專利名稱：復合型換熱器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微尺度傳熱領域，尤其涉及一種復合換熱器。
背景技術：
隨著科學技術的不斷進步，各種電子產品的電子原件密集度越來越高，其 高發(fā)熱量逐漸成為限制其進一步發(fā)展的瓶頸。在這種情況下，微型換熱系統(tǒng)應 運而生，在各種微型換熱系統(tǒng)中，大多數(shù)的研究者從事微型熱管技術，包括毛 細型、強制震動(振蕩)型以及微槽(群)內部單相與相變的研究，并取得了 不少的研究成果。
計算結果顯示，微槽群內部蒸發(fā)熱流密度的理論極限值已經(jīng)達到
1000W/cm2以上，同時借助相變蒸發(fā)力及毛細力，以微槽群為核心部件的換熱 裝置可以有效對高熱流發(fā)熱件進行散熱，也可以實現(xiàn)在無動力情況下的循環(huán)。 但是在微槽群蒸發(fā)換熱系統(tǒng)中，系統(tǒng)的循環(huán)動力是由加熱蒸氣本身提供的，通 常，工質受熱后由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)體積變化會很大，飽和溫度50攝氏度時體積 增大在10000倍以上，因此當工質受熱時會有大量的蒸汽蒸發(fā)，如果不能及時 使這些蒸汽排出會導致循環(huán)終止，然而在這一系統(tǒng)中蒸氣的循環(huán)管路不可能太 粗，同時蒸氣又必須借助管路輸送到冷卻裝置進行冷凝以完成循環(huán)，管路具有 一定的長度，這勢必對系統(tǒng)的循環(huán)液體的充注量和蒸發(fā)壓力有更高的要求，在 發(fā)熱件發(fā)熱量比較大時，該模式的微槽群換熱裝置幾乎無法完成循環(huán)，很難實 現(xiàn)其散熱目的。
振蕩熱管作為一種新型熱管，也被視為是解決微小空間高熱流密度散熱方 案中一種很有希望的傳熱元件，從工作原理和結構特點上來說，它與普通熱管 相比差異很大。普通熱管是利用相變蒸發(fā)力和重力(非重力熱管利用毛細力) 實現(xiàn)工質從熱端到冷端的轉移，同時完成換熱及狀態(tài)的轉變。對于振蕩熱管， 當其管徑足夠小時，在真空條件下封裝在管內的工質將在管內形成液、汽相間 的柱塞。在加熱段，汽泡或汽柱與管壁之間的液膜因受熱而不斷蒸發(fā)，導致汽 泡膨脹，并推動汽液柱塞流向冷端冷凝收縮，從而在冷、熱端之間形成較大的 壓差。由于汽液柱塞交錯分布，因而在管內產生強烈的往復振蕩運動，從而實 現(xiàn)高效熱傳遞。振蕩熱管具有體積小、結構簡單、成本低等特點；振蕩熱管的 傳熱性能與普通熱管有較大差異，其內部不僅存在相變傳熱，還存在由于汽液 振蕩所造成的顯熱傳遞，它沒有普通熱管所有的那些極限限制，因此其傳熱性
能大大優(yōu)于普通熱管；而且振蕩熱管的適應性好，可以隨意彎曲、可以存在多 個加熱端和冷卻端。當然，振蕩熱管也存在許多不足，比如其直徑不能過大和 過小，因為當過大時使得液塞和氣泡不能夠在表面張力的作用下共存，當過小
時則需要提高蒸發(fā)壓力克服毛細力，從而影響振蕩效果；管式振蕩熱管無法完
成對平面式發(fā)熱面的有效散熱，板式振蕩熱管雖然可以對平面式發(fā)熱面散熱， 但是其與發(fā)熱面的有效接觸面積有限從而限定了其性能的發(fā)揮。
基于以上分析，我們可以看出，微槽群蒸發(fā)換熱是解決高熱流發(fā)熱的有效 手段，而其蒸汽的冷凝循環(huán)卻要求很高，如果我們能在蒸氣產生的同時馬上將 其冷凝，勢必會使得系統(tǒng)變得更高效；另一方面，振蕩熱管具有優(yōu)良的傳熱性 能，但其加工技術還不成熟，同時其有效散熱面積針對平板發(fā)熱面來說有限制。 因此，如果能夠將以上兩種形式的換熱系統(tǒng)加以完善勢必可以使兩者的優(yōu)勢都 能得到最大程度的發(fā)揮。本文所涉及的復合換熱器就是將兩者結合在一起，最 大程度發(fā)揮兩者的優(yōu)點。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中的不足提出了 一種能夠滿足微小空間、高熱流下進 行高效散熱的換熱器，這種換熱器與普通的換熱器相比具有體積小、傳熱效率 高等特性，這些特性主要依靠毛細多孔結構和振蕩熱管的復合來完成。
