用于減輕熱虹吸管蒸發器或冷凝器中的高熱通量狀況的機構的制作方法

用于減輕熱虹吸管蒸發器或冷凝器中的高熱通量狀況的機構的制作方法
【專利摘要】本公開涉及系統、裝置和方法，所述系統、裝置和方法利用導熱基質材料來增強熱虹吸管系統(10)，以便針對所述熱虹吸管系統的預定區域處的熱傳導來增加表面面積與體積比，同時最小化孤立于這些區域的毛細力。所述熱虹吸管系統具有管路，所述管路包括冷凝器區域(22)、蒸發器區域(24)和絕熱區域(26)(例如，處于所述冷凝器區域與所述蒸發器區域之間的區域)。所述管路可容納熱輸送介質，并且可根據熱虹吸管原理而在所述冷凝器區域與所述蒸發器區域之間提供所述熱輸送介質的被動兩相輸送。所述系統也包括導熱基質材料，所述導熱基質材料容納在所述冷凝器區域和/或所述蒸發器區域中，但并不容納在所述絕熱區域中，從而使得所述導熱基質材料在所述冷凝器區域和/或所述蒸發器區域中增加用于熱傳遞的表面面積。
【專利說明】用于減輕熱虹吸管蒸發器或冷凝器中的高熱通量狀況的機構
[0001]相關申請
[0002]本申請要求2014年I月28日提交的臨時專利申請序列號61/932,377的權益，所述申請的公開內容特此以引用的方式并入本文。
[0003]公開領域
[0004]本公開涉及在熱虹吸管系統的冷凝器區域和/或蒸發器區域處實現增加的熱傳遞速率，同時最小化由增加的熱通量導致的不利狀況。
[0005]背景
[0006]熱虹吸管系統使用被動兩相熱交換過程，所述過程涉及基于自然對流來移動熱量。對流是由熱量引起的流體移動。詳細而言，較熱流體相比于較冷流體而言趨于上升，因為較熱流體的密度小于較冷流體，較冷流體受重力影響而下沉。這種物理效應使得流體承載的熱量進行傳遞而無需機械栗。
[0007]熱虹吸管系統包括容納用于熱交換的流體(例如，高壓制冷劑)的管道。所述管道在管道的冷凝器區域與管道的蒸發器區域之間提供流體的被動兩相輸送。蒸發器區域在物理上位于冷凝器區域下方。冷凝器區域中的流體隨著其冷卻而進行冷凝，并且冷凝流體由于重力和/或向心力而從管道的冷凝器區域流動到管道的蒸發器區域。在蒸發器區域中，流體被加熱，這致使流體蒸發。所蒸發的流體隨后通過浮力而從管道的蒸發器區域流動到管道的冷凝器區域。在熱交換期間，流體借助這種兩相過程進行循環。
[0008]當將熱虹吸管系統用于兩相被動熱輸送時，必須解決的一個問題在于管理形成熱虹吸管系統的管道的蒸發器區域和/或冷凝器區域中的高熱通量狀況。例如，增加熱虹吸管系統的管道的冷凝器區域(或同樣地蒸發器區域)中的熱傳遞而在冷凝器區域中不遭受由增加的熱通量(每單位時間內每單位面積上傳遞的熱量)所造成的損失和/或A T增加(SP，溫差的增加)則需要增加冷凝器區域的表面面積(即，增加用于工作流體與冷卻機構(例如，熱電冷卻器)之間的熱傳遞的表面面積)。針對這個問題的常規解決方案包括使用復雜的熱交換器或歧管來增加用于熱交換的表面面積。這些解決方案一般成本高得驚人。此外，當使用高壓制冷劑時，這些解決方案的益處被進一步否定掉，因為用于熱交換的容器的壁必須加厚以便安全地容納高度加壓的制冷劑，這會導致顯著的熱傳導損失(即，阻礙熱傳導)。
[0009]因此，需要機構來在熱虹吸管蒸發器和/或冷凝器中實現較高的熱傳遞速率，同時減輕由增加的熱通量導致的缺陷。
[0010]概述
[0011]本公開涉及系統、裝置和方法，所述系統、裝置和方法利用導熱基質材料來增強熱虹吸管系統，以便針對熱虹吸管系統的預定部分處的熱傳導來增加表面面積與體積比，同時最小化孤立于預定部分的毛細力和流體夾帶。公開熱虹吸管系統的實施方案。在一些實施方案中，所述熱虹吸管系統包括:管路，其包括冷凝器區域、蒸發器區域和處于冷凝器區域與蒸發器區域之間的區域，所述管路可操作來容納熱輸送介質，并且可操作來根據熱虹吸管原理而在冷凝器區域與蒸發器區域之間提供熱輸送介質的被動兩相輸送；以及導熱基質材料，其容納在所述管路的冷凝器區域和蒸發器區域中的至少一者中，但并不容納在所述管路中處于冷凝器區域與蒸發器區域之間的區域中，從而使得所述導熱基質材料在所述管路的冷凝器區域和蒸發器區域中的所述至少一者中增加用于熱傳遞的表面面積。以這種方式，增強的熱虹吸管系統可在不使用復雜且昂貴的熱交換器和/或歧管的情況下增加熱輸送，同時減輕通常由增加的熱通量導致的不利狀況。
[0012]在一些實施方案中，導熱基質材料包括隨機基質結構和半隨機基質結構中的至少一種。在一些實施方案中，導熱基質材料包括非隨機基質結構。在一些實施方案中，熱輸送介質是流體。
[0013]在一些實施方案中，導熱基質材料容納在所述管路的冷凝器區域的一部分和所述管路的蒸發器區域的一部分中的至少一個中。在一些實施方案中，導熱基質材料容納在與所述管路的冷凝器區域共同延伸的區域以及與所述管路的蒸發器區域共同延伸的區域中的至少一個中。
[0014]在一些實施方案中，導熱基質材料包括多根纖維的網格，所述多根纖維包括隨機化直徑、隨機化長度和隨機化空間方位中的至少一者。在一些實施方案中，所述網格包括孔隙度，所述孔隙度被預先確定以便基于由所述網格提供的增加的表面面積來最小化毛細力，同時實現預定的熱傳遞速率。在一些實施方案中，所述網格是可變形的。
