蒸发器组件及环路热管的制作方法

[0001]
本发明涉及航天器及地面其它电子设备散热技术领域，具体而言，涉及一种蒸发器组件及环路热管。


背景技术：

[0002]
环路热管是一种高效两相传热设备，具有高传热性能、远距离传输热量、优良的控温特性和管路的可任意弯曲、安装方便等特点，由于具有众多其它传热设备无可比拟的优点，环路热管在航空、航天以及地面电子设备散热等众多领域中具有十分广阔应用前景。
[0003]
环路热管主要包括蒸发器、冷凝器、储液器、蒸气管线和液体管线。整个循环过程如下：液体吸收蒸发器外的热量，在蒸发器中的毛细芯外表面蒸发，产生的蒸气从蒸气管线流向冷凝器，在冷凝器中释放热量给热沉，同时蒸气冷凝成液体，最后经过液体管路流入储液器，储液器内的液体工质维持对蒸发器内毛细芯的供给。
[0004]
目前，环路热管的各项性能仍有待提高；其中，启动问题是阻挠环路热管步入实际应用的问题之一。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种蒸发器组件及环路热管，以在一定程度上解决现有技术中存在的环路热管启动的技术问题。
[0006]
为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
[0007]
一种蒸发器组件，包括蒸发器和工质出口；所述蒸发器包括主毛细芯和集气室；所述主毛细芯和所述集气室分别设置在所述蒸发器的壳体内部，且所述集气室与所述工质出口连通；
[0008]
所述蒸发器的壳体内壁设置有蒸气槽道，所述蒸气槽道用于将所述主毛细芯外侧蒸发的工质引流至所述工质出口；
[0009]
沿所述主毛细芯的轴向，所述蒸气槽道呈折线形或者波浪形；
[0010]
所述蒸气槽道包括相连接的槽道蒸发段和槽道集气段；所述槽道蒸发段与所述主毛细芯对应，所述槽道集气段与所述集气室对应；沿所述主毛细芯的轴向，所述槽道集气段的当量尺寸大于所述槽道蒸发段的当量尺寸；其中，所述蒸气槽道呈折线形时，所述当量尺寸为相邻两个折线顶点之间的距离，所述蒸气槽道呈波浪形时，所述当量尺寸为相邻两个波峰之间的距离。
[0011]
在上述任一技术方案中，可选地，所述槽道集气段的表面采用疏水处理。
[0012]
在上述任一技术方案中，可选地，所述槽道集气段的表面采用微纳化粗化处理，和/或所述槽道集气段的表面采用低表面能材料。
[0013]
在上述任一技术方案中，可选地，所述的蒸发器组件包括工质入口、可变热导热管、半导体制冷器和设置在所述工质入口的储液器；所述储液器、所述可变热导热管和所述半导体制冷器分别设置在所述蒸发器外部；
工质入口；220-工质出口；230-控温温度传感器。
具体实施方式
[0035]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以采用各种不同的配置来布置和设计。
[0036]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
[0037]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0038]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0039]
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0040]
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0041]
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0042]
实施例
[0043]
请参照图2-图4，本实施例提供一种蒸发器组件，图2为本实施例提供的蒸发器组件的集气室的结构示意图，图中示出了槽道集气段的当量尺寸大于槽道蒸发段的当量尺寸；图3为本实施例提供的蒸发器组件的结构示意图，图中示出了可变热导热管；图4为本实施例提供的储液器的结构示意图。
[0044]
蒸发器组件是环路热管的核心部件，其主要作用如下：蒸发器组件与热源耦合，环路热管内的工质在蒸发器组件内吸收热量蒸发，由液态变为气态；工质在蒸发器的蒸发面的毛细小孔形成弯月面，提供驱动工质循环的毛细驱动力；同时，通过控制储液器内两相工质的饱和温度，达到控制环路热管内两相区压力的目的，最终形成对环路热管蒸发器温度的精密控制。