本方案是通過如下技術措施來實現(xiàn)的它包括上方開口且?guī)в兄锌瞻疾鄣?殼體和與之配合的上蓋板，所述殼體和上蓋板之間水密封，所述殼體和上蓋板 封裝在一起共同構成換熱器，其特征是穿過上蓋板設置有振蕩熱管，所述振蕩 熱管的加熱端設置于殼體盛裝散熱工質的凹槽中，所述殼體內壁面均布凸起的 可以產生毛細力的微毛細多孔結構。
振蕩熱管的加熱端帶有擴展翅片。
所述微毛細多孔結構包括微槽群或者微翅片或者內置金屬絲網(wǎng)或者毛細 燒結組織。
所述微槽群包括橫向和縱向布置的微槽群。所述微槽群中的通槽尺寸范圍 是長與殼體內壁等長；寬0.02 2毫米；高(深度)0. 2 5毫米。
所述微翅片包括方形、圓形、錐形。所述微翅片尺寸范圍長0.02 2 毫米；寬0.02 2毫米；高0. 2 5毫米。
所述金屬絲網(wǎng)與壁面緊密接觸，多層絲網(wǎng)布置，形成毛細多孔結構。
所述毛細燒結組織為毛細多孔結構。
所述殼體與帶有振蕩熱管的上蓋板釬焊連接。
本復合換熱器工作原理當殼體內工質受熱時，工質吸熱蒸發(fā)，在這里毛 細多孔結構的設置在大大增加其換熱面積的同時還極大的強化了蒸發(fā)換熱的
強度，其原因就是毛細多孔結構所產生的毛細力可以使工質始終保持在殼體的 各個內壁面，而不受重力和殼體位置的影響。然后我們利用振蕩熱管對殼體內 的蒸汽進行換熱，使其冷凝，以取代原有微槽群蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸汽循環(huán)管路和二 次冷凝裝置，將原有系統(tǒng)蒸汽的熱質傳遞變?yōu)橹挥袩醾鬟f。在這里，振蕩熱管 布置在液體工質液面以下(振蕩熱管在液面以上也存在加熱段)，這樣很容易 實現(xiàn)相變換熱和對流換熱的同時進行，最大程度的利用了振蕩熱管的傳熱性 能，同時對其外形和結構都沒有太苛刻的要求。這樣我們就可以利用振蕩熱管 把蒸汽冷凝，快速實現(xiàn)殼體內工質的蒸發(fā)冷凝循環(huán)。特別需要強調的一點是在 本設計方案中，用來直接與發(fā)熱元件進行接觸的殼體各內壁面均布置了凸起的 微毛細多孔結構，這一結構包括微槽群、微翅片、內置金屬絲網(wǎng)、毛細燒結組 織等可以產生毛細力的微結構。這一布置不僅大大提高了換熱面積，強化了沸 騰換熱的效果，同時也使該換熱裝置的使用范圍變得更大，尤其對于非靜止物 體效果更加顯著，這是因為在殼體內各個壁面都有微溝槽、微翅片、金屬網(wǎng)結 構和毛細燒結組織，無論液體工質的位置如何，都可以借助毛細力的作用將液 體抽吸到每個壁面，在那里蒸發(fā)換熱，隨著各壁面液體的不斷蒸發(fā)，毛細力源 源不斷的把液體帶到壁面，盡管其它壁面不直接與發(fā)熱面接觸，但是其蒸發(fā)吸 熱無疑對整個散熱過程起到極大的強化作用。最后，由振蕩熱管冷凝的工質直 接回流到殼體內，實現(xiàn)了一個循環(huán)。
所述復合結構是振蕩熱管與內壁帶有毛細多孔結構的殼體的復合。其中所 包括振蕩熱管以及殼體及上蓋板可以根據(jù)具體需要進行設計。當發(fā)熱密度較高 時我們可以通過改變毛細多孔結構密度、類型等和在振蕩熱管置入方腔內的加 熱段表面增加翅片的方案來達到要求。殼體內抽真空，殼體與帶有振蕩熱管的 上蓋板釬焊連接。
本方案的有益效果可根據(jù)對上述方案的敘述得知，本發(fā)明所設計的換熱 器，液體工質在帶有毛細多孔結構的殼體內蒸發(fā)，低壓下液體工質蒸發(fā)溫度不