[0015]在一些實施方案中，導熱基質材料包括導熱纖維和導熱顆粒中的至少一者。在一些實施方案中，導熱纖維和導熱顆粒中的所述至少一者包括由銅和鋁組成的群組中的至少一者O
[0016]在一些實施方案中，導熱基質材料是燒結粉末。在一些實施方案中，所述燒結粉末包括某一密度，所述密度被預先確定以便基于由所述燒結粉末提供的增加的表面面積來最小化毛細力，同時實現預定的熱傳遞速率。
[0017]在一些實施方案中，導熱基質材料包括多個預制篩網的布置。在一些實施方案中，所述布置包括預定數目的所述多個預制篩網。在一些實施方案中，所述多個預制篩網的所述預定數目經過確定以便基于由所述多個預制篩網提供的增加的表面面積來最小化毛細力，同時實現預定的熱傳遞速率。在一些實施方案中，所述多個預制篩網的布置堆疊在隨機化方位上。
[0018]在一些實施方案中，當容納在所述管路的冷凝器區域和蒸發器區域中的所述至少一者中時，導熱基質材料所形成的結構是多孔結構。在一些實施方案中，導熱基質材料具有螺旋帶狀幾何結構。
[0019]在一些實施方案中，導熱基質材料的熱導率等于或大于所述管路的熱導率。
[0020]在一些實施方案中，導熱基質材料容納在冷凝器區域中。在一些實施方案中，導熱基質材料容納在蒸發器區域中。在一些實施方案中，導熱基質材料容納在冷凝器區域中并且容納在蒸發器區域中。
[0021]本文也公開用于熱虹吸管系統的管路的實施方案。在一些實施方案中，所述用于熱虹吸管系統的管路包括導熱基質材料，所述導熱基質材料在所述管路的冷凝器區域和所述管路的蒸發器區域中的至少一個中增加用于熱傳遞的表面面積，但不在所述管路中處于冷凝器區域與蒸發器區域之間的區域中增加用于熱傳遞的表面面積，所述管路可操作來容納熱輸送介質并且可操作來根據熱虹吸管原理而在冷凝器區域與蒸發器區域之間提供熱輸送介質的被動兩相輸送。
[0022]在一些實施方案中，所述導熱基質材料包括孔隙度，所述孔隙度被預先確定以便基于由所述導熱基質材料提供的增加的表面面積來最小化毛細力，同時實現預定的熱傳遞速率。
[0023]本領域的技術人員在結合附圖閱讀以下對優選實施方案的詳細描述之后，將了解本公開的范圍并且意識到本公開的另外方面。
[0024]附圖簡述
[0025]并入且形成本說明書一部分的附圖示出本公開的若干方面，并且連同描述內容一起用來解釋本公開的原理。
[0026]圖1示出根據本公開的一些實施方案的、包括耦接到熱交換區塊的輸送管的熱虹吸管系統；
[0027]圖2示出根據本公開的實施方案的、來自圖1的熱虹吸管系統的單個傳遞管和熱交換區塊的區域；
[0028]圖3A示出根據本公開的一些實施方案的、來自圖1的熱交換區塊，其中熱虹吸管系統中所述管子的冷凝器區域已經利用導熱基質材料來增強；
[0029]圖3B示出來自圖3A的熱交換區塊的端視圖，其展示根據本公開的實施方案的熱虹吸管系統中管子的冷凝器區域內的導熱基質材料；
[0030]圖4示出一個實施方案，其中圖3A和圖3B的導熱基質材料包括根據本公開的實施方案的預制篩網堆疊體；
[0031]圖5示出根據本公開的一些實施方案的、圖4的預制篩網中的一個；
[0032]圖6示出一個實施方案，其中圖3A和圖3B的導熱基質材料是根據本公開的實施方案的螺旋帶；
[0033]圖7示出根據本公開的一些實施方案的、來自圖1的熱虹吸管系統的一個單管和熱交換區塊，其中導熱基質材料容納在熱虹吸管系統的所述管的蒸發器區域中；
[0034]圖8示出根據本公開的一些實施方案的、來自圖1的熱虹吸管系統的一個單管和熱交換區塊，其中導熱基質材料容納在熱虹吸管系統的同一管子的蒸發器區域和冷凝器區域兩者中；以及
[0035]圖9是流程圖，其展示根據本公開的一些實施方案的、用于增強熱虹吸管系統的方法。
[0036]詳述
[0037]下文陳述的實施方案代表使得本領域技術人員能夠實踐所述實施方案的必要信息，并且示出實踐所述實施方案的最佳模式。在根據附圖來閱讀以下描述之后，本領域技術人員將了解本公開的概念，并且將認識到本文中未具體提出的這些概念的應用。應了解，這些概念和應用屬于本公開和隨附權利要求書的范圍內。
[0038]還應了解，盡管在本文中可能使用術語“第一”、“第二”等來描述各種元件，但是這些元件不應受限于這些術語。這些術語僅用來將一個元件與另一個元件進行區分。例如，在不背離本公開的范圍的情況下，第一元件可以稱為第二元件，并且類似地，第二元件可以稱為第一元件。如本文中所使用的，術語“和/或”包括關聯列舉條目中的一個或多個的任何和所有組合。
[0039]本文中使用的術語僅用于描述特定實施方案的目的，而且并不意在限制本公開。除非上下文中另有明確指示，否則本文所用的單數形式“一”、“一個”和“所述”也意在包括復數形式。應進一步理解的是，當在本文中用來指明所闡述特征、步驟、操作、元件和/或部件的存在，術語“包括(comprise)”、“包括(comprising)”、“包含(include)”并不排除一個或多個其他特征、步驟、操作、元件、部件和/或其群組的存在或添加。
