一种无动力相变散热装置
阅读说明：本技术 一种无动力相变散热装置 (Unpowered phase change heat abstractor ) 是由 韩大峰 刘铁军 刘丹 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种无动力相变散热装置,包括散热器、汽化输送管道、冷凝器、冷凝回流管道形成循环通道,供内部的相变介质循环运动；散热器和冷凝器分别包括若干组并排布置的单向导通管路；每组单向导通管路包括至少三个首尾对接的特斯拉阀,特斯拉阀具有单向导通、反相阻挡的效果,相变介质只能单向运动。散热器吸收热源的热量,使其内部的液体汽化形成汽体,汽体经过汽化输送管道进入冷凝器,在冷凝器散发热量,汽体冷凝形成液体,冷凝的液体经过冷凝回流管道进入散热器；本发明利用相变介质的相态改变产生压强变化,使相变介质形成单向循环运动,不断地将散热器的热量向冷凝器输送,不需要借助其他的外部动力源,实现节能降噪。(The invention discloses an unpowered phase change heat dissipation device, which comprises a heat radiator, a vaporization conveying pipeline, a condenser and a condensation backflow pipeline, wherein a circulation channel is formed for the internal phase change medium to circularly move; the radiator and the condenser respectively comprise a plurality of groups of one-way conduction pipelines which are arranged side by side; each group of one-way conduction pipelines comprises at least three tesla valves which are butted end to end, the tesla valves have the effects of one-way conduction and reverse blocking, and the phase change medium can only move in one way. The radiator absorbs the heat of the heat source to vaporize the liquid in the radiator to form vapor, the vapor enters the condenser through the vaporization conveying pipeline, the heat is emitted in the condenser, the vapor is condensed to form liquid, and the condensed liquid enters the radiator through the condensation backflow pipeline; the invention utilizes the phase change of the phase change medium to generate pressure intensity change, so that the phase change medium forms unidirectional circulation motion, the heat of the radiator is continuously transmitted to the condenser, other external power sources are not needed, and energy conservation and noise reduction are realized.)
技术领域
本发明涉及制冷散热技术领域，更进一步涉及一种无动力相变散热装置。
背景技术
电子器件存在一定的工作温度范围，当产品温度超出电子器件的工作温度范围，将导致电子器件性能衰减，甚至失效。通常按照温度适应能力及可靠性将电子器件分四个级别：商业级为0℃～70℃；工业级为-40℃～85℃；车规级为-40℃～120℃；军工级为-55℃～150℃。
随着电子技术的不断发展，人们对计算能力的需求也越来越高。而对于电子产品，更高的运算速度也就意味着更多的散热需求，现有的电子产品散热方式分以下几种：
自然散热：对于自身发热量不大、所处工作环境温度不高的电子产品，通常只需要自然散热方式，通过电子器件本身和周围环境的热交换，就能保障电子器件始终工作在正常的温度范围内，不需要单独的配备散热装置。自然散热的散热能力不足，只能满足普通低功耗的电子产品的散热需求。
