新型三維螺旋冷凝結(jié)構(gòu)納米脈動熱超導(dǎo)裝置的制造方法
【專利說明】
[0001 ] 技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及三維螺旋冷凝結(jié)構(gòu)(納米)脈動熱超導(dǎo)裝置，可廣泛用于中高溫太陽能集熱、多芯片電子元儀器散熱、大平面雷達(dá)芯片散熱、大功率動力電池冷卻或恒溫加熱、LED顯示屏、電磁裝置冷卻領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]現(xiàn)代先進微電子裝置是由大量的芯片和電子元器件組成的，元器件的熱量主要來自自身的阻性載荷，如變壓器、集成電路、大功率晶體管、大功率電阻等，它們所產(chǎn)生的熱量大部分以熱傳導(dǎo)、對流和輻射的形式散發(fā)到周圍介質(zhì)中，只有少部分以電磁波的形式散出。隨著電子元器件集成度的提高和制造工藝的完善電子設(shè)備的體積越來越?。煌瑫r為了滿足用戶對高性能的需求，電子裝置的功率也越來越大;另外為了美觀和防潮、防雨雪等電子設(shè)備都采取了必要的封裝措施?；谶@三個方面的原因電子裝置的熱流密度越來越大。如何對它們進行有效的散熱已經(jīng)成為眾多廠家面臨的一個難題，因為散熱技術(shù)的高低決定了電子產(chǎn)品銷售的成敗。
[0003]電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢要求散熱手段應(yīng)具有緊湊性、可靠性、靈活性、散熱效率高、不需要維修等特點。電子設(shè)備的熱耗隨功率的增加而增加，這使得單位容積內(nèi)電子器件的發(fā)熱量不斷增大，有些電子器件工作時的表面熱流度已達(dá)數(shù)十瓦每平方厘米。當(dāng)溫度升高到一定溫度時，電子元件將無法正常使用，電子設(shè)備的可靠性受到影響。電子設(shè)備的運行實踐表明:隨溫度的增加，電子元器件的失效率呈指數(shù)增長，對于有些電子器件，環(huán)境溫度每升高10 °C，失效率甚至?xí)龃笠槐兑陨?，這在不同程度上降低了設(shè)備的可靠性。此外，由于設(shè)計理念的轉(zhuǎn)變，電子器件的封裝度不斷提高，小型化、模塊化成為電子設(shè)備的發(fā)展趨勢，這就對電子設(shè)備的熱設(shè)計提出了更高的要求，科學(xué)、有效的冷卻系統(tǒng)設(shè)計就顯得尤為重要。導(dǎo)致電子設(shè)備失效的因素中，溫度占55%。
[0004]世界性的能源消耗增長導(dǎo)致化石能源的消耗殆盡和對地球環(huán)境的嚴(yán)重污染，尤其在中國尤為嚴(yán)重，全國性的持續(xù)霧霾，就是最好的見證。利用可再生能源解決人類對能源的依賴是未來發(fā)展的方向。太陽能就是萬物取之不盡、用之不竭的清潔可再生能源。高效吸收太陽能輻射能量也是亟待解決的問題。
[0005]這就迫切需要穩(wěn)定高效的、小型的換熱設(shè)備來解決電子器件的散熱問題。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了多種高效的散熱技術(shù)，較為典型的是熱管、微通道和制冷芯片等散熱技術(shù)，其中傳統(tǒng)的熱管技術(shù)發(fā)展相對比較成熟。20世紀(jì)90年代，日本學(xué)者Akachi提出了一種不同于傳統(tǒng)熱管的新型傳輸方式熱超導(dǎo)技術(shù)，利用工質(zhì)在特殊結(jié)構(gòu)里相變時產(chǎn)生脈沖為驅(qū)動力，稱為振蕩熱管(Oscillating Heat Pipe, PHP)或脈動熱管(Pulsating Heat Pipe, 0ΗΡ)。近十年間，隨著散熱問題的日益突出，振蕩熱管的研究和開發(fā)也變得越來越活躍。
[0006]脈動熱管具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活、成本低、體積小、極限熱流密度高等優(yōu)點，為實現(xiàn)高效換熱提供了一種新的選擇。目前脈動熱管的應(yīng)用主要集中在大規(guī)模集成電路芯片和多芯片模塊的熱控制。