[0040]除非另外定義，否則本文中使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)都具有與本公開所屬領域的普通技術人員通常理解的含義相同的含義。應進一步理解的是，本文中使用的術語應解釋為具有與它們在本說明書上下文和相關領域中的含義一致的含義，而不能以理想化或者過度正式的意義進行解釋，除非在本文中已明確定義。
[0041]本公開涉及系統、裝置和方法，所述系統、裝置和方法利用導熱基質材料來增強熱虹吸管系統，以便針對熱虹吸管系統的預定部分處的熱傳導來增加表面面積與體積比，同時最小化孤立于預定部分的毛細力和流體夾帶。公開熱虹吸管系統的實施方案。在一些實施方案中，所述熱虹吸管系統包括:管路，其包括冷凝器區域、蒸發器區域和處于冷凝器區域與蒸發器區域之間的區域，所述管路可操作來容納熱輸送介質，并且可操作來根據熱虹吸管原理而在冷凝器區域與蒸發器區域之間提供熱輸送介質的被動兩相輸送；以及導熱基質材料，其容納在所述管路的冷凝器區域和蒸發器區域中的至少一者中，但并不容納在所述管路中處于冷凝器區域與蒸發器區域之間的區域中，從而使得所述導熱基質材料在所述管路的冷凝器區域和蒸發器區域中的所述至少一者中增加用于熱傳遞的表面面積。以這種方式，增強的熱虹吸管系統可在不使用復雜且昂貴的熱交換器和/或歧管的情況下增加熱輸送，同時減輕通常由增加的熱通量導致的不利狀況。
[0042]包含在熱輸送設備中的熱虹吸管系統的簡要論述被提供作為情境并且用來幫助理解本公開，而不是將熱虹吸管系統限制為用于任何特定熱輸送設備中。例如，熱虹吸管系統可包括在熱輸送設備中，諸如在題為“THERMOELECTRIC REFRIGERAT1N SYSTEM CONTROLSCHEME FOR HIGH EFFIENCY PERFORMANCE”的共同所有和共同轉讓的美國專利申請公開號2013/0291557中所公開的熱電制冷器，所述申請的全部內容特此以引用的方式并入本文。
[0043]所述熱電制冷系統可包括熱虹吸管系統，其可操作來降低耦接到所述熱虹吸管系統的冷卻腔室的溫度。熱虹吸管系統可包括:冷側熱交換器，其從冷卻腔室吸收熱量；以及熱側熱交換器，其用來將熱量從熱電制冷系統排到外部環境，所述冷側熱交換器和所述熱側熱交換器可各自包括熱虹吸管。從冷卻腔室吸收熱量并將所述熱量排到外部環境的這個過程根據需要進行循環來降低冷卻腔室的溫度。為了簡單起見，下文結合附圖來論述用于熱電制冷系統的單個熱虹吸管。
[0044]圖1不出根據本公開的一些實施方案的熱虹吸管系統10，其包括多個輸送管12-1至12-6(在本文中一般共同地稱為輸送管12并且單獨地稱為輸送管12)，其中輸送管12中的至少一個輸送管并且也可能所有輸送管的蒸發器區域和/或冷凝器區域利用導熱基質材料進行增強。如本文所指，導熱基質材料是一種導熱材料，所述導熱材料在容納在輸送管12的冷凝器區域和/或蒸發器區域的至少一部分中時提供多孔結構，并且增加用于在輸送管12的冷凝器區域和/或蒸發器區域內的熱輸送介質與輸送管12的冷凝器區域和/或蒸發器區域外部的熱輸送介質之間進行熱傳遞的表面面積，正如下文進一步詳細描述的。所述導熱基質材料可由導熱材料形成，所述導熱材料包括鋁、銅、不銹鋼或任何導熱材料的一個或多個組合。在一些實施方案中，導熱基質材料的熱導率等于或大于容納導熱基質材料的輸送管12的熱導率。
[0045]如下文所論述的，導熱基質材料在輸送管12的蒸發器區域和/或冷凝器區域中增加用于熱傳遞的表面面積，從而在管理熱通量的同時改善熱傳遞。這可在無需復雜或昂貴歧管的情況下完成，常規做法則是需要此類歧管。熱虹吸管系統10可用于希望進行熱傳遞的任何合適應用中。例如，圖1的熱虹吸管系統10可(例如)在上文指出的共同所有和共同轉讓的美國專利申請公開號2013/0291557中所公開的熱電制冷器中使用。然而，熱虹吸管系統10并不受限于此。此外，圖1中所示出的熱虹吸管系統10的特定布置僅是一個示例。本文中所論述的概念同樣適用于包含一個或多個輸送管12的任何熱虹吸管系統。
[0046]圖1的熱虹吸管系統10的輸送管12耦接到熱交換區塊14。輸送管12可包括若干個具有可變或一致長度、直徑、形狀和設計的輸送管。每個輸送管12被布置用于熱輸送介質的兩相被動輸送并且體現為熱虹吸管。例如，當實施在制冷器中時，輸送管12可沿著制冷器的冷卻腔室的側面和后壁來布置。如圖所示，每個輸送管12在一個末端處耦接到熱交換區塊14并且在另一末端處端接或連接到另一個輸送管12以便形成環路。輸送管12可由一個或多個導熱材料(諸如鋁、銅、不銹鋼或任何其他導熱材料)的任何組合來形成。
[0047]在這個示例中，互連線路16耦接到熱交換區塊14并且在相反末端處通過配件18和20來端接，以便容許將熱輸送介質添加到輸送管12或從輸送管12移除。所述熱輸送介質可以是可根據熱虹吸管原理來輸送熱量的任何物質或物質組合。在一些實施方案中，所述熱輸送介質是在兩相之間變化的流體(在本文中有時稱為工作流體)(例如，兩相冷卻劑)ο相的示例包括氣體、液體或等離子體。
