用于減輕熱虹吸管蒸發(fā)器或冷凝器中的高熱通量狀況的機(jī)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本公開(kāi)涉及系統(tǒng)、裝置和方法，所述系統(tǒng)、裝置和方法利用導(dǎo)熱基質(zhì)材料來(lái)增強(qiáng)熱虹吸管系統(tǒng)(10)，以便針對(duì)所述熱虹吸管系統(tǒng)的預(yù)定區(qū)域處的熱傳導(dǎo)來(lái)增加表面面積與體積比，同時(shí)最小化孤立于這些區(qū)域的毛細(xì)力。所述熱虹吸管系統(tǒng)具有管路，所述管路包括冷凝器區(qū)域(22)、蒸發(fā)器區(qū)域(24)和絕熱區(qū)域(26)(例如，處于所述冷凝器區(qū)域與所述蒸發(fā)器區(qū)域之間的區(qū)域)。所述管路可容納熱輸送介質(zhì)，并且可根據(jù)熱虹吸管原理而在所述冷凝器區(qū)域與所述蒸發(fā)器區(qū)域之間提供所述熱輸送介質(zhì)的被動(dòng)兩相輸送。所述系統(tǒng)也包括導(dǎo)熱基質(zhì)材料，所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料容納在所述冷凝器區(qū)域和/或所述蒸發(fā)器區(qū)域中，但并不容納在所述絕熱區(qū)域中，從而使得所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料在所述冷凝器區(qū)域和/或所述蒸發(fā)器區(qū)域中增加用于熱傳遞的表面面積。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于減輕熱虹吸管蒸發(fā)器或冷凝器中的高熱通量狀況的機(jī)構(gòu)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)要求2014年I月28日提交的臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)61/932,377的權(quán)益，所述申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容特此以引用的方式并入本文。
[0003]公開(kāi)領(lǐng)域
[0004]本公開(kāi)涉及在熱虹吸管系統(tǒng)的冷凝器區(qū)域和/或蒸發(fā)器區(qū)域處實(shí)現(xiàn)增加的熱傳遞速率，同時(shí)最小化由增加的熱通量導(dǎo)致的不利狀況。
[0005]背景
[0006]熱虹吸管系統(tǒng)使用被動(dòng)兩相熱交換過(guò)程，所述過(guò)程涉及基于自然對(duì)流來(lái)移動(dòng)熱量。對(duì)流是由熱量引起的流體移動(dòng)。詳細(xì)而言，較熱流體相比于較冷流體而言趨于上升，因?yàn)檩^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(yīng)使得流體承載的熱量進(jìn)行傳遞而無(wú)需機(jī)械栗。
[0007]熱虹吸管系統(tǒng)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(qū)域與管道的蒸發(fā)器區(qū)域之間提供流體的被動(dòng)兩相輸送。蒸發(fā)器區(qū)域在物理上位于冷凝器區(qū)域下方。冷凝器區(qū)域中的流體隨著其冷卻而進(jìn)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(qū)域流動(dòng)到管道的蒸發(fā)器區(qū)域。在蒸發(fā)器區(qū)域中，流體被加熱，這致使流體蒸發(fā)。所蒸發(fā)的流體隨后通過(guò)浮力而從管道的蒸發(fā)器區(qū)域流動(dòng)到管道的冷凝器區(qū)域。在熱交換期間，流體借助這種兩相過(guò)程進(jìn)行循環(huán)。
[0008]當(dāng)將熱虹吸管系統(tǒng)用于兩相被動(dòng)熱輸送時(shí)，必須解決的一個(gè)問(wèn)題在于管理形成熱虹吸管系統(tǒng)的管道的蒸發(fā)器區(qū)域和/或冷凝器區(qū)域中的高熱通量狀況。例如，增加熱虹吸管系統(tǒng)的管道的冷凝器區(qū)域(或同樣地蒸發(fā)器區(qū)域)中的熱傳遞而在冷凝器區(qū)域中不遭受由增加的熱通量(每單位時(shí)間內(nèi)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(qū)域的表面面積(即，增加用于工作流體與冷卻機(jī)構(gòu)(例如，熱電冷卻器)之間的熱傳遞的表面面積)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題的常規(guī)解決方案包括使用復(fù)雜的熱交換器或歧管來(lái)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(dāng)使用高壓制冷劑時(shí)，這些解決方案的益處被進(jìn)一步否定掉，因?yàn)橛糜跓峤粨Q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(huì)導(dǎo)致顯著的熱傳導(dǎo)損失(即，阻礙熱傳導(dǎo))。
[0009]因此，需要機(jī)構(gòu)來(lái)在熱虹吸管蒸發(fā)器和/或冷凝器中實(shí)現(xiàn)較高的熱傳遞速率，同時(shí)減輕由增加的熱通量導(dǎo)致的缺陷。
[0010]概述
[0011]本公開(kāi)涉及系統(tǒng)、裝置和方法，所述系統(tǒng)、裝置和方法利用導(dǎo)熱基質(zhì)材料來(lái)增強(qiáng)熱虹吸管系統(tǒng)，以便針對(duì)熱虹吸管系統(tǒng)的預(yù)定部分處的熱傳導(dǎo)來(lái)增加表面面積與體積比，同時(shí)最小化孤立于預(yù)定部分的毛細(xì)力和流體夾帶。公開(kāi)熱虹吸管系統(tǒng)的實(shí)施方案。在一些實(shí)施方案中，所述熱虹吸管系統(tǒng)包括:管路，其包括冷凝器區(qū)域、蒸發(fā)器區(qū)域和處于冷凝器區(qū)域與蒸發(fā)器區(qū)域之間的區(qū)域，所述管路可操作來(lái)容納熱輸送介質(zhì)，并且可操作來(lái)根據(jù)熱虹吸管原理而在冷凝器區(qū)域與蒸發(fā)器區(qū)域之間提供熱輸送介質(zhì)的被動(dòng)兩相輸送；以及導(dǎo)熱基質(zhì)材料，其容納在所述管路的冷凝器區(qū)域和蒸發(fā)器區(qū)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(qū)域與蒸發(fā)器區(qū)域之間的區(qū)域中，從而使得所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料在所述管路的冷凝器區(qū)域和蒸發(fā)器區(qū)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(qiáng)的熱虹吸管系統(tǒng)可在不使用復(fù)雜且昂貴的熱交換器和/或歧管的情況下增加熱輸送，同時(shí)減輕通常由增加的熱通量導(dǎo)致的不利狀況。
[0012]在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料包括隨機(jī)基質(zhì)結(jié)構(gòu)和半隨機(jī)基質(zhì)結(jié)構(gòu)中的至少一種。在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料包括非隨機(jī)基質(zhì)結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方案中，熱輸送介質(zhì)是流體。
[0013]在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料容納在所述管路的冷凝器區(qū)域的一部分和所述管路的蒸發(fā)器區(qū)域的一部分中的至少一個(gè)中。在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料容納在與所述管路的冷凝器區(qū)域共同延伸的區(qū)域以及與所述管路的蒸發(fā)器區(qū)域共同延伸的區(qū)域中的至少一個(gè)中。
[0014]在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料包括多根纖維的網(wǎng)格，所述多根纖維包括隨機(jī)化直徑、隨機(jī)化長(zhǎng)度和隨機(jī)化空間方位中的至少一者。在一些實(shí)施方案中，所述網(wǎng)格包括孔隙度，所述孔隙度被預(yù)先確定以便基于由所述網(wǎng)格提供的增加的表面面積來(lái)最小化毛細(xì)力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的熱傳遞速率。在一些實(shí)施方案中，所述網(wǎng)格是可變形的。
