CN100386588C

CN100386588C - 两相毛细泵环路复合毛细芯及其制备方法

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Publication number: CN100386588C
Application number: CNB2004101030689A
Authority: CN
Inventors: 李强; 宣益民
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2004-12-30
Filing date: 2004-12-30
Publication date: 2008-05-07
Anticipated expiration: 2024-12-30
Also published as: CN1796916A

Abstract

本发明涉及一种两相毛细泵环路复合毛细芯及其制备方法。复合毛细芯包括一大孔径的内芯，内芯外侧设置小孔径外芯，其制备方法为：先制备石膏模小圆筒、大圆筒、底座；将低导热系数大粒径金属或陶瓷粉末与水混合，添加粘结剂，除气剂制成浆料，倒入小圆筒、底座和不锈钢杆组成的模型中，静置、干燥，制得内芯烧结型坯；再将高导热系数小粒径金属粉末与水混合，添加粘结剂和除气剂，制成浆料，倒入底座、大圆筒、内芯和不锈钢杆组成的模型中，静置、干燥，得外芯烧结型坯；脱模、烧结制成复合结构毛细芯。本发明的复合结构毛细芯的渗透率大大增加，可研制高效CPL，满足高传热负荷、长输送距离的CPL热控制要求，可应用于航空、航天等热控领域。

Description

两相毛细泵环路复合毛细芯及其制备方法

一技术领域

本发明涉及一种高效相变传热装置，特别是一种两相毛细泵环路复合毛细芯及其制备方法。

二背景技术

两相毛细泵回路(Capillary pumped loop，简称CPL)是一种高效相变传热装置。CPL具有传输距离远、传热功率大、高传导性、高等温性、高可靠性、易于控制等优点，可广泛应用于卫星、航天器热控系统及电子元件冷却领域。CPL的关键部件是蒸发器中的毛细芯，热量由壳体的内壁传给毛细芯中的液态工质，并在其内部或表面上发生蒸发相变过程，形成汽液分界的弯月面，产生毛细抽吸力，从而推动工质在整个环路中的循环，达到热量输送的目的，因此毛细芯的结构直接决定了蒸发器的性能，毛细芯的性能是影响CPL整体性能的关键所在。

俄罗斯科学院热物理研究所的研究小组研制了目前世界上性能较为先进的镍、钛、不锈钢烧结毛细芯，其孔径大小为0.7～3微米，孔隙率达到65％～75％，渗透率在10^-14m²左右。毛细芯的性能主要表现在蒸发器的传热性能和输出压头两个方面：1、毛细芯有效导热系数主要受芯体材料属性影响，过高或过低的导热系数对CPL运行均会产生不利影响，毛细芯芯体导热系数过小会影响能量传递过程，导致蒸发器能量传递效率降低，影响CPL的启动与运行；芯体导热系数过大又会使汽液界面向液体侧偏移，严重时甚至会在蒸发器液体通道内产生气泡，阻塞液体充灌，使蒸发器失效；2、蒸发器输出压头的产生源于在毛细芯中或其表面上伴随蒸发过程产生的毛细抽吸力，此时所对应的毛细芯有效毛细孔径及渗透率起着决定性的作用，有效毛细孔径越小，毛细抽力越大，但过小的毛细芯有效毛细孔径会引起毛细芯的渗透率剧烈下降，导致工质在芯内流动阻力增大，反过来又会降低蒸发器的输出压头。从以上分析可以看出，要进一步提高毛细芯性能，使得毛细芯同时具备大毛细抽力、小阻力以及适中的导热系数，单纯采用一种材料去制备具有单一孔径范围的单一结构毛细芯，难以满足上述要求。

三发明内容

本发明的目的在于提供一种满足高传热负荷、长输送距离的复合结构的两相毛细泵环路复合毛细芯及其制备方法。

实现本发明目的的技术方案是：一种两相毛细泵环路复合毛细芯，其特征在于：它包括一大孔径的内芯，内芯外侧设置小孔径外芯。

本发明的两相毛细泵环路复合毛细芯内芯孔径大于10μm，孔径小于3μm。

一种上述两相毛细泵环路复合毛细芯的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：

1、制备石膏模：将熟石膏、水混合搅拌成石膏浆，加少量尿素作为除泡剂搅拌后倒入预先加工的金属母模具内凝固后，拆去母模具烘干制得石膏模小圆筒、大圆筒、底座；

2、制备内层毛细芯烧结型坯：将粒径为20--70微米的低导热系数大粒径金属或陶瓷粉末与水混合，然后添加聚乙烯醇和藻肮酸钠作为粘结剂，添加正辛醇作为除气剂，制成浆料，倒入小圆筒、底座和不锈钢杆组成的模型中，静置后放入烘箱，在40--60℃干燥7-8小时后，即制得内芯烧结成型坯；