[0048]圖2是圖1的熱虹吸管系統10的簡化圖解，其中為清楚起見和便于論述，輸送管12中僅一個被示出。如上文所指出的，輸送管12體現為熱虹吸管。因此，圖2展示來自圖1的熱虹吸管系統10的單個熱虹吸管，僅在于幫助理解，但其特征適用于圖1中所示的任何和每個輸送管12。如圖2中所示，輸送管12包括(相對于地面而言)位于蒸發器區域24上方的冷凝器區域22以及處于冷凝器區域22與蒸發器區域24之間的絕熱區域26。絕熱區域26也可稱為對跖區域。如在本文中所指，絕熱區域26是輸送管12的、在輸送管12中的熱輸送介質與其周圍環境之間不傳遞熱量(或傳遞可忽略不計熱量)的區域。
[0049]如下文所論述的，輸送管12的冷凝器區域22和/或蒸發器區域24容納導熱基質材料，但輸送管12的絕熱區域26并不容納導熱基質材料，所述導熱基質材料在冷凝器區域22和/或蒸發器區域24內增加用于在熱輸送介質(例如，工作流體)與冷凝器區域22和/或蒸發器區域24外部的環境之間進行熱傳遞的表面面積。冷凝器區域22和蒸發器區域24通過絕熱區域26進行的分離會為輸送管12保持熱敏二極管效應，特別是在導熱基質材料容納在冷凝器區域22和蒸發器區域24兩者中的情況下。詳細而言，由于熱虹吸管的操作原理，熱虹吸管在單個方向上提供熱傳遞。換句話說，熱虹吸管充當熱敏二極管。如下文所論述的，向冷凝器區域22和/或蒸發器區域24添加導熱基質材料使得在冷凝器區域22和/或蒸發器區域24中產生毛細力，所述毛細力可提供至少一些雙向熱輸送(即，由于包括導熱基質材料，冷凝器區域22和/或蒸發器區域24至少在某種程度上就如同提供雙向熱傳遞的熱量管道一樣運作)。通過在絕熱區域26中不包括任何導熱基質材料，絕熱區域26根據熱虹吸管原理進行運作(即，充當真正的熱虹吸管)，因而僅在一個方向上提供熱輸送(即，充當熱敏二極管)。因此，絕熱區域26為輸送管12保持熱敏二極管效應。
[0050]冷凝器區域22、蒸發器區域24和絕熱區域26并不限于圖2中所示的區部。相反，圖2中指定的區域是為了通過展示每個區域針對其他區域的相對位置來幫助理解。所述區域沿輸送管12可能不具有特定的固定邊界，并且可取決于具體實現方式而發生變化。
[0051 ]在實踐中，熱輸送介質在蒸發器區域24中被加熱(例如，通過容納在輸送管12中的熱輸送介質與輸送管12的蒸發器區域24外部的環境之間的傳導)。所蒸發的熱輸送介質通過浮力從蒸發器區域24穿過絕熱區域26行進到冷凝器區域22。在冷凝器區域22中，熱輸送介質被冷卻，并且由于重力和/或向心力，所得到的冷凝熱輸送介質通過絕熱區域26返回至蒸發器區域24。所述過程以此方式根據熱虹吸管原理進行重復，只要在這個示例中冷凝器區域22被冷卻到比蒸發器區域24的溫度更低的溫度(例如，只要用以通過熱輸送區塊14來冷卻輸送管12的冷凝器區域22的熱電冷卻器是活動的)。
[0052]如上文所指出的，當將熱虹吸管系統用于被動熱交換時，經常難以管理冷凝器區域22和/或蒸發器區域24處的高熱通量狀況。例如，增加輸送管12的冷凝器區域22中的熱傳遞(例如，通過增加通向用來冷卻輸送管12的冷凝器區域22的熱電冷卻器的電流)會導致在冷凝器區域22中產生增加的熱通量。為了實現增加的熱傳遞而同時管理冷凝器區域22中的熱通量，需要在冷凝器區域22中增加用于熱傳遞的表面面積。常規地，增加用于熱傳遞的表面面積是使用復雜且昂貴的熱交換器和歧管來完成。這些解決方案因為其復雜性而導致成本高得驚人并且是不合需要的。同樣地，不能有效管理高熱通量狀況的問題經常被忽視，并且任何關聯成本都被認為是使用被動熱交換系統所必需的。此外，當使用高壓制冷劑時，常規解決方案的益處被進一步否定掉，因為用于熱交換的輸送管路的壁必須加厚以便安全地容納制冷劑，這會阻礙熱傳導。
[0053]本文所公開的實施方案依靠如下方式來提供上述問題的解決方案:通過添加(例如)隨機或半隨機顆粒或纖維(諸如銅或鋁網格或燒結粉末)的高度(熱)傳導基質來在輸送管12內部提供顯著增加的表面面積與體積比，從而使得能夠管理熱虹吸管系統10中的輸送管12的冷凝器區域22和/或蒸發器區域24中的高熱通量狀況。這種隨機或半隨機基質在熱虹吸管系統10的輸送管12的局部冷凝器區域22或局部蒸發器區域24中的任一者或兩者中增強熱虹吸管系統10，但并不在熱虹吸管系統10的不活動或未加強區域(S卩，處于輸送管12的冷凝器區域22與蒸發器區域24之間的絕熱區域26)中增強熱虹吸管系統10。隨機或半隨機導熱基質材料的位置可取決于吸熱或排熱的期望應用。例如，導熱基質材料可容納在位于熱虹吸管系統10的冷凝器區域22中的熱交換區塊14的輸送管12中。
[0054]圖3A示出根據本公開的一些實施方案的、來自圖1和圖2的熱交換區塊14，其中輸送管12的冷凝器區域22已經利用導熱基質材料來增強。在一些實施方案中，熱交換區塊14可由導熱材料形成，所述導熱材料包括鋁、銅、不銹鋼或任何導熱材料的一個或多個組合。熱交換區塊14和輸送管12可由相同或不同材料形成。在一些實施方案中，熱交換區塊14是由提供至少與輸送管12相同量熱導率的材料形成，以便通過熱虹吸管系統10來保持有效的導熱性。