[0007]本專利針對目前國家重點發(fā)展的太陽能熱發(fā)電技術(shù)中集熱系統(tǒng)存在的溫度低、承壓能力差、回收利用率低、不穩(wěn)定不連續(xù)、不易儲放等等問題，以及航空航天、軍事、微電子工業(yè)等高端裝備制造急需的大規(guī)模散熱冷卻技術(shù)問題，開發(fā)設(shè)計新型三維冷凝脈動熱超導(dǎo)裝置，以期提高能源利用率，達(dá)到高效利用能源的目的，實現(xiàn)節(jié)能減排和新能源利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種三維螺旋冷凝結(jié)構(gòu)脈動熱超導(dǎo)裝置，該裝置能提高能源利用率，達(dá)到高效利用能源的目的，實現(xiàn)節(jié)能減排和新能源利用。
[0009]本發(fā)明目的通過下列方式實現(xiàn):
本發(fā)明包括:冷卻管芯，所述冷卻管芯的外表面上螺旋纏繞有冷凝管形成至少一個三維冷凝段，每個三維冷凝段兩端分別與蒸發(fā)管相連形成相互連通的，由三維冷凝段和蒸發(fā)管組合形成的三維平面蛇形管網(wǎng)內(nèi)充有工質(zhì)。
[0010]所述冷卻管芯采用不銹鋼、低碳鋼、鋁合金、銅、銅合金或鈦合金材料加工而成，所述冷卻管芯兩端頭部設(shè)有波紋膨脹節(jié)，端頭采用直管口或外螺紋連接。
[0011]所述蒸發(fā)管由不銹鋼、低碳鋼、鋁合金、銅、銅合金或鈦合金金屬材料彎曲成多個U形管，每相鄰的兩個U形管的首端及尾端通過三維冷凝段相連通，形成相互連通的三維平面蛇形管網(wǎng)。
[0012]所述三維平面蛇形管網(wǎng)可以是首尾相連形成閉合回路，也可以是兩頭封死的開式結(jié)構(gòu)。
[0013]所述三維平面蛇形管網(wǎng)可以直接固定到熱源上，也可以焊接到加熱薄板。
[0014]所述螺旋纏繞有冷凝管采用不銹鋼、低碳鋼、鋁合金、銅、銅合金或鈦合金彎曲成三維螺旋形狀，緊密纏繞于集熱循環(huán)核心管上，或通過絕緣保溫壓緊塊粘結(jié)后焊接或通過金屬膜壓緊、粘貼與集熱循環(huán)核心管上。
[0015]所述冷凝管通過外延導(dǎo)熱翅片固定在集熱循環(huán)核心管上。
[0016]所述螺旋纏繞有冷凝管與蒸發(fā)管一體成型或分體焊接后成一體。
[0017]所述工質(zhì)采用超純水、甲醇、乙醇、丙酮、R134a或R22純物質(zhì)，或在上述單一流體中添加金納米顆粒、碳納米管、鋁納米顆粒、銅或陶瓷納米顆粒和均相懸浮劑形成的納米流體，按體積比添加的納米顆粒量占流體總量的1_15%，并在真空狀態(tài)下，在三維蛇形管網(wǎng)中充入占管網(wǎng)體積30%-60%的工質(zhì)，在三維蛇形管網(wǎng)內(nèi)形成氣液固三相共存工質(zhì)。
[0018]本發(fā)明優(yōu)點:
1、本發(fā)明在冷卻管芯上螺旋纏繞有冷凝管，在冷卻管芯形成冷凝段結(jié)構(gòu)，通過向冷卻管芯內(nèi)流通冷卻循環(huán)流體，移走蛇形蒸發(fā)管蒸發(fā)段傳輸過來的熱量。改變了傳統(tǒng)脈動熱管的冷凝段結(jié)構(gòu)和冷卻方式。
[0019]2、螺旋冷凝段結(jié)構(gòu)的螺旋圈數(shù)，通過在冷卻管芯外部螺旋纏繞不同圈數(shù)的螺旋冷凝管，達(dá)到傳熱效率可調(diào)、減小傳熱面積的目的，改變了傳統(tǒng)脈動熱管的冷凝管效率單一、空間占用大的缺點。
[0020]3、增加加熱板，通過增加加熱板，對U形蒸發(fā)管進行均勻加熱，增加了輸入熱量的利用率。
[0021]4、螺旋冷凝段結(jié)構(gòu)和冷卻管芯通過絕緣保溫塊壓緊和粘結(jié)后焊接金屬膜的方式進行連接。通過螺旋纏繞和壓緊的方式將冷凝管和冷卻管芯管進行連接，再在螺旋冷凝管和冷卻管芯之間通過粘結(jié)后焊接金屬膜的方式進行連接，即可以增加螺旋冷凝段和冷卻管芯I之間的傳熱通量，又可以增加傳熱面積，起到增加傳熱效率的作用。
[0022]本發(fā)明主要具有以下特點:
