水平放置时的启动速度和传热性能。

为了更好的阐述本实施例的优点，对本实施例的结构、工作过程进一步详细描述如下：

脉动热管的蒸发段1位于热端，冷凝段3位于冷端。热量首先由热端传递到蒸发段1中的工质。当热量输入满足工质的核态沸腾条件时，工质就会发生相变产生气泡，蒸发段1处的压力升高而引起液塞体积的膨胀，推动工质运动。

蒸发段1中的工质以一定的速度进入冷凝段3，热量由工质传递到冷端。工质中的气泡放出热量，发生冷凝和缩小，冷凝段3处的压力减小。由于蒸发段1和冷凝段3的过程是持续的，且两者是相通的，因此，在压差的驱动下，工质从蒸发段1流向冷凝段3，又从冷凝段3流回蒸发段1。

当工质出现核态沸腾时，内壁面温度需要满足如下条件：

T_{w} > T_{sat} + \frac{2 σ}{R} \frac{T_{sat}}{{λρ}_{g}}

其中，σ、ρ_g、λ、T_sat、T_w、R分别是表面张力、蒸汽密度、蒸发潜热、饱和温度、壁面温度和空腔半径。由上式可知，一定的空腔半径能够降低成核所需的过热度，有利于气泡的产生和长大。空腔半径一般为微米量级，过大会导致管内流动阻力的大幅增加。

在核态沸腾现场，一个汽泡就如一个泵，不停地从过热液体表面溢出。而一个空腔就是一个成核位置，因此，本实施例采用的空腔4可以有效地降低脉动热管工质成核相变所需的过热度，增加蒸发段1处成核位置的数量，促进气泡的生成、生长和聚合，从而大大提高脉动热管启动和运行时的驱动力。

综上所述，本实用新型通过对蒸发段毛细管的内壁进行表面毛糙处理，可以有效地降低脉动热管工质成核相变所需的过热度，增加成核位置的数量，促进气泡的生成、生长和聚合，大大提高脉动热管启动和运行时的驱动力，从而提高在任意倾斜角尤其是在水平放置时的启动速度和传热性能。并且结构简单，制造工艺也较为简易。

由技术常识可知，本实用新型可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本实用新型范围内或在等同于本实用新型的范围内的改变均被本实用新型包含。

Claims

1.一种性能增强型脉动热管散热器，包括由毛细管组成且依次连接的蒸发段、绝热段和冷凝段，其特征在于，所述蒸发段的内壁面设有多个空腔。

2.根据权利要求1所述的性能增强型脉动热管散热器，其特征在于，所述空腔布满所述蒸发段整个内壁面。

3.根据权利要求1所述的性能增强型脉动热管散热器，其特征在于，所述空腔大小为微米量级。

4.根据权利要求1所述的性能增强型脉动热管散热器，其特征在于，所述空腔为通过表面机械毛糙处理的方式形成。

5.根据权利要求1所述的性能增强型脉动热管散热器，其特征在于，所述空腔为通过化学试剂对金属表面进行腐蚀形成。

6.根据权利要求1所述的性能增强型脉动热管散热器，其特征在于，所述空腔为通过在毛细管内烧结纳米颗粒的方式形成。

7.根据权利要求4所述的性能增强型脉动热管散热器，其特征在于，所述空腔通过机械螺纹钻对所述蒸发段的内壁面进行微米量级的毛糙处理形成。

8.根据权利要求1所述的性能增强型脉动热管散热器，其特征在于，所述蒸发段焊接于所述绝热段。