3、制备外层毛细芯烧结型坯：将粒径为0.5--3微米的高导热系数小粒径镍粉粉末与水混合，然后添加聚乙烯醇和藻肮酸钠作为粘结剂，添加正辛醇作为除气剂，制成浆料，倒入底座、大圆筒、内芯和不锈钢杆组成的模型中，静置后放入烘箱，在40--60℃干燥7-8小时后，外芯烧结成型坯；

4、脱模：脱去底座、大圆筒和不锈钢杆，即制备成复合结构毛细芯烧结型坯，然后将复合结构毛细芯烧结型坯在烧结炉中烧结，控制烧结温度与烧结时间在750℃、20分钟，制成复合结构毛细芯。

本发明的两相毛细泵环路复合毛细芯，其外层采用导热性能良好的小粒径金属粉末(如镍粉、钛粉等)，以得到有效毛细孔径小、毛细孔分布均匀的结构，达到产生大毛细抽力、与蒸发器壳体换热良好的目的。毛细芯内层采用导热性能较差的大粒径金属粉末或陶瓷粉末，得到有效毛细孔径大的多孔结构，以减少蒸发表面向毛细芯内部的传热，防止芯体内部液体因局部过热而产生气泡，阻塞流体通道，导致毛细芯失效，同时减小液态工质的流动阻力，最大限度的提高毛细芯的性能。

本发明采用多层复合结构，与蒸发器壳体相接触的外层材料采用导热性能良好、粒径小的高导热系数小粒径金属粉末，获得有效毛细孔径小、毛细孔分布均匀、有效导热系数较高的多孔结构，为CPL提供大的毛细抽力；而毛细芯内层采用导热性能较差、粒径较大的低导热系数大粒径金属或陶瓷粉末，获得有效毛细孔径大、毛细孔分布均匀、有效导热系数小的多孔结构，以减少蒸发表面向毛细芯内部的传热，防止芯体内部液体因局部过热而产生气泡，阻塞流体通道，甚至导致毛细芯局部烧干。同时由于毛细芯内层的有效毛细孔径较大，可以减小液态工质的流动阻力，最大限度的提高毛细芯性能。与单一结构毛细芯相比，复合结构毛细芯在毛细抽力、渗透率、运行稳定性等关键技术指标上将有大的提高，可以满足目前急需的高传热负荷、长输送距离的CPL技术要求。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：复合结构毛细芯的孔隙率为65.7％，外芯孔径小于3μm，与2.6μm镍粉单一结构毛细芯无区别，未增大有效孔径，可以获得大的毛细抽力；内芯孔径在10μm以上，可以提供较大的液体流动通道，降低工质流动阻力，达到设计预想。毛细芯渗透率实验测试结果表明，复合结构毛细芯的渗透率大大增加，比相同烧结参数条件下研制的单一结构毛细芯增大了5倍以上。本发明可以应用于航空、航天、电子等热控领域，研制高效CPL，满足高传热负荷、长输送距离的CPL热控制要求，应用前景广泛。

四附图说明

图1是本发明的两相毛细泵环路的结构示意图。

图2是本发明的两相毛细泵环路复合毛细芯的制备工艺流程图。

图3是本发明的两相毛细泵环路复合毛细芯的内芯制备示意图。

图4是本发明的的外芯制备示意图。

五具体实施方式

结合图1，两相毛细泵环路中中心处为液体通道7，固体壁面10与液体通道之间设置内层毛细芯8和外层毛细芯9构成的复合体，固体壁面10中间设置蒸汽通道11，热流12位于固体壁面10外侧。

结合图2、图3、图4，本发明的两相毛细泵环路复合毛细芯的制备步聚为：

1、制备石膏模。将熟石膏、水按1.5∶1混合搅拌成石膏浆，加1％的尿素作为除泡剂搅拌后倒入预先加工的金属母模具内凝固，待20分钟后，拆去母模具烘干制得石膏模小圆筒1、大圆筒3、底座2；