[0015]在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料包括導(dǎo)熱纖維和導(dǎo)熱顆粒中的至少一者。在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱纖維和導(dǎo)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(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料是燒結(jié)粉末。在一些實(shí)施方案中，所述燒結(jié)粉末包括某一密度，所述密度被預(yù)先確定以便基于由所述燒結(jié)粉末提供的增加的表面面積來(lái)最小化毛細(xì)力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的熱傳遞速率。
[0017]在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料包括多個(gè)預(yù)制篩網(wǎng)的布置。在一些實(shí)施方案中，所述布置包括預(yù)定數(shù)目的所述多個(gè)預(yù)制篩網(wǎng)。在一些實(shí)施方案中，所述多個(gè)預(yù)制篩網(wǎng)的所述預(yù)定數(shù)目經(jīng)過(guò)確定以便基于由所述多個(gè)預(yù)制篩網(wǎng)提供的增加的表面面積來(lái)最小化毛細(xì)力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的熱傳遞速率。在一些實(shí)施方案中，所述多個(gè)預(yù)制篩網(wǎng)的布置堆疊在隨機(jī)化方位上。
[0018]在一些實(shí)施方案中，當(dāng)容納在所述管路的冷凝器區(qū)域和蒸發(fā)器區(qū)域中的所述至少一者中時(shí)，導(dǎo)熱基質(zhì)材料所形成的結(jié)構(gòu)是多孔結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料具有螺旋帶狀幾何結(jié)構(gòu)。
[0019]在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料的熱導(dǎo)率等于或大于所述管路的熱導(dǎo)率。
[0020]在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料容納在冷凝器區(qū)域中。在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料容納在蒸發(fā)器區(qū)域中。在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料容納在冷凝器區(qū)域中并且容納在蒸發(fā)器區(qū)域中。
[0021]本文也公開(kāi)用于熱虹吸管系統(tǒng)的管路的實(shí)施方案。在一些實(shí)施方案中，所述用于熱虹吸管系統(tǒng)的管路包括導(dǎo)熱基質(zhì)材料，所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料在所述管路的冷凝器區(qū)域和所述管路的蒸發(fā)器區(qū)域中的至少一個(gè)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(qū)域與蒸發(fā)器區(qū)域之間的區(qū)域中增加用于熱傳遞的表面面積，所述管路可操作來(lái)容納熱輸送介質(zhì)并且可操作來(lái)根據(jù)熱虹吸管原理而在冷凝器區(qū)域與蒸發(fā)器區(qū)域之間提供熱輸送介質(zhì)的被動(dòng)兩相輸送。
[0022]在一些實(shí)施方案中，所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料包括孔隙度，所述孔隙度被預(yù)先確定以便基于由所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料提供的增加的表面面積來(lái)最小化毛細(xì)力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的熱傳遞速率。
[0023]本領(lǐng)域的技術(shù)人員在結(jié)合附圖閱讀以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述之后，將了解本公開(kāi)的范圍并且意識(shí)到本公開(kāi)的另外方面。
[0024]附圖簡(jiǎn)述
[0025]并入且形成本說(shuō)明書(shū)一部分的附圖示出本公開(kāi)的若干方面，并且連同描述內(nèi)容一起用來(lái)解釋本公開(kāi)的原理。
[0026]圖1示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的、包括耦接到熱交換區(qū)塊的輸送管的熱虹吸管系統(tǒng)；
[0027]圖2示出根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方案的、來(lái)自圖1的熱虹吸管系統(tǒng)的單個(gè)傳遞管和熱交換區(qū)塊的區(qū)域；
[0028]圖3A示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的、來(lái)自圖1的熱交換區(qū)塊，其中熱虹吸管系統(tǒng)中所述管子的冷凝器區(qū)域已經(jīng)利用導(dǎo)熱基質(zhì)材料來(lái)增強(qiáng)；
[0029]圖3B示出來(lái)自圖3A的熱交換區(qū)塊的端視圖，其展示根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方案的熱虹吸管系統(tǒng)中管子的冷凝器區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)熱基質(zhì)材料；
[0030]圖4示出一個(gè)實(shí)施方案，其中圖3A和圖3B的導(dǎo)熱基質(zhì)材料包括根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方案的預(yù)制篩網(wǎng)堆疊體；
[0031]圖5示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的、圖4的預(yù)制篩網(wǎng)中的一個(gè)；
[0032]圖6示出一個(gè)實(shí)施方案，其中圖3A和圖3B的導(dǎo)熱基質(zhì)材料是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方案的螺旋帶；
[0033]圖7示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的、來(lái)自圖1的熱虹吸管系統(tǒng)的一個(gè)單管和熱交換區(qū)塊，其中導(dǎo)熱基質(zhì)材料容納在熱虹吸管系統(tǒng)的所述管的蒸發(fā)器區(qū)域中；
[0034]圖8示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的、來(lái)自圖1的熱虹吸管系統(tǒng)的一個(gè)單管和熱交換區(qū)塊，其中導(dǎo)熱基質(zhì)材料容納在熱虹吸管系統(tǒng)的同一管子的蒸發(fā)器區(qū)域和冷凝器區(qū)域兩者中；以及
[0035]圖9是流程圖，其展示根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的、用于增強(qiáng)熱虹吸管系統(tǒng)的方法。
[0036]詳述
[0037]下文陳述的實(shí)施方案代表使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`所述實(shí)施方案的必要信息，并且示出實(shí)踐所述實(shí)施方案的最佳模式。在根據(jù)附圖來(lái)閱讀以下描述之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解本公開(kāi)的概念，并且將認(rèn)識(shí)到本文中未具體提出的這些概念的應(yīng)用。應(yīng)了解，這些概念和應(yīng)用屬于本公開(kāi)和隨附權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)。
[0038]還應(yīng)了解，盡管在本文中可能使用術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”等來(lái)描述各種元件，但是這些元件不應(yīng)受限于這些術(shù)語(yǔ)。這些術(shù)語(yǔ)僅用來(lái)將一個(gè)元件與另一個(gè)元件進(jìn)行區(qū)分。例如，在不背離本公開(kāi)的范圍的情況下，第一元件可以稱為第二元件，并且類(lèi)似地，第二元件可以稱為第一元件。如本文中所使用的，術(shù)語(yǔ)“和/或”包括關(guān)聯(lián)列舉條目中的一個(gè)或多個(gè)的任何和所有組合。