风冷散热：通常是将散热片安装在发热器件上，通过气流循环，带走由发热器件传导至散热片上的热量，达到为器件降温的目的。风冷装置还可以加装风扇，以便加快气流循环，能更快地带走热量。风冷散热需要产品内部设计风道，并保障风道的空间充足和风流顺畅；外加的风扇会有噪声，转动部件寿命有限，防尘、防水设计困难等缺点。
液冷散热：液冷散热又分为普通的液冷散热和普通的相变液冷散热。
普通的液冷散热：和风冷散热方式相似，是由散热器、冷却器、管道和液泵组成密闭的循环系统，液泵带动散热液(通常是水或比热较大的油类)流过散热器内部，从而带走由发热器件传导至散热片的热量，达到为器件降温的目的；散热液再继续流过冷却器冷却，流回散热器，从而不断地循环，带走电子器件散热的热量。普通的液冷散热需要液泵，属于转动部件，寿命有限；散热液没有发生相变，只是吸收热量并带走，散热效率不高。
普通的相变液冷散热：在密闭的空间里将电子产品主板整体浸没在绝缘的制冷液中。这种绝缘制冷液的沸点刚好是在电子器件的正常工作温度范围内。当电子器件发热时，制冷液吸收热量达到沸点，汽化的制冷液气体上升到密闭空间顶部受冷(密闭空间顶部为环境温度或有单独的冷凝装置)重新变成液体落回底部，因此电子器件的最高温度将始终不大于制冷液体的沸点温度。普通的相变液冷散热方案存在对机箱密闭设计要求高、体积大、制冷液需求量大、成本非常高、维护不方便等缺点。
目前主流的散热方式需要借助动力设备驱动散热介质循环，对于本领域的技术人员来说，如何在不借助外部动力的情况下实现介质传递，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种无动力相变散热装置，不借助其他的外部动力使相变介质循环运动实现冷却散热，具体方案如下：
一种无动力相变散热装置，包括散热器和冷凝器，所述散热器和所述冷凝器之间设置汽化输送管道和冷凝回流管道；
所述散热器和所述冷凝器分别包括若干组并排布置的单向导通管路；每组所述单向导通管路包括至少三个首尾对接的特斯拉阀；
所述散热器用于吸收热源的热量，使其内部的相变介质汽化形成汽体，汽体经过所述汽化输送管道进入所述冷凝器，在所述冷凝器散发热量，汽体冷凝形成液体，冷凝的液体经过所述冷凝回流管道进入所述散热器。
可选地，所述单向导通管路为壳形管道，内壁和外壁的形状相同。
可选地，所述散热器和所述冷凝器为金属长方体，所述单向导通管路为内部挖空的通道。
可选地，所述单向导通管路相邻的两个所述特斯拉阀之间平行共面或者相互垂直交叉。
可选地，所述散热器和所述冷凝器由铜或铝制成。
可选地，所述散热器和所述冷凝器的外表面设置散热翅片。
可选地，所述相变介质为电子氟化液。
本发明提供一种无动力相变散热装置，包括散热器、汽化输送管道、冷凝器、冷凝回流管道形成循环通道，供内部的相变介质循环运动；散热器和冷凝器分别包括若干组并排布置的单向导通管路；每组单向导通管路包括至少三个首尾对接的特斯拉阀，特斯拉阀具有单向导通、反向阻挡的效果，相变介质只能单向运动。散热器吸收热源的热量，使其内部的液体汽化形成汽体，汽体经过汽化输送管道进入冷凝器，在冷凝器散发热量，汽体冷凝形成液体，冷凝的液体经过冷凝回流管道进入散热器；本发明利用相变介质的相态改变产生压强变化，使相变介质形成单向循环运动，不断地将散热器的热量向冷凝器输送，不需要借助其他的外部动力源，实现节能降噪。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的无动力相变散热装置的整体结构图；
图2为一组单向导通管路的结构示意图；
图3为单个特斯拉阀的结构示意图；
图4为内部的介质沿导通方向运动的示意图；
图5为内部的介质沿截止方向运动的示意图。
图中包括：
散热器1、冷凝器2、汽化输送管道3、冷凝回流管道4、特斯拉阀5。
具体实施方式
本发明的核心在于提供一种无动力相变散热装置，不借助其他的外部动力使相变介质循环运动实现冷却散热。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本发明的无动力相变散热装置进行详细的介绍说明。
如图1所示，为本发明提供的无动力相变散热装置的整体结构图，图中的箭头表示相变介质的流动方向；该无动力相变散热装置包括散热器1、冷凝器2、汽化输送管道3和冷凝回流管道4等结构，各部件相互连通，工作时保持密封，在其内部填充相变介质，利用相变介质转移热量。
散热器1和冷凝器2之间设置汽化输送管道3和冷凝回流管道4，按照相变介质的流动方案依次为散热器1、汽化输送管道3、冷凝器2、冷凝回流管道4；散热器1设置于发热部件位置，用于吸收热量，冷凝器2用于向系统外散发热量。
结合图1所示，本发明的散热器1和冷凝器2分别包括若干组并排布置的单向导通管路，每组单向导通管路包括至少三个首尾对接的特斯拉阀5；如图2所示，为一组单向导通管路的结构示意图，图中的箭头表示相变介质的流动方向；单向导通管路只允许相变介质沿一个方向运动，也即图2中从左向右运动，相变介质无法沿相反的方向运动。
