CN102065984B - 高性能吸液芯 - Google Patents

Abstract

一种吸液装置包括：复合冷凝器膜，所述复合冷凝器膜包括基材层、蒸汽入口端、液体排出端、设置在所述基材层中并将所述蒸汽入口端流体耦接到所述液体排出端的多个腔体、和设置在所述多个腔体中的纳米孔填料。所述纳米孔填料具有多个第一开放孔，所述第一开放孔的最大直径处于0.2到200纳米范围内。所述液体导管的第一端流体耦接到所述复合冷凝器膜的所述液体排出端。所述吸液装置进一步包括复合蒸发器膜，所述复合蒸发器膜包括基材层、液体入口端、蒸汽排出端、设置在所述基材层中并将所述液体入口端流体耦接到所述液体导管的所述第二端的多个腔体；和设置在所述多个腔体中的纳米孔填料。

Description

高性能吸液芯

技术领域

本发明一般涉及液体吸液芯领域，更具体地说，涉及能在较大负压下泵送液体的微流体吸液芯。

背景技术

应用于飞行器以及其他动态环境中的热传递系统设计方案对重量、形状系数、操作条件宽度以及操作稳定性具有严格限制。基于对流热传递的传统热交换器在这些应用中面临众多挑战：需要专用的有源泵来驱动流动；因固有的显热交换效率不良而需要大量的工作流体；和需要较大的温度差来驱动有效的传递率。

热管是传统热交换器的具有吸引力的替代品。通过蒸发和冷凝工作流体，热管采用蒸发冷却来从热源向散热器传递热能。较之显热冷却(例如，循环冷却剂回路)除去的等体积液体的热能，蒸发冷却有能力除去高达10倍的热能。常用热管包括含有一定量工作流体的密封管和沿着所述管的内壁布置的毛细管吸液芯。由于热管的一端暴露于热源，所以该端部内的工作流体从热源吸收热能并蒸发，升高该管件内的局部蒸汽压力。工作流体蒸发所吸收的蒸发潜热降低了该管热端的温度。该管热源一侧的工作流体上的蒸汽压力高于该管较冷一端的冷凝工作流体上的平衡蒸汽压力，并且这种压力差将向冷凝端驱动迅速的质量传递，过多的蒸汽在冷凝端冷凝，释放其潜热并使该管的较冷端暖热。冷凝的工作流体现在是液体，将借助毛细管吸液芯转移回到热源。

热管制造领域最近的发展已经为非常小的应用场合，诸如用于冷却微电子件，带来了微流体热管。轻薄、平坦的热管已经出现，作为冷却电路板、便携式电脑或者其他高度受限的应用的先进技术。在一种示例中，微流体热管结构利用传统微晶片制造技术蚀刻到硅晶片中。蚀刻到该结构中的毛细管道利用吸液材料进行扩充，从而提供使冷凝的工作流体返回蒸发器的方法。

其他热管结构包括设置在蒸发器的液体/蒸汽界面之间的多孔性阀金属。多孔性阀，通常以烧结的粉末金属制成，具有填隙空位，随着工作流体蒸发，所述添隙空位用作毛细管来吸引工作流体通过所述多孔性金属。

热管设计者所面临的主要挑战之一是保证吸液芯提供从冷凝器区域到蒸发器区域的正向液体流。吸液芯的泵送能力受到高度(抵抗重力的操作)和长度(质量流阻)的不利影响。必须对经由蒸发冷却所除去的热量以及保证工作流体充足地供应给出仔细的设计考虑，以实现除热效果。在微流体热管应用中，毛细管道和吸液结构通常用于实现这一目的。但是，吸液结构必须产生足够的毛细管力以保证正向液体流。

目前热管中发现的一个缺点是毛细管或者吸液材料中的毛细管吸液力并不能总是充分地克服可以引入所述系统中的动态力。目前的吸液芯仅产生一个不到一个大气压(＜1atm)的泵送压力。这种小的压力差容易被重力或惯性力(例如，沿着吸液芯轴线的加速度)所压制。在存在这些外力的情况下，热管容易因蒸发器干烧而失效。例如，航天应用中的热管结构的设计方案特别具有挑战性。对于合适的热能差，蒸发器和冷凝器部分可能需要隔开超过1米。此外，飞行器可能产生超过重力3倍的动态加速度力(3g)。在极端情况下，诸如在航天器在太空边缘或接近太空边缘航行时，动态载荷可能高达重力的10倍(10g)。在这些情况下，要求吸液结构克服超过1个大气压(0.1兆帕)的压位差。现在并不存在能产生足够的吸液力以克服该量值的静态和动态载荷的已知吸液结构。