[0039]本文中使用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述特定實(shí)施方案的目的，而且并不意在限制本公開(kāi)。除非上下文中另有明確指示，否則本文所用的單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”和“所述”也意在包括復(fù)數(shù)形式。應(yīng)進(jìn)一步理解的是，當(dāng)在本文中用來(lái)指明所闡述特征、步驟、操作、元件和/或部件的存在，術(shù)語(yǔ)“包括(comprise)”、“包括(comprising)”、“包含(include)”并不排除一個(gè)或多個(gè)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(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))都具有與本公開(kāi)所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的含義相同的含義。應(yīng)進(jìn)一步理解的是，本文中使用的術(shù)語(yǔ)應(yīng)解釋為具有與它們?cè)诒菊f(shuō)明書(shū)上下文和相關(guān)領(lǐng)域中的含義一致的含義，而不能以理想化或者過(guò)度正式的意義進(jìn)行解釋?zhuān)窃诒疚闹幸衙鞔_定義。
[0041]本公開(kāi)涉及系統(tǒng)、裝置和方法，所述系統(tǒng)、裝置和方法利用導(dǎo)熱基質(zhì)材料來(lái)增強(qiáng)熱虹吸管系統(tǒng)，以便針對(duì)熱虹吸管系統(tǒng)的預(yù)定部分處的熱傳導(dǎo)來(lái)增加表面面積與體積比，同時(shí)最小化孤立于預(yù)定部分的毛細(xì)力和流體夾帶。公開(kāi)熱虹吸管系統(tǒng)的實(shí)施方案。在一些實(shí)施方案中，所述熱虹吸管系統(tǒng)包括:管路，其包括冷凝器區(qū)域、蒸發(fā)器區(qū)域和處于冷凝器區(qū)域與蒸發(fā)器區(qū)域之間的區(qū)域，所述管路可操作來(lái)容納熱輸送介質(zhì)，并且可操作來(lái)根據(jù)熱虹吸管原理而在冷凝器區(qū)域與蒸發(fā)器區(qū)域之間提供熱輸送介質(zhì)的被動(dòng)兩相輸送；以及導(dǎo)熱基質(zhì)材料，其容納在所述管路的冷凝器區(qū)域和蒸發(fā)器區(qū)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(qū)域與蒸發(fā)器區(qū)域之間的區(qū)域中，從而使得所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料在所述管路的冷凝器區(qū)域和蒸發(fā)器區(qū)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(qiáng)的熱虹吸管系統(tǒng)可在不使用復(fù)雜且昂貴的熱交換器和/或歧管的情況下增加熱輸送，同時(shí)減輕通常由增加的熱通量導(dǎo)致的不利狀況。
[0042]包含在熱輸送設(shè)備中的熱虹吸管系統(tǒng)的簡(jiǎn)要論述被提供作為情境并且用來(lái)幫助理解本公開(kāi)，而不是將熱虹吸管系統(tǒng)限制為用于任何特定熱輸送設(shè)備中。例如，熱虹吸管系統(tǒng)可包括在熱輸送設(shè)備中，諸如在題為“THERMOELECTRIC REFRIGERAT1N SYSTEM CONTROLSCHEME FOR HIGH EFFIENCY PERFORMANCE”的共同所有和共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2013/0291557中所公開(kāi)的熱電制冷器，所述申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容特此以引用的方式并入本文。
[0043]所述熱電制冷系統(tǒng)可包括熱虹吸管系統(tǒng)，其可操作來(lái)降低耦接到所述熱虹吸管系統(tǒng)的冷卻腔室的溫度。熱虹吸管系統(tǒng)可包括:冷側(cè)熱交換器，其從冷卻腔室吸收熱量；以及熱側(cè)熱交換器，其用來(lái)將熱量從熱電制冷系統(tǒng)排到外部環(huán)境，所述冷側(cè)熱交換器和所述熱側(cè)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(huán)境的這個(gè)過(guò)程根據(jù)需要進(jìn)行循環(huán)來(lái)降低冷卻腔室的溫度。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，下文結(jié)合附圖來(lái)論述用于熱電制冷系統(tǒng)的單個(gè)熱虹吸管。
[0044]圖1不出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的熱虹吸管系統(tǒng)10，其包括多個(gè)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(dú)地稱為輸送管12)，其中輸送管12中的至少一個(gè)輸送管并且也可能所有輸送管的蒸發(fā)器區(qū)域和/或冷凝器區(qū)域利用導(dǎo)熱基質(zhì)材料進(jìn)行增強(qiáng)。如本文所指，導(dǎo)熱基質(zhì)材料是一種導(dǎo)熱材料，所述導(dǎo)熱材料在容納在輸送管12的冷凝器區(qū)域和/或蒸發(fā)器區(qū)域的至少一部分中時(shí)提供多孔結(jié)構(gòu)，并且增加用于在輸送管12的冷凝器區(qū)域和/或蒸發(fā)器區(qū)域內(nèi)的熱輸送介質(zhì)與輸送管12的冷凝器區(qū)域和/或蒸發(fā)器區(qū)域外部的熱輸送介質(zhì)之間進(jìn)行熱傳遞的表面面積，正如下文進(jìn)一步詳細(xì)描述的。所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料可由導(dǎo)熱材料形成，所述導(dǎo)熱材料包括鋁、銅、不銹鋼或任何導(dǎo)熱材料的一個(gè)或多個(gè)組合。在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料的熱導(dǎo)率等于或大于容納導(dǎo)熱基質(zhì)材料的輸送管12的熱導(dǎo)率。
[0045]如下文所論述的，導(dǎo)熱基質(zhì)材料在輸送管12的蒸發(fā)器區(qū)域和/或冷凝器區(qū)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(shí)改善熱傳遞。這可在無(wú)需復(fù)雜或昂貴歧管的情況下完成，常規(guī)做法則是需要此類(lèi)歧管。熱虹吸管系統(tǒng)10可用于希望進(jìn)行熱傳遞的任何合適應(yīng)用中。例如，圖1的熱虹吸管系統(tǒng)10可(例如)在上文指出的共同所有和共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2013/0291557中所公開(kāi)的熱電制冷器中使用。然而，熱虹吸管系統(tǒng)10并不受限于此。此外，圖1中所示出的熱虹吸管系統(tǒng)10的特定布置僅是一個(gè)示例。本文中所論述的概念同樣適用于包含一個(gè)或多個(gè)輸送管12的任何熱虹吸管系統(tǒng)。
[0046]圖1的熱虹吸管系統(tǒng)10的輸送管12耦接到熱交換區(qū)塊14。輸送管12可包括若干個(gè)具有可變或一致長(zhǎng)度、直徑、形狀和設(shè)計(jì)的輸送管。每個(gè)輸送管12被布置用于熱輸送介質(zhì)的兩相被動(dòng)輸送并且體現(xiàn)為熱虹吸管。例如，當(dāng)實(shí)施在制冷器中時(shí)，輸送管12可沿著制冷器的冷卻腔室的側(cè)面和后壁來(lái)布置。如圖所示，每個(gè)輸送管12在一個(gè)末端處耦接到熱交換區(qū)塊14并且在另一末端處端接或連接到另一個(gè)輸送管12以便形成環(huán)路。輸送管12可由一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)熱材料(諸如鋁、銅、不銹鋼或任何其他導(dǎo)熱材料)的任何組合來(lái)形成。