特斯拉阀门是一种固定几何形状的被动单向导通阀，可以使流体单向流通，因其具有固定的几何外形，以此来弥补传统阀门因需要可移动部件而容易损坏的缺点，其可代替可动阀。由于流体具有惯性，在不同方向通过阀门时，流阻不同，从而实现单向流通，将这一组合通道称为“特斯拉阀门”。
图3为单个特斯拉阀5的结构示意图；结合图4和图5对特斯拉阀门的原理进行说明，图4为内部的介质沿导通方向运动的示意图；
图5为内部的介质沿截止方向运动的示意图。
结合图4，当流体正向通过特斯拉阀门时，即流体从特斯拉阀门左侧流入、右侧流出，流体在A处分离，一部分流体通过A到B之间的直线路径到达B处，另一部分流体通过A到B之间的圆弧路径到达B处；沿直线路径和圆弧路径流动的两股流体在B点相遇，流动方向的夹角为锐角，流向基本相同，因此会汇合在一起形成一股流体，并顺利地从特斯拉阀门的右侧流出。
结合图5，当流体反向通过特斯拉阀门时，即流体从特斯拉阀门右侧流入，流体在B处分离，一部分流体通过B到A之间的圆弧路径到达A处，剩余的另一部分流体则通过A到B之间的直线路径到达A处，两股流体在A点相遇，沿圆弧路径流动的液体具有朝向右侧的分量，两股流体质量相近、流向几乎相反，会相互抵消动能，因此绝大部分流体都将无法从特斯拉阀门的左侧流出，仅有少量能够从左侧流出。
单个特斯拉阀门无法实现完全单向截止，但多个特斯拉阀门串联后则具备良好的单向截止性能，因此每个单向导通管路包括三个以上首尾对接的特斯拉阀5，以保证单向导通截止的性能。多个单向导通管路相互排列并联，形成散热器1和冷凝器2。散热器1当中的各个单向导通管路包含的特斯拉阀5的数量相等，冷凝器2当中的各个单向导通管路包含的特斯拉阀5的数量相等，以保证每组单向导通管路具有相同的通过能力。
散热器1包含的各个单向导通管路的导通方向相同，冷凝器2包含的各个单向导通管路的导通方向相同，合理地布置导通方向，使内部的介质沿散热器1、汽化输送管道3、冷凝器2、冷凝回流管道4的方向流动。
散热器1当中的各个单向导通管路的出口端对接导通于汽化输送管道3，冷凝器2当中的各个单向导通管路的入口端对接导通于汽化输送管道3，冷凝器2当中的各个单向导通管路的出口端对接导通于冷凝回流管道4，散热器1当中的各个单向导通管路的入口端对接导通于冷凝回流管道4。
散热器1靠近发热元件，散热器1用于吸收热源的热量，使其内部的相变介质汽化形成汽体，汽化后介质的体积增大，散热器1内的压强增大形成高压区，而散热器1仅允许介质单向流动，高压区的散热器1中的汽体介质不断经过汽化输送管道3进入冷凝器2；在冷凝器2散发热量，汽体冷凝形成液体，介质冷凝后体积减小，压强降低形成低压区，而冷凝器2只单向导通，无法反向回流，因此冷凝液化后的液体介质经过冷凝回流管道4进入散热器1，重新进行新一轮的循环。
本发明的无动力相变散热装置采用若干个特斯拉阀5串联形成单向导通管路，多个单向导通管路并排连接形成散热器1和冷凝器2，利用单向导通的特性，使相变介质在内部沿单向循环流动，在散热器1中吸热，在冷凝器2中放热，将热量源源不断地吸收并排出，达到冷却降温的效果。
特斯拉阀门除了有流体单向导通的优点外，还有另一个优点就是因其内部几何结构相对复杂，因此相变介质流过特斯拉阀门时有更多的接触面积充分接触其内壁，从而大大提高了特斯拉阀门散热器的吸热效率和特斯拉阀门冷凝器的放热效率。
并且由于散热器1、汽化输送管道3、冷凝器2、冷凝回流管道4内部不设置活动部件，能够最大程度地降低损坏的概率。
在上述方案的基础上，本发明的单向导通管路提供两种具体的结构形式：第一种、单向导通管路为壳形管道，内壁和外壁的形状相同，各个特斯拉阀5为薄壳结构，内壁的表面积与外壁的表面积大致相等。
第二种、散热器1和冷凝器2为金属长方体块状结构，单向导通管路为内部挖空的通道，具有较大的壁厚。
采用上述两种设置形式均可。
在上述任一技术方案及其相互组合的基础上，本发明的单向导通管路相邻的两个特斯拉阀5之间平行共面或者相互垂直交叉；图2所示的结构中，各个特斯拉阀5之间平行共面。由于单个特斯拉阀5的管道共面，因此除了此种方式之外，还可以将相邻的特斯拉阀5之间设置为具有一定的夹角，这些具体的设置形式都应包含在本发明的保护范围之内。平面和交叉的方式可以任意排列组合。
具体地，本发明的散热器1和冷凝器2由铜或铝制成，若采用上述第一种形式，则采用铜或铝制成薄壳管道结构；若采用上述第二种形式，则采用铜或铝制成方块实体，内部挖空形成管路。
优选地，可以在散热器1和冷凝器2的外表面设置散热翅片，加速外界的热量与内部的相变介质之间的热传递效率。
具体地，本发明采用的相变介质为电子氟化液。以3M公司的Novec 7100电子氟化液为例，该氟化液具有绝缘特性，沸点约为61℃，是普通相变液冷散热方案中常用的制冷液之一，目前3M等公司提供了不同成分组合、具有不同沸点特性的多种制冷液产品供选择。
本发明可以采用Novec 7100电子氟化液作为相变制冷液，产品工作温度将始终不高于61℃。
相对于普通相变液冷散热方案，本发明是在相对狭小的密闭空间内(散热器、冷凝器和管道内)使用该制冷液，因此对制冷液量的需求远小于普通相变液冷散热方案。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。