本發(fā)明涉及一種傳熱裝置，具體涉及的是一種為在反重力條件下改善氣液兩相工質循環(huán)并實現(xiàn)高效快速傳熱而設計的具有梯級結構特征的自循環(huán)氣液兩相流相變換熱器。

背景技術：

電子元器件設備的有效散熱始終是現(xiàn)代傳熱領域的主要應用之一。然而，伴隨著電子信息工業(yè)和微電子機械系統(tǒng)（MEMS）等技術的迅猛發(fā)展，電子元器件微型化、高集成、高功率等的發(fā)展趨勢已經愈演愈烈。如何確保在高發(fā)熱熱流密度下將芯片中的熱量及時排走，使其溫度控制在可以安全工作的范圍內已經成為提高電子器件設備工作可靠性的關鍵技術之一。

熱管式散熱技術因其以相變傳熱作為基本傳熱方式而具有高效的散熱性能，被廣泛應用于高熱流密度下的微電子設備散熱等領域。熱管式換熱器作為一種相變換熱裝置，具有結構簡單、熱導率高、均溫性良好、工作適應性好以及有利于對集中熱源進行熱擴散等優(yōu)點，在空間熱控系統(tǒng)﹑光電芯片散熱等領域有著廣闊應用前景。

目前傳統(tǒng)的熱管式換熱器氣液相變空間內的吸液芯結構一般是在腔體內壁面上設置溝槽、燒結多孔金屬、貼附金屬絲網等，這些結構設置對腔體內工質的循環(huán)產生了一定改善作用，但是在熱管式換熱器的實際應用中，毛細極限、攜帶極限等較常見的傳熱極限依然比較容易發(fā)生，這在一定程度上限制了熱管式換熱器的傳熱能力，尤其是在反重力條件下熱管式換熱器的工作性能將會受到大大的影響。因此，傳統(tǒng)的熱管式換熱器內的吸液芯布置方案并不是特殊工作環(huán)境下（如反重力條件等）電子設備有效散熱的最佳解決方案，迫切需要尋求一種新型高效的散熱方案和技術。

絲網狀吸液芯憑借其制作工藝簡單、布置方便以及可以根據需要對絲網目數進行選擇等優(yōu)點受到廣泛應用。因此，本發(fā)明設計了一種由不同孔徑絲網卷制而成的梯度吸液芯，以達到有效促進工質循環(huán)以及增大傳熱能力的目的。

另外，本發(fā)明在換熱器件的蒸發(fā)板上設計具有梯級分叉結構特征的溝槽，意在通過溝槽的分流效應減小氣、液工質在流動過程中的相互影響作用，增強工質循環(huán)的順暢性，保證換熱器件在反重力條件下穩(wěn)定高效運行。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術的不足，而提供了一種可工作于反重力條件下的有效改善氣液兩相工質循環(huán)，提高傳熱能力的循環(huán)氣液兩相流相變換熱器，為電子器件的高效可靠運行提供保證。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供的技術方案是：

一種自循環(huán)氣液兩相流相變換熱器，包括蒸發(fā)板、冷凝板以及位于蒸發(fā)板和冷凝板之間壁面，在所述壁面內設置有毛細腔，所述毛細腔由吸液芯和位于吸液芯內具有氣液兩相的工質，其特征在于：在所述蒸發(fā)板的內表面上設置有溝槽結構，該溝槽為由中心沿徑向向外分叉延伸的梯級分叉溝槽，所述吸液芯為軸心區(qū)域毛細力大、外緣區(qū)域毛細力小的梯度吸液芯，所述吸液芯的軸心區(qū)域正對所述溝槽結構的中心形成液態(tài)工質的主要通道，所述吸液芯的外緣區(qū)域正對所述溝槽結構的分叉溝槽形成氣態(tài)工質的主要通道。

所述蒸發(fā)板和冷凝板均為圓形平面結構，所述壁面為一圓環(huán)狀柱體結構。

在所述冷凝板上設置可向所述毛細腔內充入一定量的工質的充液孔。

所述梯度吸液芯由不同孔徑絲網卷制而成，位于梯度吸液芯軸心區(qū)域的絲網孔徑小，位于梯度吸液芯外緣區(qū)域的絲網孔徑大。

所述梯度吸液芯是將單片狀金屬絲網以蒸汽腔中心軸線為軸心旋轉為一個卷狀柱體結構，直至該柱體完全充滿整個毛細腔空間，且卷狀柱體結構兩端分別與蒸發(fā)板和冷凝板接觸。