(1)該裝置可以在不同的使用角度下啟動運行；
(2)該裝置被加熱流體與熱超導(dǎo)裝置間接換熱，可以使用不同材質(zhì)組合而成，不僅可以提高性能，降低制造成本，而且可以增加使用壽命；
(3)該裝置采用三維多螺旋結(jié)構(gòu)冷凝管，緊密纏繞在冷卻管芯上，顯著降低裝置總熱阻，從而提高能源利用效率和品質(zhì)；
(4)裝置可以通過金屬板對脈動熱管蒸發(fā)段進行加熱，使脈動熱管蒸發(fā)段均勻受熱，易于形成連續(xù)脈沖流；
(5)裝置可以設(shè)計成首尾相接的閉式環(huán)路，也可以首尾不想接的開式環(huán)路，便于制造和使用；
(6)裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積小，制造成本低，傳熱效率高，可靠性好；
(7)使用范圍寬廣，本發(fā)明可廣泛用于中高溫太陽能集熱、電子元器件散熱、大平面熱量雷達(dá)面、大功率動力電池冷卻或恒溫加熱、LED照明或顯示、電磁體冷卻等用途；
(8)功能改造升級:在該發(fā)明基礎(chǔ)上，可以延伸多方面的先進裝置。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，在保持基本結(jié)構(gòu)不變的條件下，實現(xiàn)外形和功能的改造升級，同時還方便連接其他附屬設(shè)備。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明閉合式三維冷凝結(jié)構(gòu)脈動熱超導(dǎo)管基本結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為圖1的另一種實施方式結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明開放式三維冷凝結(jié)構(gòu)脈動熱超導(dǎo)管基本結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為圖3另一種實施方式結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為圖1的冷凝管帶外延導(dǎo)熱翅片結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6為圖5的側(cè)視圖；
圖7為圖6的蒸發(fā)管帶吸收加熱板結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8為圖7的側(cè)視圖；
圖9為冷凝管帶保溫壓緊結(jié)構(gòu)示意圖；
圖10為圖9的側(cè)視圖；
圖11為蒸發(fā)管帶吸收加熱板結(jié)構(gòu)示意圖；
圖12為圖11的側(cè)視圖。
【具體實施方式】
[0024]實施例1
見圖1-2，閉合式三維冷凝結(jié)構(gòu)脈動熱超導(dǎo)管或粘結(jié)絕緣保溫壓緊塊8由冷卻管芯1、冷凝管2、五個U形蒸發(fā)管3、管內(nèi)工質(zhì)4、充液管5、蒸發(fā)管加熱薄板6、焊接金屬膜7，冷卻管芯I兩端頭部設(shè)有連接端，靠近兩連接端處分別設(shè)有波紋膨脹節(jié)，冷卻管芯I外表面上分別螺旋纏繞有六組冷凝管2形成六組三維螺旋冷凝管，第一組三維螺旋冷凝管的首端口與閉合回路首端口連接，第一組三維螺旋冷凝管尾端口與第一個U形蒸發(fā)管3的首端口連接，第一個U形蒸發(fā)管3的尾端口與第二組三維螺旋冷凝管的首端口連接;第二組三維螺旋冷凝管的尾端口與第二個U形蒸發(fā)管3首端口連接;按此方式依次連接，第六組三維螺旋冷凝管的尾端口與閉合回路尾端口連接，閉合回路底部具有充液管5。實現(xiàn)高效熱量傳輸。發(fā)明裝置中，冷卻管芯I可由10-50_的不銹鋼、低碳鋼、鋁合金、銅或鈦合金金屬或陶瓷材料經(jīng)過加工波紋膨脹節(jié)和兩端連接結(jié)構(gòu)(直管、外螺紋、內(nèi)螺紋或法蘭等)而成。冷卻管芯I的主要功能是加熱或冷卻流過管子的目標(biāo)流體;螺旋冷凝