[°°55] 如圖3A中所示，熱交換區塊14包括六個縱向流體通口 28，所述縱向流體通口 28可通過鉆入到材料塊中或通過使用其他合適的空腔形成方式來形成，從而在每個縱向流體通口 28的端部30處形成冠狀部分。六個輸送管12的相應末端由六個縱向流體通口 28來接納，從而使得流體通口 28形成輸送管12中位于熱交換區塊14內的部分。因此，熱虹吸管系統10的輸送管12被說成是包括熱交換區塊14的相應流體通口 28。在端部30的相反側上，互連通口 32橫向延伸穿過縱向流體通口 28，并且可通過鉆鑿或其他合適空腔形成方式來形成。互連線路16耦接到互連通口 32并且在相反末端處通過配件18和20(未圖示)來端接，所述配件18和20容許將熱輸送流體添加到輸送管12(或從輸送管12移除)。
[0056]圖3A進一步展示根據本公開的一些實施方案的、容納在熱交換區塊14的流體通口28中的導熱基質材料38。如上文所述，流體通口 28形成對應輸送管12的一部分，并且更具體而言，對應于輸送管12的冷凝器區域22。
[0057]圖3B展示圖3A的熱交換區塊14的端視圖，其展示流體通口28內(S卩，輸送管12的冷凝器區域22內)的導熱基質材料38。應理解，圖3A和圖3B展示旨在提供情境并且幫助理解本公開的實施方案，而不是限制導熱基質材料38的特性或其在輸送管12中的位置。
[0058]導熱基質材料38可容納在輸送管12的任意一個或多個內的各種位置中。詳細而言，導熱基質材料38可位于輸送管12的冷凝器區域22的一部分或整個冷凝器區域22(8卩，與冷凝器區域22共同延伸的部分/區域)中，或位于輸送管12的蒸發器區域24的一部分或整個蒸發器區域24(8卩，與蒸發器區域24共同延伸的部分/區域)中，正如下文進一步詳細描述的。例如，導熱基質材料38可容納在輸送管12的任意一個或多個輸送管并且潛在地所有輸送管的整個冷凝器區域22中，或者僅容納在輸送管12的任意一個或多個輸送管并且潛在地所有輸送管的冷凝器區域22的一部分或多個不同部分中。正如下文所論述的，以同樣的方式，導熱基質材料38可容納在輸送管12的任意一個或多個輸送管并且潛在地所有輸送管的蒸發器區域24中。
[0059]導熱基質材料38是導熱多孔材料，在圖3A和圖3B的示例中，所述導熱多孔材料增加輸送管12的冷凝器區域22內的表面面積。在一些實施方案中，導熱基質材料38的熱導率大于或等于輸送管12所用材料的熱導率。輸送管12的冷凝器區域22中的熱傳遞速率(Q)可定義為Q = k*A* Δ T，其中k是用于導熱基質材料38的材料的熱導率，A是用于熱輸送的表面面積，以及A T是輸送管12的冷凝器區域22內的熱輸送介質與輸送管12的冷凝器區域22的溫度之間的溫差。因此，通過將導熱基質材料38包括在輸送管12的冷凝器區域22中，用于熱輸送的表面面積(A)得以增加，這在其他所有因素都相同的情況下會增加熱傳遞速率(Q)。另外，容納導熱基質材料38的輸送管12的冷凝器區域22的體積可保持不變，而同時增加熱傳遞速率(Q)。再者，在熱通量無需增加系統A T來提供增加的熱傳遞速率(Q)的意義上而言，熱通量得以管理，并且同樣地，可減輕與高熱通量相關聯的問題。
[0060]在一些實施方案中，導熱基質材料38的孔隙度使得提供期望的表面面積，同時還管理導熱基質材料38所引起的毛細力。如果不進行管理，導熱基質材料38所產生的毛細力可能導致許多問題，包括輸送管12中容納導熱基質材料38的冷凝器區域22和/或蒸發器區域24內的不良雙向熱輸送以及由于熱輸送介質在導熱基質材料38內的聚集而導致熱輸送介質的降低流速。這些問題孤立于容納導熱基質材料38的冷凝器區域22和/或蒸發器區域24，但卻是不合需要的。由導熱基質材料38產生的毛細力與導熱基質材料38的孔隙度直接相關。隨著導熱基質材料38的孔隙度降低(并且因此用于熱輸送的表面面積增加)，毛細力便會增加。因此，在一些實施方案中，導熱基質材料38的孔隙度使得:(a)針對熱虹吸管系統10的某種特定實現方式來實現期望的熱傳遞速率(Q)(即，某組預先定義的參數，包括k、AT、容納導熱基質材料38的冷凝器區域22和蒸發器區域24的尺寸、用作導熱基質材料38的材料等)；以及(b)由導熱基質材料38產生的毛細力被最小化以便鑒于熱虹吸管系統10的特定實現方式來達成期望的熱傳遞速率(Q)，或者至少小于某個預先定義的最大可接受值)。
[0061]在一些實施方案中，導熱基質材料38是隨機結構、半隨機結構和/或非隨機結構。導熱基質材料38可包括顆粒、纖維或類似物的任意一個或多個組合。例如，導熱基質材料38可包括燒結粉末、纖維網格或兩者的組合。所述燒結粉末或纖維網格可以是剛性的或可變形的。例如，纖維網格可以是鋼棉或具有鋼棉結構和密度但由鋼以外的材料(例如，銅)制成的某種材料。
[0062]導熱基質材料38的隨機結構是指其中所有結構特性隨機地或至少偽隨機地改變(即，根據非系統的、非特定的或混亂的過程來改變)的結構。例如，在一些實施方案中，導熱基質材料38是具有隨機結構的纖維網格，原因在于纖維的長度和直徑以及網格中纖維的布置全部是隨機的或至少偽隨機的。相反，導熱基質材料38的半隨機結構是指如下結構:所述結構的結構特性中的一個或多個但不是所有隨機地改變。例如，在一些實施方案中，導熱基質材料38是具有半隨機結構的纖維網格，原因在于所有纖維的長度和直徑是相同的，但纖維的布置是隨機的或至少偽隨機的。顆粒的隨機化特性可包括大小和形狀。纖維的隨機化特性可包括直徑、長度和空間方位。