所述軸心區(qū)域與外緣區(qū)域的徑向寬度根據熱源面積大小而調整。

位于梯度吸液芯中部的絲網大小為160-400目，位于梯度吸液芯外部的絲網大小為80-150目。

所述梯級分叉溝槽的分叉支數為8-20支，分叉級數為2-8級，每一級溝槽在下一級都將分成兩個更小的溝槽，所述溝槽的寬度為0.1-0.8mm，所述溝槽的深度為0.5-1mm。

所述冷凝板的內表面為經過疏水處理過的光滑表面。

梯級分叉溝槽可增加蒸發(fā)板上的汽化核心數，有利于產生更多氣泡，增強蒸發(fā)板上的換熱水平；另外，梯級分叉溝槽可為蒸發(fā)板上產生的氣態(tài)工質提供一定的橫向流動效應，即蒸發(fā)板附近的回流液體受熱后汽化產生的蒸汽將首先在分叉溝槽的導流作用下由蒸發(fā)板中心向四周橫向擴散，然后再流向冷凝端，這樣蒸發(fā)板上產生的蒸汽將更傾向于從毛細腔的外緣向冷凝端流動，因此梯級分叉溝槽為氣、液兩相工質的循環(huán)提供了分流效應，能在一定程度上減少兩者在流動過程中的相互影響作用，改善工質循環(huán)。此外，梯級分叉溝槽憑借其優(yōu)良的熱質輸運特性，還可進一步增強蒸發(fā)板上的均溫特性。

冷凝板的內表面為疏水性處理過的光滑表面，經過疏水性處理后可為珠狀凝結提供有利條件，有效減小冷凝板上覆蓋的冷凝液厚度，改善冷凝液的回流，增強冷凝端的凝結換熱能力。

吸液芯為由不同孔徑的金屬絲網卷制而成的梯度吸液芯，金屬絲網的目數為80-200目，絲網目數是指 1 英寸（25.4毫米）長度擁有的孔數，目數可以說明絲網的絲與絲之間的疏密程度，即目數越高，絲網越密集，網孔孔徑越?。环粗?，目數越低，絲網越稀疏，網孔孔徑也就越大。目數高的絲網其對應的吸液芯對液體工質的毛細抽吸力也就越大，同時氣體工質在網孔內的流動阻力也越大。吸液芯制作方式如下：將單片狀金屬絲網（如銅絲網、鋁絲網等）以所述的毛細腔的中心軸線為軸心旋轉為一個卷狀柱體結構，直至該柱體完全充滿整個毛細腔空間，其兩端分別與蒸發(fā)板和冷凝板接觸，其中，目數較高的絲網（如160-400目）位于吸液芯的軸心區(qū)域，而目數較低的絲網（如80-150目）位于吸液芯的外緣區(qū)域，軸心區(qū)域與外緣區(qū)域具有相同的徑向寬度，且軸心區(qū)域和外緣區(qū)域的容積之和與毛細腔空間相等。對于該型吸液芯來說，由于較高目數的絲網位于毛細腔空間的軸心區(qū)域，其目數較高，絲網較密，毛細抽吸效應也就較強，可有效促使冷凝液從中回流到蒸發(fā)段；而較低目數的絲網位于所述的毛細腔空間的外緣區(qū)域，其目數較低，對冷凝液的抽吸效應較弱，因此冷凝液不易通過其回流；同時，由于外緣區(qū)域的絲網較稀疏，蒸發(fā)板上通過梯級分叉溝槽橫向流動過來的蒸汽在此區(qū)域吸液芯中向冷凝板流動的阻力將會大大降低。即該型梯度吸液芯的絲網組合形式有效地配合了梯級分叉溝槽結構為氣、液兩相工質流動提供的分流效應，進一步減小了氣、液兩相工質在流動過程中的相互影響程度，使得工質循環(huán)更加順暢，以此增強傳熱效率和能力。

在冷凝板上還設置有所述的充液孔，通過充液孔可向所述的毛細腔內充入一定充液比的工作介質，工作介質根據實際條件可選用水、乙醇、甲醇、丙酮等。

蒸發(fā)板、環(huán)形壁面以及冷凝板材料根據實際應用情況可選用銅、鋁、不銹鋼以及合金等材料。

有益效果

本發(fā)明一種自循環(huán)氣液兩相流相變換熱器，蒸發(fā)板上的梯級分叉溝槽可有效增加汽化核心數，為氣、液兩相工質流動提供分流效應，減少兩者在流動過程中的相互影響作用，改善工質循環(huán)；經過疏水性處理的冷凝板可為珠狀凝結提供有利條件，促進冷凝液回流，增強冷凝端的凝結換熱能力；使用由不同孔徑絲網卷制而成的梯度吸液芯有效地配合了梯級分叉溝槽結構為氣、液兩相工質流動提供的分流效應，進一步減小了氣、液兩相工質在流動過程中的相互影響程度，使得工質循環(huán)更加順暢，以此增強傳熱效率和能力；該型密閉換熱器工作不受重力條件的限制，可在順重力、反重力等任意重力條件下穩(wěn)定高效運行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明換熱器的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明的蒸發(fā)板立體結構示意圖。