超過60攝氏度(發(fā)熱元件一般工作溫度都不允許超過80攝氏度，因此必須保
證液體工質在該溫度以下蒸發(fā))，與普通的換熱器相比不僅體積微小，而且具
有超高的冷卻性能。當選用40攝氏度的純凈水作為工質，控制工質的量，帶 有擴展翅片的振蕩熱管布置在液面以下，其加熱段同時在水及水上方空間存 在。以上復合結構，可以有效的將高發(fā)熱模塊的熱量帶走，其散熱能力范圍從 50 W/cm2到500 W/cm2變化。因此本發(fā)明中散熱模塊散熱能力的增強是顯而易 見的。在本發(fā)明中，把振蕩熱管與毛細多孔結構相結合，它有如下優(yōu)點(1) 內壁帶有毛細多孔結構的殼體外壁直接與被冷卻面相結合，具有易安裝、有效 冷卻面積大、換熱系數(shù)高的特點；(2)各內壁面布有毛細多孔結構的殼體作為
直接與發(fā)熱件相結合的主體，毛細多孔結構的毛細力可以使液體工質在殼體各 內壁分布而不受液面、重力、位置、角度等的影響(現(xiàn)有微槽群蒸發(fā)換熱裝置
受重力影響)，這樣該換熱器的應用范圍會大大增加；(3)殼體內各壁面布有 毛細多孔結構，由于毛細多孔結構比表面積值極大，這樣極大的提高了殼體內 壁的有效換熱面積；(4)振蕩熱管的引入，可以在最短的時間內將毛細多孔結 構帶出的熱量高效的從殼體內帶出，保持殼體內工質可以高效循環(huán)散熱。綜合 上述四點，所發(fā)明的冷卻器在單位空間內能帶走更多的熱量。因此本發(fā)明與現(xiàn) 有技術相比，實現(xiàn)了技術目的。


下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述。 圖l現(xiàn)有微槽群相變冷卻系統(tǒng)示意圖； 圖2振蕩熱管復合毛細多孔結構換熱系統(tǒng)示意圖； 圖3振蕩熱管復合毛細多孔結構系統(tǒng)封裝圖4殼體內壁單壁(與發(fā)熱體對應面)布微槽群結構正視中心剖面圖； 圖5殼體內壁單壁(與發(fā)熱體對應面)布微槽群結構示俯視A-A截面剖 面圖6殼體內壁單壁(與發(fā)熱體對應面)布微槽群結構三維示意圖； 圖7殼體內壁各壁面(底面豎直)布微槽群結構正視中心剖面圖； 圖8殼體內壁各壁面(底面豎直)布微槽群結構俯視B-B截面剖面圖； 圖9殼體內壁各壁面(底面豎直)布微槽群結構三維示意圖； 圖10殼體內壁各壁面(底面橫向)布微槽群結構正視中心剖面圖； 圖ll殼體內壁各壁面(底面橫向)布微槽群結構俯視OC截面剖面圖； 圖12殼體內壁各壁面(底面橫向)布微槽群結構三維示意圖； 圖13殼體內壁各壁面(底面微翅片)布微槽群結構正視中心剖面圖； 圖14殼體內壁各壁面(底面微翅片)布微槽群結構俯視D-D截面剖面圖； 圖15殼體內壁各壁面(底面微翅片)布微槽群結構三維示意圖； 圖16殼體內壁各壁面布微翅片結構正視中心剖面圖； 圖17殼體內壁各壁面布微翅片結構俯視E-E截面剖面圖； 圖18殼體內壁各壁面布微翅片結構三維示意圖； 圖19殼體內壁各壁面布毛細燒結組織結構正視中心剖面圖； 圖20殼體內壁各壁面布毛細燒結組織結構俯視F-F截面剖面圖； 圖21殼體內壁各壁面布毛細燒結組織結構三維示意圖； 圖中，1、冷卻裝置，2、蒸汽管道，3、微槽群，4、回液管道，5、液體 工質，6、振蕩熱管冷卻段，7、振蕩熱管加熱段，8、振蕩熱管，9、上蓋板，
10、擴展翅片，11、殼體，12、微翅片，13、燒結組織。
圖4到圖21中，所繪三維示意圖側壁面開口是為了便于看到底面結構， 實際僅頂端開口。
具體實施例方式