[0047]在這個(gè)示例中，互連線路16耦接到熱交換區(qū)塊14并且在相反末端處通過(guò)配件18和20來(lái)端接，以便容許將熱輸送介質(zhì)添加到輸送管12或從輸送管12移除。所述熱輸送介質(zhì)可以是可根據(jù)熱虹吸管原理來(lái)輸送熱量的任何物質(zhì)或物質(zhì)組合。在一些實(shí)施方案中，所述熱輸送介質(zhì)是在兩相之間變化的流體(在本文中有時(shí)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(tǒng)10的簡(jiǎn)化圖解，其中為清楚起見(jiàn)和便于論述，輸送管12中僅一個(gè)被示出。如上文所指出的，輸送管12體現(xiàn)為熱虹吸管。因此，圖2展示來(lái)自圖1的熱虹吸管系統(tǒng)10的單個(gè)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(gè)輸送管12。如圖2中所示，輸送管12包括(相對(duì)于地面而言)位于蒸發(fā)器區(qū)域24上方的冷凝器區(qū)域22以及處于冷凝器區(qū)域22與蒸發(fā)器區(qū)域24之間的絕熱區(qū)域26。絕熱區(qū)域26也可稱為對(duì)跖區(qū)域。如在本文中所指，絕熱區(qū)域26是輸送管12的、在輸送管12中的熱輸送介質(zhì)與其周?chē)h(huán)境之間不傳遞熱量(或傳遞可忽略不計(jì)熱量)的區(qū)域。
[0049]如下文所論述的，輸送管12的冷凝器區(qū)域22和/或蒸發(fā)器區(qū)域24容納導(dǎo)熱基質(zhì)材料，但輸送管12的絕熱區(qū)域26并不容納導(dǎo)熱基質(zhì)材料，所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料在冷凝器區(qū)域22和/或蒸發(fā)器區(qū)域24內(nèi)增加用于在熱輸送介質(zhì)(例如，工作流體)與冷凝器區(qū)域22和/或蒸發(fā)器區(qū)域24外部的環(huán)境之間進(jìn)行熱傳遞的表面面積。冷凝器區(qū)域22和蒸發(fā)器區(qū)域24通過(guò)絕熱區(qū)域26進(jìn)行的分離會(huì)為輸送管12保持熱敏二極管效應(yīng)，特別是在導(dǎo)熱基質(zhì)材料容納在冷凝器區(qū)域22和蒸發(fā)器區(qū)域24兩者中的情況下。詳細(xì)而言，由于熱虹吸管的操作原理，熱虹吸管在單個(gè)方向上提供熱傳遞。換句話說(shuō)，熱虹吸管充當(dāng)熱敏二極管。如下文所論述的，向冷凝器區(qū)域22和/或蒸發(fā)器區(qū)域24添加導(dǎo)熱基質(zhì)材料使得在冷凝器區(qū)域22和/或蒸發(fā)器區(qū)域24中產(chǎn)生毛細(xì)力，所述毛細(xì)力可提供至少一些雙向熱輸送(即，由于包括導(dǎo)熱基質(zhì)材料，冷凝器區(qū)域22和/或蒸發(fā)器區(qū)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(yùn)作)。通過(guò)在絕熱區(qū)域26中不包括任何導(dǎo)熱基質(zhì)材料，絕熱區(qū)域26根據(jù)熱虹吸管原理進(jìn)行運(yùn)作(即，充當(dāng)真正的熱虹吸管)，因而僅在一個(gè)方向上提供熱輸送(即，充當(dāng)熱敏二極管)。因此，絕熱區(qū)域26為輸送管12保持熱敏二極管效應(yīng)。
[0050]冷凝器區(qū)域22、蒸發(fā)器區(qū)域24和絕熱區(qū)域26并不限于圖2中所示的區(qū)部。相反，圖2中指定的區(qū)域是為了通過(guò)展示每個(gè)區(qū)域針對(duì)其他區(qū)域的相對(duì)位置來(lái)幫助理解。所述區(qū)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(shí)現(xiàn)方式而發(fā)生變化。
[0051 ]在實(shí)踐中，熱輸送介質(zhì)在蒸發(fā)器區(qū)域24中被加熱(例如，通過(guò)容納在輸送管12中的熱輸送介質(zhì)與輸送管12的蒸發(fā)器區(qū)域24外部的環(huán)境之間的傳導(dǎo))。所蒸發(fā)的熱輸送介質(zhì)通過(guò)浮力從蒸發(fā)器區(qū)域24穿過(guò)絕熱區(qū)域26行進(jìn)到冷凝器區(qū)域22。在冷凝器區(qū)域22中，熱輸送介質(zhì)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(zhì)通過(guò)絕熱區(qū)域26返回至蒸發(fā)器區(qū)域24。所述過(guò)程以此方式根據(jù)熱虹吸管原理進(jìn)行重復(fù)，只要在這個(gè)示例中冷凝器區(qū)域22被冷卻到比蒸發(fā)器區(qū)域24的溫度更低的溫度(例如，只要用以通過(guò)熱輸送區(qū)塊14來(lái)冷卻輸送管12的冷凝器區(qū)域22的熱電冷卻器是活動(dòng)的)。
[0052]如上文所指出的，當(dāng)將熱虹吸管系統(tǒng)用于被動(dòng)熱交換時(shí)，經(jīng)常難以管理冷凝器區(qū)域22和/或蒸發(fā)器區(qū)域24處的高熱通量狀況。例如，增加輸送管12的冷凝器區(qū)域22中的熱傳遞(例如，通過(guò)增加通向用來(lái)冷卻輸送管12的冷凝器區(qū)域22的熱電冷卻器的電流)會(huì)導(dǎo)致在冷凝器區(qū)域22中產(chǎn)生增加的熱通量。為了實(shí)現(xiàn)增加的熱傳遞而同時(shí)管理冷凝器區(qū)域22中的熱通量，需要在冷凝器區(qū)域22中增加用于熱傳遞的表面面積。常規(guī)地，增加用于熱傳遞的表面面積是使用復(fù)雜且昂貴的熱交換器和歧管來(lái)完成。這些解決方案因?yàn)槠鋸?fù)雜性而導(dǎo)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(wèn)題經(jīng)常被忽視，并且任何關(guān)聯(lián)成本都被認(rèn)為是使用被動(dòng)熱交換系統(tǒng)所必需的。此外，當(dāng)使用高壓制冷劑時(shí)，常規(guī)解決方案的益處被進(jìn)一步否定掉，因?yàn)橛糜跓峤粨Q的輸送管路的壁必須加厚以便安全地容納制冷劑，這會(huì)阻礙熱傳導(dǎo)。
[0053]本文所公開(kāi)的實(shí)施方案依靠如下方式來(lái)提供上述問(wèn)題的解決方案:通過(guò)添加(例如)隨機(jī)或半隨機(jī)顆粒或纖維(諸如銅或鋁網(wǎng)格或燒結(jié)粉末)的高度(熱)傳導(dǎo)基質(zhì)來(lái)在輸送管12內(nèi)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(tǒng)10中的輸送管12的冷凝器區(qū)域22和/或蒸發(fā)器區(qū)域24中的高熱通量狀況。這種隨機(jī)或半隨機(jī)基質(zhì)在熱虹吸管系統(tǒng)10的輸送管12的局部冷凝器區(qū)域22或局部蒸發(fā)器區(qū)域24中的任一者或兩者中增強(qiáng)熱虹吸管系統(tǒng)10，但并不在熱虹吸管系統(tǒng)10的不活動(dòng)或未加強(qiáng)區(qū)域(S卩，處于輸送管12的冷凝器區(qū)域22與蒸發(fā)器區(qū)域24之間的絕熱區(qū)域26)中增強(qiáng)熱虹吸管系統(tǒng)10。隨機(jī)或半隨機(jī)導(dǎo)熱基質(zhì)材料的位置可取決于吸熱或排熱的期望應(yīng)用。例如，導(dǎo)熱基質(zhì)材料可容納在位于熱虹吸管系統(tǒng)10的冷凝器區(qū)域22中的熱交換區(qū)塊14的輸送管12中。
[0054]圖3A示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的、來(lái)自圖1和圖2的熱交換區(qū)塊14，其中輸送管12的冷凝器區(qū)域22已經(jīng)利用導(dǎo)熱基質(zhì)材料來(lái)增強(qiáng)。在一些實(shí)施方案中，熱交換區(qū)塊14可由導(dǎo)熱材料形成，所述導(dǎo)熱材料包括鋁、銅、不銹鋼或任何導(dǎo)熱材料的一個(gè)或多個(gè)組合。熱交換區(qū)塊14和輸送管12可由相同或不同材料形成。在一些實(shí)施方案中，熱交換區(qū)塊14是由提供至少與輸送管12相同量熱導(dǎo)率的材料形成，以便通過(guò)熱虹吸管系統(tǒng)10來(lái)保持有效的導(dǎo)熱性。
[°°55] 如圖3A中所示，熱交換區(qū)塊14包括六個(gè)縱向流體通口 28，所述縱向流體通口 28可通過(guò)鉆入到材料塊中或通過(guò)使用其他合適的空腔形成方式來(lái)形成，從而在每個(gè)縱向流體通口 28的端部30處形成冠狀部分。六個(gè)輸送管12的相應(yīng)末端由六個(gè)縱向流體通口 28來(lái)接納，從而使得流體通口 28形成輸送管12中位于熱交換區(qū)塊14內(nèi)的部分。因此，熱虹吸管系統(tǒng)10的輸送管12被說(shuō)成是包括熱交換區(qū)塊14的相應(yīng)流體通口 28。在端部30的相反側(cè)上，互連通口 32橫向延伸穿過(guò)縱向流體通口 28，并且可通過(guò)鉆鑿或其他合適空腔形成方式來(lái)形成?；ミB線路16耦接到互連通口 32并且在相反末端處通過(guò)配件18和20(未圖示)來(lái)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(jìn)一步展示根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的、容納在熱交換區(qū)塊14的流體通口28中的導(dǎo)熱基質(zhì)材料38。如上文所述，流體通口 28形成對(duì)應(yīng)輸送管12的一部分，并且更具體而言，對(duì)應(yīng)于輸送管12的冷凝器區(qū)域22。