[0045]
参见图1a所示，典型的蒸发器组件包括蒸发器的壳体、主毛细芯120、储液器130、副毛细芯150、半导体制冷器160(简称tec)、热桥热管170和辅助启动加热器等，蒸发器组件还包括工质入口210和工质出口220；蒸发器的壳体内部具有与工质出口220连通得集气室140；储液器130的一端与工质入口210连通，储液器130的另一端通过副毛细芯150与主毛细芯120连通。蒸发器110包括蒸发器的壳体、主毛细芯120和集气室140。
[0046]
参见图2所示，本实施例提供的蒸发器组件，用于环路热管以及类似环路热管的设备。该蒸发器组件包括蒸发器110、储液器130、工质入口210和工质出口220；蒸发器110包括主毛细芯120和集气室140，主毛细芯120和集气室140分别设置在蒸发器110的壳体内部，且集气室140与工质出口220连通。可选地，蒸发器组件的工质为氨或者其他介质。
[0047]
蒸发器110的壳体内壁设置有蒸气槽道180，蒸气槽道180用于将主毛细芯120外侧蒸发的工质引流至工质出口220，进而流入环路热管的蒸气管路。
[0048]
沿主毛细芯120的轴向，蒸气槽道180呈折线形或者波浪形。
[0049]
蒸气槽道180包括相连接的槽道蒸发段181和槽道集气段182(图2虚线的椭圆形内所示)；槽道蒸发段181与主毛细芯120对应，槽道集气段182与集气室140对应；沿主毛细芯120的轴向，槽道集气段182的当量尺寸大于槽道蒸发段181的当量尺寸。其中，沿主毛细芯120的轴向，蒸气槽道180呈折线形时，当量尺寸为相邻两个折线顶点之间的距离；沿主毛细芯120的轴向，蒸气槽道180呈波浪形时，当量尺寸为相邻两个波峰之间的距离。
[0050]
可选地，蒸发器110采用不锈钢材质、铜或者铸钢，或者其他材质。
[0051]
本实施例中所述蒸发器组件，通过将槽道集气段182的当量尺寸大于槽道蒸发段181的当量尺寸，也即与槽道蒸发段181的当量尺寸相比，加大槽道集气段182的当量尺寸，可以使槽道集气段182在微重力条件不利于液态工质的聚集，也即与集气室140对应的蒸气槽道180在微重力条件不利于液态工质的聚集，可使主毛细芯120外表面的工质在吸收热量时更容易在集气室140内形成气化核心，促使工质蒸发，有利于环路热管的启动。
[0052]
环路热管的启动，是指蒸发器组件的主毛细芯120外表面的工质吸热形成气化核心，由液态变为气态。辅助启动加热器粘贴于环路热管的集气室140外表面。图1b所示为现有的集气室140的结构示意图，图中用虚线划分出槽道蒸发段181和槽道集气段182，槽道集气段182的当量尺寸与槽道蒸发段181的当量尺寸相同。图2所示为本实施例提供的集气室140的结构示意图，槽道集气段182的当量尺寸大于槽道蒸发段181的当量尺寸，也即与集气室140对应的蒸气槽道180的当量尺寸，大于与主毛细芯120对应的蒸气槽道180的当量尺寸。蒸气槽道180的当量尺寸变大之后，有利于工质的蒸发，进而有利于环路热管的启动。
[0053]
本实施例的可选方案中，槽道集气段182的表面采用疏水处理。通过采用疏水处理，以在微重力条件下进一步使集气室140内表面不利于液态工质的聚集，在工质吸收热量时更容易形成气化核心，促使工质蒸发，有利于环路热管的启动。
[0054]
槽道集气段182的表面采用的疏水处理技术，例如为在槽道集气段182的表面设置疏水材料、特殊微纳结构等。
[0055]
本实施例的可选方案中，槽道集气段182的表面采用微纳化粗化处理，和/或槽道集气段182的表面采用低表面能材料。也即，槽道集气段182的表面采用微纳化粗化处理，或者槽道集气段182的表面采用低表面能材料，或者槽道集气段182的表面采用微纳化粗化处理，以及槽道集气段182的表面采用低表面能材料。可选地，槽道集气段182采用微纳化粗化
处理技术将低表面能材料镀在或者喷涂在槽道集气段182的表面。
[0056]
其中，低表面能材料就是表面能低的材料，主要是有机聚合物如聚乙烯聚丙烯之类的。
[0057]
现有技术中，蒸发器组件的蒸发器110向储液器130的漏热会给环路热管的启动和运行带来以下两方面不利的影响：
[0058]