发明内容

因此，在这种背景下，本发明的目的是提供一种通过在大负压下操作而克服外界影响诸如重力、惯性力以及粘性流动阻力的吸液装置。简单地说，一种吸液装置包括复合冷凝器膜，所述复合冷凝器膜包括基材层、蒸汽入口端、液体排出端、设置在所述基材层中并将所述蒸汽入口端流体耦接到所述液体排出端的多个腔体、和设置在所述多个腔体中的纳米孔填料。所述纳米孔填料具有多个第一开放孔，所述第一开放孔的最大直径处于0.2到200纳米范围内。所述吸液装置进一步包括具有第一端和第二端的液体导管。所述液体导管的所述第一端流体耦接到所述复合冷凝器膜的所述液体排出端。所述吸液装置进一步包括复合蒸发器膜，所述复合蒸发器膜包括基材层、液体入口端、蒸汽排出端、设置在所述基材层中并将所述液体入口端流体耦接到所述液体导管的所述第二端的多个腔体、和设置在所述多个腔体中的纳米孔填料。所述纳米孔填料具有多个第二开放孔，所述第二开放孔的最大直径处于0.2到200纳米范围内。

根据本发明的实施方式，提供一种吸液装置，其中所述复合冷凝器膜的所述基材层和所述复合蒸发器膜的所述基材层中的至少一个是多孔性的。

根据本发明的实施方式，提供一种吸液装置，其中所述多孔性的基材层包括单晶多孔硅。

根据本发明的实施方式，设置在至少所述复合蒸发器膜的腔体内的所述纳米孔填料包括分子凝胶。

根据本发明的实施方式，设置在至少所述复合蒸发器膜的腔体中的所述分子凝胶是溶胶-凝胶。

根据本发明的实施方式，设置在至少所述复合蒸发器膜的腔体中的所述分子凝胶是水凝胶。

根据本发明的另一种实施方式，用于毛细管吸液芯的复合膜包括基材层，所述基材层具有液体端、蒸汽端、和将所述液体端流体耦接到所述蒸汽端的多个腔体。具有多个开放孔的填料设置在所述多个腔体中。所述孔的最大直径处于0.2到100纳米范围内。

根据本发明的实施方式，所述多个孔的最大直径处于1到10纳米范围内。

根据本发明的实施方式，所述填料是溶胶-凝胶。

根据本发明另一种实施方式，一种操作热管的方法，所述热管包括冷凝器、复合蒸发器膜、将所述冷凝器流体耦接到所述复合蒸发器膜的液体导管和将所述复合蒸发器膜流体耦接到所述冷凝器的蒸汽导管，所述方法包括步骤：紧邻所述复合蒸发器膜提供热源；紧邻所述冷凝器提供散热器；在所述复合蒸发器膜中提供多个开放孔，其中所述孔的最大直径处于0.2到100纳米范围内；在所述液体导管内提供工作流体；和将所述液体导管内的工作流体压力保持在小于-0.01兆帕。

根据本发明的另一种实施方式，操作热管的方法进一步包括步骤：在供给不足的范围内操作所述热管。

根据本发明的另一种实施方式，操作热管的方法包括：将所述液体导管内的工作流体压力保持在小于-1.0兆帕。

附图说明

作为本发明优选实施方式的特性的新颖特征在权利要求书中具体阐述。参照结合附图所作的以下描述，将从本发明的组织以及操作方法方面，最为清楚地理解本发明本身，在附图中：

图1A示出了热管的简化横截面视图；

图1B是图1A所示热管的压力分布曲线；

图2示出了根据本发明的实施方式的吸液装置的俯视示意图；

图3示出了图2所示吸液装置的横截面视图；

图4示出了图3所示复合膜的一种实施方式的透视横截面图；

图5示出了图3所示复合膜的第二实施方式的透视横截面图；

图6示出了图3所示复合膜的第三实施方式的透视横截面图；

图7示出了根据本发明实施方式的热管的横截面图；

图8示出了图3所示复合膜的横截面视图；

图9示出了图8的蒸汽挡块格构的俯视图；和

图10示出了图2所示液体导管的俯视图。

具体实施方式

传统的热管包括由导热性高的材料形成的机械方面牢固的壳体；蒸汽导管，蒸汽经过所述蒸汽导管从蒸发器流向冷凝器；和吸液芯，液体通过吸液芯流回蒸发器。吸液芯的设计存在若干约束。首先，吸液芯必须设计成对液体流具有低的水力阻力。第二，吸液芯必须有能力在液体中产生大的毛细应力，以便将液体从冷凝器牵引到蒸发器。第三，吸液芯必须具有高的导热性，以便将热量有效地送往蒸发区域的蒸发表面。