[0057]圖3B展示圖3A的熱交換區(qū)塊14的端視圖，其展示流體通口28內(nèi)(S卩，輸送管12的冷凝器區(qū)域22內(nèi))的導(dǎo)熱基質(zhì)材料38。應(yīng)理解，圖3A和圖3B展示旨在提供情境并且?guī)椭斫獗竟_(kāi)的實(shí)施方案，而不是限制導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的特性或其在輸送管12中的位置。
[0058]導(dǎo)熱基質(zhì)材料38可容納在輸送管12的任意一個(gè)或多個(gè)內(nèi)的各種位置中。詳細(xì)而言，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38可位于輸送管12的冷凝器區(qū)域22的一部分或整個(gè)冷凝器區(qū)域22(8卩，與冷凝器區(qū)域22共同延伸的部分/區(qū)域)中，或位于輸送管12的蒸發(fā)器區(qū)域24的一部分或整個(gè)蒸發(fā)器區(qū)域24(8卩，與蒸發(fā)器區(qū)域24共同延伸的部分/區(qū)域)中，正如下文進(jìn)一步詳細(xì)描述的。例如，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38可容納在輸送管12的任意一個(gè)或多個(gè)輸送管并且潛在地所有輸送管的整個(gè)冷凝器區(qū)域22中，或者僅容納在輸送管12的任意一個(gè)或多個(gè)輸送管并且潛在地所有輸送管的冷凝器區(qū)域22的一部分或多個(gè)不同部分中。正如下文所論述的，以同樣的方式，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38可容納在輸送管12的任意一個(gè)或多個(gè)輸送管并且潛在地所有輸送管的蒸發(fā)器區(qū)域24中。
[0059]導(dǎo)熱基質(zhì)材料38是導(dǎo)熱多孔材料，在圖3A和圖3B的示例中，所述導(dǎo)熱多孔材料增加輸送管12的冷凝器區(qū)域22內(nèi)的表面面積。在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的熱導(dǎo)率大于或等于輸送管12所用材料的熱導(dǎo)率。輸送管12的冷凝器區(qū)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(dǎo)熱基質(zhì)材料38的材料的熱導(dǎo)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(qū)域22內(nèi)的熱輸送介質(zhì)與輸送管12的冷凝器區(qū)域22的溫度之間的溫差。因此，通過(guò)將導(dǎo)熱基質(zhì)材料38包括在輸送管12的冷凝器區(qū)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(huì)增加熱傳遞速率(Q)。另外，容納導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的輸送管12的冷凝器區(qū)域22的體積可保持不變，而同時(shí)增加熱傳遞速率(Q)。再者，在熱通量無(wú)需增加系統(tǒng)A T來(lái)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(guān)聯(lián)的問(wèn)題。
[0060]在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的孔隙度使得提供期望的表面面積，同時(shí)還管理導(dǎo)熱基質(zhì)材料38所引起的毛細(xì)力。如果不進(jìn)行管理，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38所產(chǎn)生的毛細(xì)力可能導(dǎo)致許多問(wèn)題，包括輸送管12中容納導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的冷凝器區(qū)域22和/或蒸發(fā)器區(qū)域24內(nèi)的不良雙向熱輸送以及由于熱輸送介質(zhì)在導(dǎo)熱基質(zhì)材料38內(nèi)的聚集而導(dǎo)致熱輸送介質(zhì)的降低流速。這些問(wèn)題孤立于容納導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的冷凝器區(qū)域22和/或蒸發(fā)器區(qū)域24，但卻是不合需要的。由導(dǎo)熱基質(zhì)材料38產(chǎn)生的毛細(xì)力與導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的孔隙度直接相關(guān)。隨著導(dǎo)熱基質(zhì)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(xì)力便會(huì)增加。因此，在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的孔隙度使得:(a)針對(duì)熱虹吸管系統(tǒng)10的某種特定實(shí)現(xiàn)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的熱傳遞速率(Q)(即，某組預(yù)先定義的參數(shù)，包括k、AT、容納導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的冷凝器區(qū)域22和蒸發(fā)器區(qū)域24的尺寸、用作導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的材料等)；以及(b)由導(dǎo)熱基質(zhì)材料38產(chǎn)生的毛細(xì)力被最小化以便鑒于熱虹吸管系統(tǒng)10的特定實(shí)現(xiàn)方式來(lái)達(dá)成期望的熱傳遞速率(Q)，或者至少小于某個(gè)預(yù)先定義的最大可接受值)。
[0061]在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38是隨機(jī)結(jié)構(gòu)、半隨機(jī)結(jié)構(gòu)和/或非隨機(jī)結(jié)構(gòu)。導(dǎo)熱基質(zhì)材料38可包括顆粒、纖維或類(lèi)似物的任意一個(gè)或多個(gè)組合。例如，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38可包括燒結(jié)粉末、纖維網(wǎng)格或兩者的組合。所述燒結(jié)粉末或纖維網(wǎng)格可以是剛性的或可變形的。例如，纖維網(wǎng)格可以是鋼棉或具有鋼棉結(jié)構(gòu)和密度但由鋼以外的材料(例如，銅)制成的某種材料。
[0062]導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的隨機(jī)結(jié)構(gòu)是指其中所有結(jié)構(gòu)特性隨機(jī)地或至少偽隨機(jī)地改變(即，根據(jù)非系統(tǒng)的、非特定的或混亂的過(guò)程來(lái)改變)的結(jié)構(gòu)。例如，在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38是具有隨機(jī)結(jié)構(gòu)的纖維網(wǎng)格，原因在于纖維的長(zhǎng)度和直徑以及網(wǎng)格中纖維的布置全部是隨機(jī)的或至少偽隨機(jī)的。相反，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的半隨機(jī)結(jié)構(gòu)是指如下結(jié)構(gòu):所述結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性中的一個(gè)或多個(gè)但不是所有隨機(jī)地改變。例如，在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38是具有半隨機(jī)結(jié)構(gòu)的纖維網(wǎng)格，原因在于所有纖維的長(zhǎng)度和直徑是相同的，但纖維的布置是隨機(jī)的或至少偽隨機(jī)的。顆粒的隨機(jī)化特性可包括大小和形狀。纖維的隨機(jī)化特性可包括直徑、長(zhǎng)度和空間方位。