如圖l所示，該模式是現(xiàn)微槽群蒸發(fā)散熱的通用方式，其主要工作原理就 是帶有微槽群3的壁面直接與發(fā)熱體接觸，通過腔體內液體工質5在微槽群3 的表面蒸發(fā)將發(fā)熱體的熱量帶出，然后蒸汽沿管道2進入冷卻裝置1冷凝，系 統(tǒng)熱量由冷卻裝置1帶出，液體工質5冷凝回流到方腔內。該方案結構簡單， 但是，我們知道，該方案中最大問題是能否及時將熱量帶出，工質冷凝，以保 證循環(huán)，這是保證這一模式正常工作的基礎，從現(xiàn)有此類系統(tǒng)來看，大發(fā)熱量 下很難保證其有效工作，其原因就是大發(fā)熱量下，蒸汽通過蒸汽管道2無法及 時完成冷凝并沿回液管道4回流。
如圖2所示，該方案是本發(fā)明的工作方式，其與圖1結構的不同之處有兩 點，第一就是由震蕩熱管8代替了圖1中的蒸汽管道2;第二就是盛裝冷卻工 質的殼體內壁面由原來的單壁面微槽群3變?yōu)槎啾诿婷毝嗫捉Y構3、 12、 13， 如圖4到圖21所示。這一模式就是在上一模式的基礎上進行的改進，并進行 了一些特殊的處理，保證其高效工作的情況下使其工作范圍得到了擴大。這一 方案中，內壁面帶有毛細多孔結構的殼體11與發(fā)熱體接觸，液體工質5在毛 細多孔結構3、 12、 13的表面受熱蒸發(fā)，然后蒸汽和5同時與布在殼體11空 腔內的振蕩熱管8的振蕩熱管加熱段7直接進行換熱并冷凝(冷卻)，冷凝液 體回到殼體中繼續(xù)換熱，形成一個循環(huán)。系統(tǒng)熱量由振蕩熱管8帶到冷卻裝置 1，在1中振蕩熱管8的振蕩熱管冷卻段6與冷卻裝置1進行換熱，系統(tǒng)熱量 被帶出，震蕩熱管8內的工質被冷凝繼續(xù)循環(huán)。通過以上分析，我們知道，本 文的復合型散熱系統(tǒng)可以高效進行散熱。
本發(fā)明殼體11的方腔內需要真空狀態(tài)，因此本發(fā)明擬采用釬焊技術對上 蓋板9和殼體11進行焊接封裝，上蓋板9與振蕩熱管8—體，如圖3所示。 為了滿足小空間、高熱流的散熱的要求，本發(fā)明選用紫銅方塊加工，中間開空 腔，同時采用特種機加工技術和加工工藝在殼體11的方腔內壁上做出微槽群 3、微翅片12，粘接金屬絲網(wǎng)、燒結毛細組織13等毛細多孔結構，即在一個金 屬塊上通過機加工制作一個盛裝工質的殼體ll，殼體ll內壁制造形式各異的 微槽群、微翅片、毛細燒結組織等，在這里微槽群3、微翅片12、毛細燒結組 織13和殼體11是一體的。
如圖4 6為殼體內壁單壁(與發(fā)熱體對應面)布微槽(群)結構示意圖， 圖4 6分別為正視中心剖面圖、A-A截面剖面圖、三維示意圖，殼體ll中與 發(fā)熱體接觸的面上布有微槽群3;如圖7 9為殼體內壁各壁面(底面豎直)布
微槽(群)結構示意圖，圖7 9分別為正視中心剖面圖、B-B截面剖面圖、三 維示意圖，殼體ll中各壁面布有微槽群3，其中底面微槽群為豎直方向；如圖 10 12為殼體內壁各壁面(底面橫向)布微槽(群)結構示意圖，圖10 12 分別為正視中心剖面圖、C-C截面剖面圖、三維示意圖，殼體ll中各壁面布有 微槽群3，其中底面微槽群為橫向；如圖13 15為殼體內壁各壁面(底面微翅 片)布微槽(群)結構示意圖，圖13 15分別為正視中心剖面圖、D-D截面剖 面圖、三維示意圖，殼體11中各壁面布有微槽群3，其中底面為微翅片12; 如圖16 18為殼體內壁各壁面布微翅片結構示意圖，圖16 18分別為正視中 心剖面圖、E-E截面剖面圖、三維示意圖，殼體11中各壁面布有微翅片12; 如圖19 21為殼體內壁各壁面布毛細燒結組織結構示意圖，圖19 21分別為 正視中心剖面圖、F-F截面剖面圖、三維示意圖，殼體ll中各壁面布有毛細燒 結組織13。
微槽群、微翅片、金屬絲網(wǎng)、毛細燒結組織等毛細多孔結構的排列還可以 根據(jù)實際需要進行尺寸、排列組合(幾種毛細多孔結構的搭配)上的變化。