[0063]在一些實施方案中，導熱基質材料38可以是預制篩網的堆疊體。在這方面，圖4示出某些實施方案，其中根據本公開的實施方案，導熱基質材料38由堆疊在輸送管12的冷凝器區域22中的預制篩網40的堆疊體形成。堆疊的篩網40可具有各種不同的幾何結構，并且可沿著各種不同的空間方位容納在輸送管12內。如圖所示，篩網40根據第一預定間距而沿著任何輸送管12-1至12-5的冷凝器區域的長度來堆疊，并且根據第二預定間距而沿著輸送管12-6的冷凝器區域的長度來堆疊。所述第二預定間距小于所述第一預定間距。換句話來說，輸送管12-6的冷凝器區域中的篩網40的數目大于其他輸送管12-1至12-5的每一個的冷凝器區域中的篩網40的數目。以這種方式，可控制表面面積增大以及導熱基質材料38的孔隙度。另外，如上文所論述的，不是所有的輸送管12都必須容納這個實施方案中由篩網40形成的導熱基質材料38。
[0064]篩網40可具有隨機的、半隨機的和/或非隨機的結構特性。結構特性的示例包括篩網的形狀和大小、堆疊篩網的相對空間方位、篩網的網格密度以及類似方面。例如，用于導熱基質材料38的隨機結構可包括具有根據隨機過程確定的各種不同空間方位的篩網40的堆疊體。相反，作為一個示例，用于導熱基質材料38的半隨機結構可包括沿著第一軸線具有隨機方位的篩網40的堆疊體，但篩網40沿著第二軸線的方位不是隨機的。例如，篩網40可隨機地旋轉(即，第一軸線)，但沿著輸送管12的長度平行地等間距隔開(S卩，第二軸線)。用于導熱基質材料38的非隨機結構可包括不具有隨機結構特性的篩網40的堆疊體。
[0065]圖5示出根據本公開的一些實施方案的單個預制篩網40。如圖所示，篩網40被定形成容納在輸送管12的內部并且是由導熱網格材料形成。預制篩網40的幾何設計可被優化來進一步改善作為低節流導管或路徑的功能。每個預制篩網40可具有幾何設計從而便于穿過容納在輸送管12中的堆疊篩網40的熱輸送介質的供應和返回。在一些實施方案中，篩網40可包括具有網格材料的區部和不具有網格材料的區部。例如，篩網40可形成為環形形狀，而在篩網40的中心不具有任何網格材料。
[0066]堆疊在輸送管12的冷凝器區域22內的篩網40的數目可經過選擇以便實現期望的表面面積與體積比。例如，往回參考圖4，輸送管12-1至12-5的冷凝器區域22每單位體積上各自包括第一數目的堆疊篩網40，并且輸送管12-6的冷凝器區域22每單位體積上包括第二數目的堆疊篩網40。如圖所示，輸送管12-6的每單位體積上堆疊篩網40的所述第二數目大于輸送管12-1至12-5中任一個的每單位體積上堆疊篩網40的所述第一數目。因此，輸送管12-6的表面面積與體積比大于輸送管12-1至12-5中任一個的表面面積與體積比。
[0067]可基于篩網40的數目和每個篩網40的表面面積來計算表面面積與體積比的增加。此外，堆疊篩網40的數目可被預先確定來優化表面面積與體積比，同時保持用來為熱輸送介質提供低限制導管或路徑所必要的孔隙度。因此，每單位體積上篩網40的數目限定熱虹吸管系統10所附加的表面面積，并且通過簡單地改變工作體積中篩網40的數目來限定堆疊篩網40的孔隙度。以這種方式，可控制增加的表面面積與毛細力之間的平衡。因此，可在蒸發器區域24和/或冷凝器區域22處使用可堆疊的篩網40來提供分別促進蒸發或冷凝而同時最小化毛細力所導致的芯吸的高傳熱區域。
[0068]預制的導熱基質材料不限于可堆疊的篩網。圖6示出導熱基質材料38的一個實施方案，其中根據本公開的實施方案，導熱基質材料38是容納在輸送管12的冷凝器區域22中的螺旋帶42。如圖所示，螺旋帶42加大輸送管12的冷凝器區域22的表面面積與體積比。螺旋帶42是導熱的。當容納在輸送管12中時，螺旋帶42的幾何形狀提供多孔結構。因此，形成螺旋帶42的材料可由多孔或非多孔材料形成，并且在容納于輸送管12中時仍提供多孔結構。這允許熱輸送介質流過增強的管，同時最小化毛細力和流體夾帶，因為在容納于輸送管12中時，螺旋帶42的總體幾何結構形成多孔結構。在一些實施方案中，螺旋帶42可由多孔材料形成以便進一步增大被增強的輸送管12的表面面積與體積比并且進一步最小化毛細力所導致的任何芯吸。
[0069]導熱基質材料38的位置不限于輸送管12的冷凝器區域22。更具體地說，導熱基質材料38可容納在輸送管12中的任意一個或多個的冷凝器區域22中和/或容納在輸送管12中的任意一個或多個的蒸發器區域24中。導熱基質材料38—般容納在輸送管12中的至少一個的冷凝器區域22和蒸發器區域24中的至少一者中，而且并不容納在輸送管12的絕熱區域26中。需要將導熱基質材料38的位置限制在輸送管12中不包括絕熱區域26的各部分，因為這會保持輸送管12的熱敏二極管效應(S卩，熱量可仍然僅在一個方向上輸送)。