[0063]在一些實(shí)施方案中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38可以是預(yù)制篩網(wǎng)的堆疊體。在這方面，圖4示出某些實(shí)施方案，其中根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方案，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38由堆疊在輸送管12的冷凝器區(qū)域22中的預(yù)制篩網(wǎng)40的堆疊體形成。堆疊的篩網(wǎng)40可具有各種不同的幾何結(jié)構(gòu)，并且可沿著各種不同的空間方位容納在輸送管12內(nèi)。如圖所示，篩網(wǎng)40根據(jù)第一預(yù)定間距而沿著任何輸送管12-1至12-5的冷凝器區(qū)域的長(zhǎng)度來(lái)堆疊，并且根據(jù)第二預(yù)定間距而沿著輸送管12-6的冷凝器區(qū)域的長(zhǎng)度來(lái)堆疊。所述第二預(yù)定間距小于所述第一預(yù)定間距。換句話來(lái)說(shuō)，輸送管12-6的冷凝器區(qū)域中的篩網(wǎng)40的數(shù)目大于其他輸送管12-1至12-5的每一個(gè)的冷凝器區(qū)域中的篩網(wǎng)40的數(shù)目。以這種方式，可控制表面面積增大以及導(dǎo)熱基質(zhì)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(gè)實(shí)施方案中由篩網(wǎng)40形成的導(dǎo)熱基質(zhì)材料38。
[0064]篩網(wǎng)40可具有隨機(jī)的、半隨機(jī)的和/或非隨機(jī)的結(jié)構(gòu)特性。結(jié)構(gòu)特性的示例包括篩網(wǎng)的形狀和大小、堆疊篩網(wǎng)的相對(duì)空間方位、篩網(wǎng)的網(wǎng)格密度以及類(lèi)似方面。例如，用于導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的隨機(jī)結(jié)構(gòu)可包括具有根據(jù)隨機(jī)過(guò)程確定的各種不同空間方位的篩網(wǎng)40的堆疊體。相反，作為一個(gè)示例，用于導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的半隨機(jī)結(jié)構(gòu)可包括沿著第一軸線具有隨機(jī)方位的篩網(wǎng)40的堆疊體，但篩網(wǎng)40沿著第二軸線的方位不是隨機(jī)的。例如，篩網(wǎng)40可隨機(jī)地旋轉(zhuǎn)(即，第一軸線)，但沿著輸送管12的長(zhǎng)度平行地等間距隔開(kāi)(S卩，第二軸線)。用于導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的非隨機(jī)結(jié)構(gòu)可包括不具有隨機(jī)結(jié)構(gòu)特性的篩網(wǎng)40的堆疊體。
[0065]圖5示出根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的單個(gè)預(yù)制篩網(wǎng)40。如圖所示，篩網(wǎng)40被定形成容納在輸送管12的內(nèi)部并且是由導(dǎo)熱網(wǎng)格材料形成。預(yù)制篩網(wǎng)40的幾何設(shè)計(jì)可被優(yōu)化來(lái)進(jìn)一步改善作為低節(jié)流導(dǎo)管或路徑的功能。每個(gè)預(yù)制篩網(wǎng)40可具有幾何設(shè)計(jì)從而便于穿過(guò)容納在輸送管12中的堆疊篩網(wǎng)40的熱輸送介質(zhì)的供應(yīng)和返回。在一些實(shí)施方案中，篩網(wǎng)40可包括具有網(wǎng)格材料的區(qū)部和不具有網(wǎng)格材料的區(qū)部。例如，篩網(wǎng)40可形成為環(huán)形形狀，而在篩網(wǎng)40的中心不具有任何網(wǎng)格材料。
[0066]堆疊在輸送管12的冷凝器區(qū)域22內(nèi)的篩網(wǎng)40的數(shù)目可經(jīng)過(guò)選擇以便實(shí)現(xiàn)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(qū)域22每單位體積上各自包括第一數(shù)目的堆疊篩網(wǎng)40，并且輸送管12-6的冷凝器區(qū)域22每單位體積上包括第二數(shù)目的堆疊篩網(wǎng)40。如圖所示，輸送管12-6的每單位體積上堆疊篩網(wǎng)40的所述第二數(shù)目大于輸送管12-1至12-5中任一個(gè)的每單位體積上堆疊篩網(wǎng)40的所述第一數(shù)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(gè)的表面面積與體積比。
[0067]可基于篩網(wǎng)40的數(shù)目和每個(gè)篩網(wǎng)40的表面面積來(lái)計(jì)算表面面積與體積比的增加。此外，堆疊篩網(wǎng)40的數(shù)目可被預(yù)先確定來(lái)優(yōu)化表面面積與體積比，同時(shí)保持用來(lái)為熱輸送介質(zhì)提供低限制導(dǎo)管或路徑所必要的孔隙度。因此，每單位體積上篩網(wǎng)40的數(shù)目限定熱虹吸管系統(tǒng)10所附加的表面面積，并且通過(guò)簡(jiǎn)單地改變工作體積中篩網(wǎng)40的數(shù)目來(lái)限定堆疊篩網(wǎng)40的孔隙度。以這種方式，可控制增加的表面面積與毛細(xì)力之間的平衡。因此，可在蒸發(fā)器區(qū)域24和/或冷凝器區(qū)域22處使用可堆疊的篩網(wǎng)40來(lái)提供分別促進(jìn)蒸發(fā)或冷凝而同時(shí)最小化毛細(xì)力所導(dǎo)致的芯吸的高傳熱區(qū)域。
[0068]預(yù)制的導(dǎo)熱基質(zhì)材料不限于可堆疊的篩網(wǎng)。圖6示出導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的一個(gè)實(shí)施方案，其中根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施方案，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38是容納在輸送管12的冷凝器區(qū)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(qū)域22的表面面積與體積比。螺旋帶42是導(dǎo)熱的。當(dāng)容納在輸送管12中時(shí)，螺旋帶42的幾何形狀提供多孔結(jié)構(gòu)。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(shí)仍提供多孔結(jié)構(gòu)。這允許熱輸送介質(zhì)流過(guò)增強(qiáng)的管，同時(shí)最小化毛細(xì)力和流體夾帶，因?yàn)樵谌菁{于輸送管12中時(shí)，螺旋帶42的總體幾何結(jié)構(gòu)形成多孔結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方案中，螺旋帶42可由多孔材料形成以便進(jìn)一步增大被增強(qiáng)的輸送管12的表面面積與體積比并且進(jìn)一步最小化毛細(xì)力所導(dǎo)致的任何芯吸。
[0069]導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的位置不限于輸送管12的冷凝器區(qū)域22。更具體地說(shuō)，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38可容納在輸送管12中的任意一個(gè)或多個(gè)的冷凝器區(qū)域22中和/或容納在輸送管12中的任意一個(gè)或多個(gè)的蒸發(fā)器區(qū)域24中。導(dǎo)熱基質(zhì)材料38—般容納在輸送管12中的至少一個(gè)的冷凝器區(qū)域22和蒸發(fā)器區(qū)域24中的至少一者中，而且并不容納在輸送管12的絕熱區(qū)域26中。需要將導(dǎo)熱基質(zhì)材料38的位置限制在輸送管12中不包括絕熱區(qū)域26的各部分，因?yàn)檫@會(huì)保持輸送管12的熱敏二極管效應(yīng)(S卩，熱量可仍然僅在一個(gè)方向上輸送)。