圖3為本發(fā)明的溝槽平面結構示意圖。

圖4為圖3的局部放大示意圖。

圖5為本發(fā)明的冷凝板立體結構示意圖。

圖6為本發(fā)明的吸液芯結構示意圖。

圖7為圖6的局部放大示意圖。

圖8為本發(fā)明換熱器在反重力條件下的工作示意圖。

圖中，1.蒸發(fā)板；2.冷凝板；3.環(huán)形壁面；4.吸液芯；5.溝槽；6.充液孔；7. 目數較高的絲網；8. 目數較低的絲網；9.蒸汽；10.回流液體；11.輸入熱量；12.輸出熱量。

具體實施方式

下面結合附圖說明進行更進一步的詳細說明：

圖1所示為工作于反重力條件下的自循環(huán)氣液兩相流相變換熱器的立體結構示意圖，是由蒸發(fā)板1、冷凝板2、環(huán)形壁面3和毛細腔構成的密閉換熱器，毛細腔由吸液芯4和氣液兩相工質組成。蒸發(fā)板1和冷凝板2通過環(huán)形壁面3連接；吸液芯4為由不同孔徑絲網卷制而成的梯度吸液芯，且梯度吸液芯布滿毛細腔；在蒸發(fā)板1上配置有溝槽5，溝槽5為由中心沿徑向向外分叉延伸的梯級分叉溝槽。另外，在冷凝板2上還設置充液孔6。

圖2所示為蒸發(fā)板1的立體結構示意圖，蒸發(fā)板1為一圓形平面結構，蒸發(fā)板1上配置有溝槽5，圖3給出了溝槽5的平面結構示意圖，如圖所示，溝槽5為由中心沿徑向向外分叉延伸的梯級分叉溝槽，分叉支數為8-20支，分叉級數為2-8級，每一級微通道在下一級都將分成兩個更小的微通道。該梯級分叉溝槽可為蒸發(fā)板上產生的氣態(tài)工質提供一定的橫向流動效應，在一定程度上減少了氣、液兩相工質在流動過程中的相互干擾程度，改善工質循環(huán)。

圖5所示為冷凝板2的立體結構示意圖，冷凝板2為經過疏水性處理過的圓形光滑平面，疏水性冷凝板可為珠狀凝結提供有利條件，有效改善冷凝液的回流，增強冷凝端的凝結換熱能力。另外，在冷凝板2上設置有充液孔6，通過充液孔6可向毛細腔內充入一定充液比的氣液相變工質。

圖6、圖7給出了吸液芯內不同目數絲網的分布情況。該型吸液芯有效地配合了分叉溝槽結構為氣、液兩相工質流動提供的分流效應，進一步減小了氣、液兩相工質在流動過程中的相互影響程度，使得工質循環(huán)更加順暢，以此增強傳熱效率和能力。

圖8所示為自循環(huán)氣液兩相流相變換熱器在反重力條件下的工作示意圖。如圖所示，蒸發(fā)板1位于上部，冷凝板2位于下部，由不同孔徑絲網卷制而成的梯度吸液芯4布滿毛細腔，整個傳熱系統(tǒng)處于反重力條件下。蒸發(fā)板1輸入熱量11后，靠近蒸發(fā)板的吸液芯內存儲的液體工質受熱后汽化，產生的蒸汽9在蒸發(fā)板梯級分叉溝槽的導流作用下傾向于向毛細腔外緣流動。由于毛細腔軸心區(qū)域的絲網目數較高，其對液體的毛細抽吸作用較強，且對蒸汽流動的阻力較大；而外緣區(qū)域的絲網目數較低，其對液體的毛細抽吸作用較弱，且對蒸汽流動的阻力較小。這樣，聚集在蒸發(fā)端外緣的蒸汽9會傾向于通過流動阻力較小的低目數絲網（即毛細腔外緣區(qū)域）向冷凝端流動，蒸汽9到達冷凝板后遇冷凝結為液體10，而液體10會傾向于通過毛細抽吸作用較強的高目數絲網（即毛細腔軸心區(qū)域）向蒸發(fā)端流動。由此一來，在反重力條件下，蒸發(fā)板上的梯級分叉溝槽配合由不同孔徑絲網卷制而成的梯度吸液芯為腔體內的氣、液兩相工質循環(huán)提供了分流效應，使他們傾向于在各自的流道內流動，因此減小了氣、液兩相工質在流動過程中的相互影響程度，有效促進了工質的循環(huán)，避免攜帶極限的產生，以此增強傳熱效率和能力。