2、制备内层毛细芯烧结型坯。将粒径为200目的不锈钢粉与水按1.5∶1混合，然后添加3％聚乙烯醇和0.5％藻肮酸钠作为粘结剂和分散剂，添加0.5％的正辛醇作为除气剂，制成浆料。倒入石膏模小圆筒1、底座2和不锈钢杆5组成的模型中，不锈钢杆垂直设置于圆筒的中心，静置10小时后，放入烘箱，在50℃左右干燥7-8小时后，即制得内芯4烧结成型坯；

3、制备外层毛细芯烧结型坯。将粒径为2.6微米的镍粉与水按1.5∶1混合，然后添加3％聚乙烯醇和0.5％藻肮酸钠作为粘结剂和分散剂，添加0.5％的正辛醇作为除气剂，制成浆料，倒入底座2、大圆筒3、内芯4和不锈钢杆5组成的模型中，静置10小时后，放入烘箱，在50℃左右干燥7-8小时后，外芯6烧结成型坯。

脱去石膏模底座2、大圆筒3和不锈钢杆5，即制备成复合结构毛细芯烧结型坯。然后将复合结构毛细芯烧结型坯在烧结炉中烧结，控制烧结温度与烧结时间在750℃、20分钟，制成复合结构毛细芯。

Claims

1.一种两相毛细泵环路复合毛细芯，其特征在于：它包括一大孔径的内芯，内芯外侧设置小孔径外芯。

2.根据权利要求1所述的两相毛细泵环路复合毛细芯，其特征在于：内芯孔径大于10μm，孔径小于3μm。

3.一种两相毛细泵环路复合毛细芯的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：

3.1制备石膏模：将熟石膏、水混合搅拌成石膏浆，加少量尿素作为除泡剂搅拌后倒入预先加工的金属母模具内凝固后，拆去母模具烘干制得石膏模小圆筒[1]、大圆筒[3]、底座[2]；

3.2制备内层毛细芯烧结型坯：将粒径为20--70微米的低导热系数大粒径金属或陶瓷粉末与水混合，然后添加聚乙烯醇和藻肮酸钠作为粘结剂，添加正辛醇作为除气剂，制成浆料，倒入小圆筒[1]、底座[2]和不锈钢杆[5]组成的模型中，静置后放入烘箱，在40--60℃干燥7-8小时后，即制得内芯[4]烧结成型坯；

3.3制备外层毛细芯烧结型坯：将粒径为0.5--3微米的高导热系数小粒径镍粉粉末与水混合，然后添加聚乙烯醇和藻肮酸钠作为粘结剂，添加正辛醇作为除气剂，制成浆料，倒入底座[2]、大圆筒[3]、内芯[4]和不锈钢杆[5]组成的模型中，静置后放入烘箱，在40--60℃干燥7-8小时后，外芯[6]烧结成型坯；

3.4脱模：脱去底座[2]、大圆筒[3]和不锈钢杆[5]，即制备成复合结构毛细芯烧结型坯，然后将复合结构毛细芯烧结型坯在烧结炉中烧结，控制烧结温度与烧结时间在750℃、20分钟，制成复合结构毛细芯。

4.根据权利要求3所述的两相毛细泵环路复合毛细芯的制备方法，其特征在于：制备内层毛细芯烧结型坯时，将粒径为200目的不锈钢粉与水按1.5∶1混合，然后添加3％聚乙烯醇和0.5％藻肮酸钠作为粘结剂，添加0.5％的正辛醇作为除气剂，制成浆料，倒入小圆筒[1]、底座[2]和不锈钢杆[5]组成的模型中，静置10小时后，放入烘箱，在50℃左右干燥7-8小时后，即制得内芯烧结型坯[4]。

5.根据权利要求3所述的两相毛细泵环路复合毛细芯的制备方法，其特征在于：将粒径为0.5--3微米的高导热系数小粒径镍粉与水按1.5∶1混合，然后添加3％聚乙烯醇和0.5％藻肮酸钠作为粘结剂，添加0.5％的正辛醇作为除气剂，制成浆料，倒入底座[2]、大圆筒[3]、内芯[4]和不锈钢杆[5]组成的模型中，静置10小时后，放入烘箱，在50℃左右干燥7-8小时后，外芯[6]烧结成型坯。