[0070]在圖3A、圖3B和圖4至圖6中，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38被示出為容納在輸送管12的冷凝器區(qū)域22中。然而，如上文所論述的，本公開(kāi)并不受限于此。在這方面，圖7示出導(dǎo)熱基質(zhì)材料38容納在輸送管12中的一個(gè)的蒸發(fā)器區(qū)域24中的實(shí)施方案。值得注意的是，為清楚起見(jiàn)，圖7僅示出輸送管12中的一個(gè)，但應(yīng)理解，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38可容納在輸送管12中的任意一個(gè)或多個(gè)的蒸發(fā)器24中。除位于蒸發(fā)器24中之外，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38與上文所述的相同。同樣地，所述細(xì)節(jié)不再重復(fù)。
[0071]圖8示出一個(gè)實(shí)施方案，其中導(dǎo)熱基質(zhì)材料38容納在輸送管12中的一個(gè)的冷凝器區(qū)域22(示出為導(dǎo)熱基質(zhì)材料38-1)和蒸發(fā)器區(qū)域24(示出為導(dǎo)熱基質(zhì)材料38-2)兩者中，但并不容納在其絕熱區(qū)域26中。值得注意的是，為清楚起見(jiàn)，圖8僅示出輸送管12中的一個(gè)，但應(yīng)理解，導(dǎo)熱基質(zhì)材料38可容納在輸送管12中的任意一個(gè)或多個(gè)的冷凝器區(qū)域22和蒸發(fā)器區(qū)域24中。
[0072]可根據(jù)各種方法來(lái)增強(qiáng)熱虹吸管系統(tǒng)以便產(chǎn)生增強(qiáng)的熱虹吸管系統(tǒng)10。在這方面，圖9是流程圖，其展示根據(jù)本公開(kāi)的一些實(shí)施方案的、用于增強(qiáng)熱虹吸管系統(tǒng)的方法。如圖所示，用于增強(qiáng)熱虹吸管系統(tǒng)的方法包括選擇熱虹吸管系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)輸送管來(lái)容納導(dǎo)熱基質(zhì)材料(步驟100)。預(yù)先確定每個(gè)選定輸送管的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域來(lái)容納導(dǎo)熱基質(zhì)材料(步驟102)。例如，可預(yù)先確定冷凝器區(qū)域(或其部分)和/或蒸發(fā)器區(qū)域(或其部分)來(lái)容納導(dǎo)熱基質(zhì)材料。最后，將導(dǎo)熱基質(zhì)材料插入到選定輸送管的預(yù)定部分中(或在其內(nèi)形成)(步驟104)。
[0073]如上文所論述的，導(dǎo)熱基質(zhì)材料可包括導(dǎo)熱多孔材料(例如，導(dǎo)熱的隨機(jī)、半隨機(jī)和/或非隨機(jī)纖維或粉末基質(zhì))。在一些實(shí)施方案中，基于導(dǎo)熱基質(zhì)材料的期望密度和/或孔隙度來(lái)確定導(dǎo)熱基質(zhì)材料的量和用來(lái)插入或壓緊材料的力。詳細(xì)而言，在一些實(shí)施方案中，壓緊力的量值會(huì)影響導(dǎo)熱基質(zhì)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(xì)力。這對(duì)于導(dǎo)熱基質(zhì)材料(諸如鋼棉或燒結(jié)金屬或類(lèi)似材料)而言尤其如此。因此，應(yīng)該用足夠的力壓緊足夠量的導(dǎo)熱基質(zhì)材料，以便允許表面面積的期望增加但還不至于誘發(fā)過(guò)度的毛細(xì)力。對(duì)一定量的導(dǎo)熱基質(zhì)材料使用過(guò)度的壓緊力將會(huì)減小孔隙度，這會(huì)增加容納導(dǎo)熱基質(zhì)材料的各部分處的毛細(xì)力。這將會(huì)減少冷凝器區(qū)域與蒸發(fā)器區(qū)域之間的熱輸送，從而將會(huì)潛在地降低熱輸送介質(zhì)的系統(tǒng)級(jí)流量并且總體上降低熱輸送能力。
[0074]雖然已經(jīng)依據(jù)若干實(shí)施方案描述了本公開(kāi)，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本公開(kāi)不限于上述實(shí)施方案，并且可在所附權(quán)利要求書(shū)的精神和范圍內(nèi)通過(guò)修改和改變來(lái)實(shí)踐。
[0075]作為概括，上文所述的實(shí)施方案提供用于減輕熱虹吸管蒸發(fā)器區(qū)域和/或冷凝器區(qū)域中的高熱通量狀況的機(jī)構(gòu)。
[0076]所公開(kāi)的實(shí)施方案解決了在將熱虹吸管系統(tǒng)用于被動(dòng)熱輸送時(shí)導(dǎo)致的問(wèn)題。詳細(xì)而言，經(jīng)常難以管理蒸發(fā)器區(qū)域和/或冷凝器區(qū)域處的高熱通量狀況。這個(gè)問(wèn)題經(jīng)常被忽視，并且關(guān)聯(lián)損失被吸納作為使用被動(dòng)熱輸送方法的成本，或者替代地，利用復(fù)雜且昂貴的熱交換器和歧管來(lái)管理所述關(guān)聯(lián)損失。這在處理更高壓力制冷劑時(shí)甚至變得更加困難，因?yàn)榘踩厝菁{壓力所需要的機(jī)械結(jié)構(gòu)可能由于隨著厚度增加使得穿過(guò)熱交換器壁的傳導(dǎo)損失越來(lái)越大，從而很快否定最初使用擴(kuò)展表面熱交換器的優(yōu)點(diǎn)。
[0077]所公開(kāi)的實(shí)施方案通過(guò)添加隨機(jī)或半隨機(jī)顆粒/纖維(諸如銅、鋁棉或燒結(jié)粉末)的高度導(dǎo)熱基質(zhì)材料來(lái)在標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)輸送管內(nèi)部提供顯著增加的表面面積與體積比，從而應(yīng)對(duì)管理熱虹吸管系統(tǒng)的蒸發(fā)器和/或冷凝器中的高熱通量狀況的問(wèn)題。材料的這種增強(qiáng)將會(huì)位于熱虹吸管的局部蒸發(fā)器區(qū)域或局部冷凝器區(qū)域中，但并不位于系統(tǒng)的對(duì)跖區(qū)域(例如，絕熱區(qū)域)中，這取決于吸熱或排熱的期望應(yīng)用。
[0078]所公開(kāi)的實(shí)施方案提供三種不同優(yōu)點(diǎn)。首先，所提供的額外表面面積將通過(guò)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(zhì))中的高效熱輸送。
[0079]其次，通過(guò)將隨機(jī)/半隨機(jī)纖維基質(zhì)材料的芯吸效應(yīng)孤立于局部蒸發(fā)器區(qū)域和/或局部冷凝器區(qū)域，這可保持熱虹吸管系統(tǒng)所提供的完整熱敏二極管效應(yīng)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(tǒng)熱量管道系統(tǒng)中所見(jiàn)的全長(zhǎng)芯吸結(jié)構(gòu)的能力。
[0080]第三，對(duì)已經(jīng)并入到熱虹吸管系統(tǒng)中的同一輸送管路的利用會(huì)最小化使用擴(kuò)展面積熱交換器所引起的額外費(fèi)用。另外，在一些實(shí)施方案中，在保持有簡(jiǎn)單的圓柱形幾何結(jié)構(gòu)中，所述系統(tǒng)可通過(guò)進(jìn)行非常小的修改來(lái)安全地處置非常高的系統(tǒng)壓力。
[0081]—種提供擴(kuò)展表面面積的方法是將高度傳導(dǎo)的隨機(jī)纖維或粉末基質(zhì)材料簡(jiǎn)單壓緊到預(yù)先限定的蒸發(fā)器區(qū)域和/或冷凝器區(qū)域中?？煽刂凭W(wǎng)格密度或孔隙度來(lái)提供足夠的表面面積與體積比，以便允許在給定熱負(fù)載的情況下具有最小損失，而同時(shí)最小化用來(lái)加大局部質(zhì)量并且因此加大熱輸送的局部蒸發(fā)器區(qū)域和/或冷凝器區(qū)域毛細(xì)力，所述毛細(xì)力可能潛在地降低系統(tǒng)級(jí)質(zhì)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(dǎo)熱材料篩網(wǎng)，所述篩網(wǎng)可以按照受控?cái)?shù)目進(jìn)行堆疊以便限定纖維介質(zhì)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(dǎo)管或路徑(借助幾何設(shè)計(jì)來(lái)提供)，從而使得所供應(yīng)的或返回的工作流體從輸送管路和關(guān)聯(lián)蒸發(fā)器或冷凝器穿行到高熱通量區(qū)域來(lái)進(jìn)行蒸發(fā)或冷凝。
[0083]對(duì)這些實(shí)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(xì)力在預(yù)先定義的高熱通量區(qū)域之外起主導(dǎo)作用。這允許熱虹吸管系統(tǒng)保留未增強(qiáng)熱虹吸管系統(tǒng)的完全熱敏二極管能力，同時(shí)仍允許在簡(jiǎn)化的幾何結(jié)構(gòu)和構(gòu)造材料的情況下具有高熱通量輸入。