其工作原理如圖2所示，首先發(fā)熱體將熱量傳給殼體ll外壁面，殼體ll 內液體工質5低壓下在殼體11內各壁面的微槽群3、微翅片12、毛細燒結組 織13表面受熱蒸發(fā)變?yōu)檎羝?，然后蒸汽以及升溫后的液體工質同時與置于殼 體11內的振蕩熱管8的振蕩熱管加熱段7換熱，這樣工質被冷凝為液體直接 回到殼體11中的液體工質5內，液體工質5在毛細多孔結構3、 12、 13以及 金屬絲網(wǎng)所提供的毛細力的作用下連續(xù)不斷的流向殼體11的各內壁面再次換 熱，而整個系統(tǒng)的熱量則由振蕩熱管8帶出到環(huán)境中去，振蕩熱管8的振蕩熱 管冷卻段6在冷卻裝置1中進行換熱，振蕩熱管8中的工質在這里冷凝繼續(xù)循 環(huán)，系統(tǒng)熱量由冷卻裝置l帶出。對于整個散熱系統(tǒng)的循環(huán)來說，該換熱器設 計的回路簡單，分為三次換熱， 一次換熱毛細多孔結構把高發(fā)熱熱源中的熱量 帶出，二次換熱振蕩熱管8將熱量從方腔帶出，三次換熱將系統(tǒng)熱量散到環(huán)境 中。液體工質5在方腔中蒸發(fā)，帶走了發(fā)熱源的大部分熱量(剩下的熱量由散 熱片本身的材料來散發(fā))，蒸發(fā)的工質直接與振蕩熱管8換熱冷凝回到方腔內， 熱量由振蕩熱管帶到圖2中的冷卻裝置部分，熱量散到環(huán)境中。在這里冷卻裝 置可以根據(jù)需要而選擇不同的換熱方式和設備。
當然，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例， 本技術領域的普通技術人員在本發(fā)明的實質范圍內所做出的變化、改型、添加 或替換，也應屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1、一種復合型換熱器，它包括上方開口且?guī)в兄锌瞻疾鄣臍んw和與之配合的上蓋板，所述殼體和上蓋板之間水密封，所述殼體和上蓋板封裝在一起共同構成換熱器，其特征是穿過上蓋板設置有振蕩熱管，所述振蕩熱管的加熱端設置于殼體盛裝散熱工質的凹槽中，所述殼體內壁面均布凸起的可以產生毛細力的微毛細多孔結構。
2、 根據(jù)權利要求1所述的復合型換熱器，其特征是振蕩熱管的加熱端帶 有擴展翅片。
3、 根據(jù)權利要求1所述的復合型換熱器，其特征是所述微毛細多孔結構 包括微槽群或者微翅片或者內置金屬絲網(wǎng)或者毛細燒結組織。
4、 根據(jù)權利要求1所述的復合型換熱器，其特征是所述微槽群包括橫向 和縱向布置的微槽群。
5、 根據(jù)權利要求4所述的復合型換熱器，其特征是所述微槽群中的通槽尺寸范圍是寬0.02 2毫米；高0. 2 5毫米。
6、 根據(jù)權利要求1所述的復合型換熱器，其特征是所述微翅片形狀為方 形或者圓形或者錐形。
7、 根據(jù)權利要求6所述的復合型換熱器，其特征是所述微翅片尺寸范圍長0. 02 2毫米；寬O. 02 2毫米；高0. 2 5毫米。
8、 根據(jù)權利要求1所述的復合型換熱器，其特征是所述金屬絲網(wǎng)與壁面緊密接觸，多層絲網(wǎng)布置，形成毛細多孔結構。
9、 根據(jù)權利要求1所述的復合型換熱器，其特征是所述毛細燒結組織為毛細多孔結構。
10、 根據(jù)權利要求1所述的復合型換熱器，其特征是所述殼體與帶有振蕩熱管的上蓋板釬焊連接。
全文摘要
一種復合型換熱器，它包括上方開口且?guī)в兄锌瞻疾鄣臍んw和與之配合的上蓋板，所述殼體和上蓋板之間水密封，所述殼體和上蓋板封裝在一起共同構成換熱器，其特征是穿過上蓋板設置有振蕩熱管，所述振蕩熱管的加熱端設置于殼體盛裝散熱工質的凹槽中，所述殼體內壁面均布凸起的可以產生毛細力的微毛細多孔結構。
文檔編號F28D15/04GK101101180SQ20071001482
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月17日 優(yōu)先權日2007年7月17日
發(fā)明者劉志剛, 張承武, 寧 管 申請人:山東省科學院能源研究所