第一、蒸发器110吸收热量时温度升高，但蒸发器110向储液器130漏热会使储液器130温度也随之升高，如果蒸发器110和储液器130之间无法形成一定的过热度，将不利于环路热管的启动(参见文献：ku,j.t.operating characteristics of loop heat pipes[r].society of automotive engineers,paper no.1999-01-2007,1999)；
[0059]
第二、环路热管在运行过程中，蒸发器110向储液器130的漏热会使储液器130两相区温度升高，饱和压力升高，从而使蒸发器110的温度升高，导致环路热管整体热阻增大，甚至发生温度迟滞现象(参见文献：张红星，环路热管两相传热技术的理论和实验研究，博士论文，北京航空航天大学，2016年)。
[0060]
如图1c所示，目前很多宇航用环路热管蒸发器组件，一般均采用半导体制冷器160对储液器130制冷抵消蒸发器110向储液器130的漏热，半导体制冷器160的热端热量则通过槽道热管172传递给蒸发器110，但这种设计在某些特定情况下会使蒸发器110向储液器130的漏热增大。例如：当半导体制冷器160不开机或者发生故障时，蒸发器110吸收热源的热量，会通过槽道热管172传递给半导体制冷器160热端，而后通过半导体制冷器160本身(热端陶瓷面
→
pn结
→
冷端陶瓷面)传递给储液器130，形成额外的蒸发器110向储液器130的漏热，给环路热管的启动和运行带来不利影响。现有技术中，热桥热管170采用槽道热管172。半导体制冷器160的热端为半导体制冷器160与热桥热管170接触的一端，也即为图1c和图3所示的半导体制冷器160的上端。
[0061]
参见图3所示，本实施例将槽道热管172更改为可变热导热管171，以解决上述问题。
[0062]
本实施例的可选方案中，所述蒸发器组件包括可变热导热管171、半导体制冷器160和设置在工质入口210的储液器130；储液器130、可变热导热管171和半导体制冷器160分别设置在蒸发器110外部。
[0063]
储液器130的一端与工质入口210连通，储液器130的另一端与主毛细芯120连通；可选地，储液器130的另一端通过副毛细芯150与主毛细芯120连通。
[0064]
可变热导热管171的一端通过半导体制冷器160与储液器130连接，可变热导热管171的另一端与蒸发器110连接。由于可变热导热管171为直管型，一般情况下可变热导热管171与蒸发器110具有高度差，为了更好地连接可变热导热管171与蒸发器110，可选地，可变热导热管171的另一端通过连接件190与蒸发器110连接。可选地，连接件190采用导热材料，以便于连接件190传导可变热导热管171与蒸发器110之间的热量，以通过连接件190起到填平可变热导热管171与蒸发器110之间的高度差并同时导热的作用；可选地，连接件190采用导热金属件；例如，连接件190为铁件、铝件、铜件或者其他材料物体。
[0065]
参见图3所示，本实施例的可选方案中，可变热导热管171远离半导体制冷器160的一端具有可变热导热管储气室1711。
[0066]
可变热导热管储气室1711与连接件190间隔设置。
[0067]
可变热导热管171的控温原理如下：在可变热导热管储气室1711内填充一部分控制气体，当热管工作温度较高时，与工质的饱和压力相比，控制气体的分压力占比较低，占据的空间很小，热管体现出高热导的性能；当热管工作温度较低时，控制气体的分压力占比较大，在热管内占据空间较大，热管体现出低热导的性能，因此，热管的热导率随温度而变化，表现出可变热导的特性(参见文献：马同泽，候增祺，吴文銧.热管[m].北京：科学出版社，1991)。在半导体制冷器160正常工作情况下，其热端温度较高，热量通过可变热导热管171传输至环路热管的蒸发器110；在半导体制冷器160不工作或关机情况下，可变热导热管171温度较低，和环路热管的蒸发器110耦合的部分充满控制气体，对外体现出低热导的状态，热量无法从蒸发器110传输至储液器130，从而可以减少蒸发器110向储液器130的漏热，有利于环路热管的启动和稳定运行。
[0068]
可选地，可变热导热管储气室1711内填充的控制气体为氮气或者氦气，或者其他气体。
[0069]