[0070]在圖3A、圖3B和圖4至圖6中，導熱基質材料38被示出為容納在輸送管12的冷凝器區域22中。然而，如上文所論述的，本公開并不受限于此。在這方面，圖7示出導熱基質材料38容納在輸送管12中的一個的蒸發器區域24中的實施方案。值得注意的是，為清楚起見，圖7僅示出輸送管12中的一個，但應理解，導熱基質材料38可容納在輸送管12中的任意一個或多個的蒸發器24中。除位于蒸發器24中之外，導熱基質材料38與上文所述的相同。同樣地，所述細節不再重復。
[0071]圖8示出一個實施方案，其中導熱基質材料38容納在輸送管12中的一個的冷凝器區域22(示出為導熱基質材料38-1)和蒸發器區域24(示出為導熱基質材料38-2)兩者中，但并不容納在其絕熱區域26中。值得注意的是，為清楚起見，圖8僅示出輸送管12中的一個，但應理解，導熱基質材料38可容納在輸送管12中的任意一個或多個的冷凝器區域22和蒸發器區域24中。
[0072]可根據各種方法來增強熱虹吸管系統以便產生增強的熱虹吸管系統10。在這方面，圖9是流程圖，其展示根據本公開的一些實施方案的、用于增強熱虹吸管系統的方法。如圖所示，用于增強熱虹吸管系統的方法包括選擇熱虹吸管系統的一個或多個輸送管來容納導熱基質材料(步驟100)。預先確定每個選定輸送管的一個或多個區域來容納導熱基質材料(步驟102)。例如，可預先確定冷凝器區域(或其部分)和/或蒸發器區域(或其部分)來容納導熱基質材料。最后，將導熱基質材料插入到選定輸送管的預定部分中(或在其內形成)(步驟104)。
[0073]如上文所論述的，導熱基質材料可包括導熱多孔材料(例如，導熱的隨機、半隨機和/或非隨機纖維或粉末基質)。在一些實施方案中，基于導熱基質材料的期望密度和/或孔隙度來確定導熱基質材料的量和用來插入或壓緊材料的力。詳細而言，在一些實施方案中，壓緊力的量值會影響導熱基質材料的孔隙度，所述孔隙度控制表面面積與體積比以及毛細力。這對于導熱基質材料(諸如鋼棉或燒結金屬或類似材料)而言尤其如此。因此，應該用足夠的力壓緊足夠量的導熱基質材料，以便允許表面面積的期望增加但還不至于誘發過度的毛細力。對一定量的導熱基質材料使用過度的壓緊力將會減小孔隙度，這會增加容納導熱基質材料的各部分處的毛細力。這將會減少冷凝器區域與蒸發器區域之間的熱輸送，從而將會潛在地降低熱輸送介質的系統級流量并且總體上降低熱輸送能力。
[0074]雖然已經依據若干實施方案描述了本公開，但本領域技術人員將認識到，本公開不限于上述實施方案，并且可在所附權利要求書的精神和范圍內通過修改和改變來實踐。
[0075]作為概括，上文所述的實施方案提供用于減輕熱虹吸管蒸發器區域和/或冷凝器區域中的高熱通量狀況的機構。
[0076]所公開的實施方案解決了在將熱虹吸管系統用于被動熱輸送時導致的問題。詳細而言，經常難以管理蒸發器區域和/或冷凝器區域處的高熱通量狀況。這個問題經常被忽視，并且關聯損失被吸納作為使用被動熱輸送方法的成本，或者替代地，利用復雜且昂貴的熱交換器和歧管來管理所述關聯損失。這在處理更高壓力制冷劑時甚至變得更加困難，因為安全地容納壓力所需要的機械結構可能由于隨著厚度增加使得穿過熱交換器壁的傳導損失越來越大，從而很快否定最初使用擴展表面熱交換器的優點。
[0077]所公開的實施方案通過添加隨機或半隨機顆粒/纖維(諸如銅、鋁棉或燒結粉末)的高度導熱基質材料來在標準系統輸送管內部提供顯著增加的表面面積與體積比，從而應對管理熱虹吸管系統的蒸發器和/或冷凝器中的高熱通量狀況的問題。材料的這種增強將會位于熱虹吸管的局部蒸發器區域或局部冷凝器區域中，但并不位于系統的對跖區域(例如，絕熱區域)中，這取決于吸熱或排熱的期望應用。
[0078]所公開的實施方案提供三種不同優點。首先，所提供的額外表面面積將通過提供足以在極低顯熱損失或溫度升高/下降的情況下處置輸入功率電平的浸濕面積，而允許從源(例如，制冷器的冷卻腔室)到熱虹吸管工作流體(即，熱輸送介質)中的高效熱輸送。
[0079]其次，通過將隨機/半隨機纖維基質材料的芯吸效應孤立于局部蒸發器區域和/或局部冷凝器區域，這可保持熱虹吸管系統所提供的完整熱敏二極管效應并且使熱倒漏保持最小。值得注意的是，這是一種不可能提供有如傳統熱量管道系統中所見的全長芯吸結構的能力。
[0080]第三，對已經并入到熱虹吸管系統中的同一輸送管路的利用會最小化使用擴展面積熱交換器所引起的額外費用。另外，在一些實施方案中，在保持有簡單的圓柱形幾何結構中，所述系統可通過進行非常小的修改來安全地處置非常高的系統壓力。
[0081]—種提供擴展表面面積的方法是將高度傳導的隨機纖維或粉末基質材料簡單壓緊到預先限定的蒸發器區域和/或冷凝器區域中。可控制網格密度或孔隙度來提供足夠的表面面積與體積比，以便允許在給定熱負載的情況下具有最小損失，而同時最小化用來加大局部質量并且因此加大熱輸送的局部蒸發器區域和/或冷凝器區域毛細力，所述毛細力可能潛在地降低系統級質量流量以及熱輸送能力。