[0084]本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本公開(kāi)的優(yōu)選實(shí)施方案的改進(jìn)和修改。所有此類(lèi)改進(jìn)和修改都視為處于本文所公開(kāi)的概念和隨附權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種熱虹吸管系統(tǒng)，其包括: 管路，其包括冷凝器區(qū)域、蒸發(fā)器區(qū)域和處于所述冷凝器區(qū)域與所述蒸發(fā)器區(qū)域之間的區(qū)域，所述管路可操作來(lái)容納熱輸送介質(zhì)并且可操作來(lái)根據(jù)熱虹吸管原理而在所述冷凝器區(qū)域與所述蒸發(fā)器區(qū)域之間提供所述熱輸送介質(zhì)的被動(dòng)兩相輸送;以及 導(dǎo)熱基質(zhì)材料，其容納在所述管路的所述冷凝器區(qū)域和所述蒸發(fā)器區(qū)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(qū)域與所述蒸發(fā)器區(qū)域之間的所述區(qū)域中，從而使得所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料在所述管路的所述冷凝器區(qū)域和所述蒸發(fā)器區(qū)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(quán)利要求1所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料包括隨機(jī)基質(zhì)結(jié)構(gòu)和半隨機(jī)基質(zhì)結(jié)構(gòu)中的至少一種。3.如權(quán)利要求1所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料包括非隨機(jī)基質(zhì)結(jié)構(gòu)。4.如權(quán)利要求1所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述熱輸送介質(zhì)是流體。5.如權(quán)利要求1所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料容納在所述管路的所述冷凝器區(qū)域的一部分和所述管路的所述蒸發(fā)器區(qū)域的一部分中的至少一個(gè)中。6.如權(quán)利要求1所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料容納在與所述管路的所述冷凝器區(qū)域共同延伸的區(qū)域以及與所述管路的所述蒸發(fā)器區(qū)域共同延伸的區(qū)域中的至少一個(gè)中。7.如權(quán)利要求1所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料包括多根纖維的網(wǎng)格，所述多根纖維包括隨機(jī)化直徑、隨機(jī)化長(zhǎng)度和隨機(jī)化空間方位中的至少一者。8.如權(quán)利要求7所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述網(wǎng)格包括孔隙度，所述孔隙度被預(yù)先確定以便基于由所述網(wǎng)格提供的增加的表面面積來(lái)最小化毛細(xì)力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的熱傳遞速率。9.如權(quán)利要求7所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述網(wǎng)格是可變形的。10.如權(quán)利要求1所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料包括導(dǎo)熱纖維和導(dǎo)熱顆粒中的至少一者。11.如權(quán)利要求10所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱纖維和所述導(dǎo)熱顆粒中的所述至少一者包括由以下物質(zhì)組成的群組中的至少一者:銅和鋁。12.如權(quán)利要求1所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料是燒結(jié)粉末。13.如權(quán)利要求12所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述燒結(jié)粉末包括某一密度，所述密度被預(yù)先確定以便基于由所述燒結(jié)粉末提供的增加的表面面積來(lái)最小化毛細(xì)力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的熱傳遞速率。14.如權(quán)利要求1所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料包括多個(gè)預(yù)制篩網(wǎng)的布置。15.如權(quán)利要求14所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述布置包括預(yù)定數(shù)目的所述多個(gè)預(yù)制篩網(wǎng)。16.如權(quán)利要求15所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述多個(gè)預(yù)制篩網(wǎng)的所述預(yù)定數(shù)目經(jīng)過(guò)確定以便基于由所述多個(gè)預(yù)制篩網(wǎng)提供的增加的表面面積來(lái)最小化毛細(xì)力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的熱傳遞速率。17.如權(quán)利要求14所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述多個(gè)預(yù)制篩網(wǎng)的所述布置堆疊在隨機(jī)化方位上。18.如權(quán)利要求1所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中，當(dāng)容納在所述管路的所述冷凝器區(qū)域和所述蒸發(fā)器區(qū)域中的所述至少一者中時(shí)，所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料形成的結(jié)構(gòu)是多孔結(jié)構(gòu)。19.如權(quán)利要求18所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料具有螺旋帶狀幾何結(jié)構(gòu)。20.如權(quán)利要求1所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料的熱導(dǎo)率等于或大于所述管路的熱導(dǎo)率。21.如權(quán)利要求1所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料容納在所述冷凝器區(qū)域中。22.如權(quán)利要求1所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料容納在所述蒸發(fā)器區(qū)域中。23.如權(quán)利要求1所述的熱虹吸管系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料容納在所述冷凝器區(qū)域中并且容納在所述蒸發(fā)器區(qū)域中。24.一種用于熱虹吸管系統(tǒng)的管路，其包括: 導(dǎo)熱基質(zhì)材料，其在所述管路的冷凝器區(qū)域和所述管路的蒸發(fā)器區(qū)域中的至少一個(gè)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(qū)域與所述蒸發(fā)器區(qū)域之間的區(qū)域中增加用于熱傳遞的表面面積， 所述管路可操作來(lái)容納熱輸送介質(zhì)，并且可操作來(lái)根據(jù)熱虹吸管原理而在所述冷凝器區(qū)域與所述蒸發(fā)器區(qū)域之間提供所述熱輸送介質(zhì)的被動(dòng)兩相輸送。25.如權(quán)利要求24所述的管路，其中所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料包括孔隙度，所述孔隙度被預(yù)先確定以便基于由所述導(dǎo)熱基質(zhì)材料提供的增加的表面面積來(lái)最小化毛細(xì)力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的熱傳遞速率。
【文檔編號(hào)】F28D15/02GK105940280SQ201580006301
【公開(kāi)日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2015年1月28日
【發(fā)明人】J.W.愛(ài)德華茲, R.B.艾倫, D.斯萬(wàn)
【申請(qǐng)人】弗諾尼克設(shè)備公司