本实施例中具有该蒸发器组件的环路热管的控温原理：环路热管在可变热导热管171处工作，达到稳定状态时，储液器130和蒸发器110都为两相，储液器130和蒸发器110的饱和压力差等于工质经过外回路(外回路是指非蒸发器组件的管路，也即为蒸气管线、冷凝器和液体管线的管路)的压力降。因工质流量较小，外回路为光管，压降较小。同时，由于工质氨本身的性质，其饱和压力对饱和温度的导数很大。因此，如果利用控温手段保持储液器130内饱和温度恒定，其内饱和蒸汽压力就维持恒定，相应的蒸发器110内饱和蒸汽也就稳定在该压力对应的饱和温度上(参考文献：ku,j.t.operating characteristics of loop heat pipes[r].society of automotive engineers,paper no.1999-01-2007,1999)。可见，通过控制储液器130内两相区的温度，可以达到控制蒸发器110温度的目的。图4所示为本实施例提出的控温设计示意图。
[0070]
参见图4所示，本实施例的可选方案中，所述蒸发器组件包括副毛细芯150和控温加热器200；副毛细芯150连接储液器130和主毛细芯120；通过副毛细芯150将储液器130中收集的液体供给主毛细芯120。
[0071]
控温加热器200设置在储液器130的外表面，且控温加热器200与副毛细芯150位置对应。可选地，控温加热器200粘贴在储液器壳体外表面，其对应储液器的内表面应安装副毛细芯150，达到在空间微重力条件下吸纳液体的作用。
[0072]
本实施例的可选方案中，储液器130的内部设置有控温温度传感器230。可选地，控温温度传感器230为内嵌式控温热敏电阻。
[0073]
可选地，控温温度传感器230固定在传感器连接杆的腔体内部；传感器连接杆插入储液器130中；可选地，传感器连接杆与储液器130通过焊接方式密封。可选地，传感器连接杆的材质为不锈钢、铜、铸钢或者其他材质。通过上述手段，可以使控温加热器200一直加热液态工质，蒸发形成饱和状态，控温温度传感器230一直监控的是储液器130内饱和蒸汽的温度，从而达到控温储液器130内饱和温度的目的，最终蒸发器110内饱和蒸汽也就稳定在该压力对应的饱和温度上。
[0074]
本实施例的可选方案中，储液器130的与控温加热器200对应的内表面设置有毛细丝网。通过在储液器130的与控温加热器200对应的内表面设置毛细丝网，以使储液器130的与控温加热器200对应的内表面能够吸收液态的工质，以更好的蒸发工质，令液变气，从而
使温度控制更准。与储液器130的与控温加热器200对应的内表面没有设置毛细丝网相比，温度较低时，液态的工质较难蒸发为气体，单纯加热液体效率不高，温度较高时，液态的工质全部蒸发为气体，单纯加热气体导致过热其效率也不高；在液变气蒸发的过程中，与加热温度较低时的液态工质和加热温度较高时的气态工质相比，直接加热饱和液体，加热效率较高，温度控制也更加精准。
[0075]
本实施例的蒸发器组件，具有辅助启动和控温运行功能，解决了环路热管的启动问题和环路热管的温度控制问题，以及解决了当半导体制冷器160不工作或者故障模式时，蒸发器110通过半导体制冷器160和热桥热管170向储液器130的反向漏热问题。
[0076]
简而言之，1)本实施例的蒸发器组件，通过环路热管的集气室140内蒸气槽道180的尺寸设计以及蒸气槽道180表面的疏水处理，也即通过槽道集气段182的尺寸设计以及槽道集气段182表面的疏水处理，达到有利于环路热管启动的目的。
[0077]
2)本实施例的蒸发器组件，通过将热桥热管由槽道热管172更改为可变热导热管171，达到在半导体制冷器160不工作或故障模式下有效控制蒸发器110向储液器130漏热的目的。
[0078]
3)本实施例的蒸发器组件，通过在储液器130外表面的控温加热器200对应内壁面的副毛细芯150的设计以及控温温度传感器230的位置设计，达到精密控制储液器130内饱和温度的目的。
[0079]
本实施例提供一种环路热管，包括上述的蒸发器组件；上述所公开的蒸发器组件的技术特征也适用于该环路热管，上述已公开的蒸发器组件的技术特征不再重复描述。本实施例中所述环路热管具有上述蒸发器组件的优点，上述所公开的所述蒸发器组件的优点在此不再重复描述。
[0080]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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