[0082]另一種方法是利用所形成的高度導熱材料篩網，所述篩網可以按照受控數目進行堆疊以便限定纖維介質的密度，并且不但提供增加的表面面積與體積比，而且提供低限制導管或路徑(借助幾何設計來提供)，從而使得所供應的或返回的工作流體從輸送管路和關聯蒸發器或冷凝器穿行到高熱通量區域來進行蒸發或冷凝。
[0083]對這些實施方案而言重要的是提供僅僅局部增大的表面面積與體積比，而不允許毛細力在預先定義的高熱通量區域之外起主導作用。這允許熱虹吸管系統保留未增強熱虹吸管系統的完全熱敏二極管能力，同時仍允許在簡化的幾何結構和構造材料的情況下具有高熱通量輸入。
[0084]本領域技術人員將認識到本公開的優選實施方案的改進和修改。所有此類改進和修改都視為處于本文所公開的概念和隨附權利要求書的范圍內。
【主權項】
1.一種熱虹吸管系統，其包括: 管路，其包括冷凝器區域、蒸發器區域和處于所述冷凝器區域與所述蒸發器區域之間的區域，所述管路可操作來容納熱輸送介質并且可操作來根據熱虹吸管原理而在所述冷凝器區域與所述蒸發器區域之間提供所述熱輸送介質的被動兩相輸送;以及 導熱基質材料，其容納在所述管路的所述冷凝器區域和所述蒸發器區域中的至少一者中，但并不容納在所述管路中處于所述冷凝器區域與所述蒸發器區域之間的所述區域中，從而使得所述導熱基質材料在所述管路的所述冷凝器區域和所述蒸發器區域中的所述至少一者中增加用于熱傳遞的表面面積。2.如權利要求1所述的熱虹吸管系統，其中所述導熱基質材料包括隨機基質結構和半隨機基質結構中的至少一種。3.如權利要求1所述的熱虹吸管系統，其中所述導熱基質材料包括非隨機基質結構。4.如權利要求1所述的熱虹吸管系統，其中所述熱輸送介質是流體。5.如權利要求1所述的熱虹吸管系統，其中所述導熱基質材料容納在所述管路的所述冷凝器區域的一部分和所述管路的所述蒸發器區域的一部分中的至少一個中。6.如權利要求1所述的熱虹吸管系統，其中所述導熱基質材料容納在與所述管路的所述冷凝器區域共同延伸的區域以及與所述管路的所述蒸發器區域共同延伸的區域中的至少一個中。7.如權利要求1所述的熱虹吸管系統，其中所述導熱基質材料包括多根纖維的網格，所述多根纖維包括隨機化直徑、隨機化長度和隨機化空間方位中的至少一者。8.如權利要求7所述的熱虹吸管系統，其中所述網格包括孔隙度，所述孔隙度被預先確定以便基于由所述網格提供的增加的表面面積來最小化毛細力，同時實現預定的熱傳遞速率。9.如權利要求7所述的熱虹吸管系統，其中所述網格是可變形的。10.如權利要求1所述的熱虹吸管系統，其中所述導熱基質材料包括導熱纖維和導熱顆粒中的至少一者。11.如權利要求10所述的熱虹吸管系統，其中所述導熱纖維和所述導熱顆粒中的所述至少一者包括由以下物質組成的群組中的至少一者:銅和鋁。12.如權利要求1所述的熱虹吸管系統，其中所述導熱基質材料是燒結粉末。13.如權利要求12所述的熱虹吸管系統，其中所述燒結粉末包括某一密度，所述密度被預先確定以便基于由所述燒結粉末提供的增加的表面面積來最小化毛細力，同時實現預定的熱傳遞速率。14.如權利要求1所述的熱虹吸管系統，其中所述導熱基質材料包括多個預制篩網的布置。15.如權利要求14所述的熱虹吸管系統，其中所述布置包括預定數目的所述多個預制篩網。16.如權利要求15所述的熱虹吸管系統，其中所述多個預制篩網的所述預定數目經過確定以便基于由所述多個預制篩網提供的增加的表面面積來最小化毛細力，同時實現預定的熱傳遞速率。17.如權利要求14所述的熱虹吸管系統，其中所述多個預制篩網的所述布置堆疊在隨機化方位上。18.如權利要求1所述的熱虹吸管系統，其中，當容納在所述管路的所述冷凝器區域和所述蒸發器區域中的所述至少一者中時，所述導熱基質材料形成的結構是多孔結構。19.如權利要求18所述的熱虹吸管系統，其中所述導熱基質材料具有螺旋帶狀幾何結構。20.如權利要求1所述的熱虹吸管系統，其中所述導熱基質材料的熱導率等于或大于所述管路的熱導率。21.如權利要求1所述的熱虹吸管系統，其中所述導熱基質材料容納在所述冷凝器區域中。22.如權利要求1所述的熱虹吸管系統，其中所述導熱基質材料容納在所述蒸發器區域中。23.如權利要求1所述的熱虹吸管系統，其中所述導熱基質材料容納在所述冷凝器區域中并且容納在所述蒸發器區域中。24.一種用于熱虹吸管系統的管路，其包括: 導熱基質材料，其在所述管路的冷凝器區域和所述管路的蒸發器區域中的至少一個中增加用于熱傳遞的表面面積，但不在所述管路中處于所述冷凝器區域與所述蒸發器區域之間的區域中增加用于熱傳遞的表面面積， 所述管路可操作來容納熱輸送介質，并且可操作來根據熱虹吸管原理而在所述冷凝器區域與所述蒸發器區域之間提供所述熱輸送介質的被動兩相輸送。25.如權利要求24所述的管路，其中所述導熱基質材料包括孔隙度，所述孔隙度被預先確定以便基于由所述導熱基質材料提供的增加的表面面積來最小化毛細力，同時實現預定的熱傳遞速率。
【文檔編號】F28D15/02GK105940280SQ201580006301
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2015年1月28日
【發明人】J.W.愛德華茲, R.B.艾倫, D.斯萬
【申請人】弗諾尼克設備公司