满足这些要求的一种设计方案是用耦接到液体导管的微孔膜蒸发器构造吸液芯。而所述导管又耦接到液体容器。在这种结构中，随着工作流体通过所述膜中的孔蒸发，工作流体被毛细作用通过液体导管牵引。通过进一步包括蒸汽导管和冷凝器，可以从这种结构构造环形热管。所述蒸汽导管将蒸发器的蒸汽耦接到冷凝器的入口，并且冷凝器的液体侧耦接到所述液体导管。参照附图中的图1A，例示了吸液装置1的简化示意图，所述吸液装置包括微孔膜。吸液装置1包括耦接到填充液体的导管4的两个微孔膜2、3。在该简化示例中，第一微孔膜2用作蒸发器，而第二微孔膜3用作冷凝器。工作流体5诸如水设置在导管4中。耦接到蒸发器膜2的热源6导致工作流体5发生汽化。耦接到冷凝器膜3的散热器7将工作流体5从蒸汽冷凝为液体。工作流体5经过导管4的流动受到水力阻力R_wick和加速度g的阻碍。

根据杨氏-拉普拉斯(Young-Laplace)方程，微孔膜2、3中的最大毛细压力由孔径设定：

${\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{cap}}^{\max }=P_{\mathrm{vap}}-P_{\mathrm{liq}}=\frac{4\mathrm{\γ}{\cos \mathrm{\θ}}_r}{d_p^{\max }}.---\left(1\right)$

其中P_vap和P_liq是孔上方的蒸汽和孔中液体的压力，γ[N/m]是表面张力，而θ_r是孔中的后退接触角(浸润特性)。

经过热管1的热传输率q可以表示为q＝-q_cond＝q_evap[W]。忽略热量泄漏，热传输率和质量传输率之间的关系可以表示为：

$q=\stackrel{\·}{M}\mathrm{\λ}=\left[\frac{(P_{\mathrm{liq}}^{\mathrm{cond}}-P_{\mathrm{liq}}^{\mathrm{evap}})-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{liq}}\mathrm{gL}}{R_{\mathrm{wick}}}\right]\mathrm{\λ}.---\left(2\right)$

其中是质量流率，λ[J/kg]是蒸发潜热，和是冷凝器和蒸发器中的工作流体5的压力，ρ_liq[kg/m³]是液体的密度，g[m/s²]是重力加速度和动态加速度之和，而L[m]是导管4的长度。对方程(1)求解热管1中的液体相的压力降低的根源可以表示为：

$P_{\mathrm{liq}}^{\mathrm{evap}}=P_{\mathrm{liq}}^{\mathrm{cond}}-(\frac{R_{\mathrm{wick}}q}{\mathrm{\λ}}+{\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{gL}).---\left(3\right)$

方程3预示着，随着q、g、L或者R_wick增大，蒸发器中的液体相的压力将不可避免地下降并最终变成负值：抵抗重力和不利加速度操作的长热管将需要能够在负压下操作；蒸发器中的孔必须足够小，以保持这种条件

求解冷凝器表面处的液体相和蒸汽相之间的工作流体5的局部热力学平衡的条件给出：

$P_{\mathrm{liq}}^{\mathrm{cond}}=P_{\mathrm{vap}}^{\mathrm{cond}}+\frac{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{cond}}}{\stackrel{\‾}{v}}\ln \left[\frac{p_{\mathrm{vap}}^{\mathrm{cond}}}{P_{\mathrm{sat}}\left(T_{\mathrm{cond}}\right)}\right]---\left(4\right)$

其中是冷凝器腔体中蒸汽的总压力，R[J/mole℃]是气体常数，而是工作流体5的摩尔体积。方程4预示着，即便对于程度最轻微的亚饱和，也将变为负值，因为对于室温下的水来说，大气压，并且对于亚饱和蒸汽(蒸汽压力比率小于1)来说，项变为负值。

图1B示出了沿着热管1长度的预期压力分布情况。从曲线上的1点到2点的压力降表示穿过冷凝器膜3的压力差；从2点到3点的压力降表示经过导管4的压力降；而从4点到3点的压力降表示穿过蒸发器膜2的压力差。参照这条曲线可以看出，在导管4内的工作流体5中形成了负压。

传统热管系统和吸液装置通常避免在负压下操作工作流体，原因是空穴效应发生的可能性升高，就是说，在液体压力小于蒸汽压力时可能发生立即形成蒸汽泡的情况。空穴现象可能被机械、化学或热能扰动触发，或者被工作流体中存在的杂质触发。空穴泡阻挡了液体导管中的流动，因此减少了蒸发性热传递可用的流体量。热传递减少可能导致过热。

通常通过限制液体导管的长度和阻力、避免抵抗重力的操作并且避免经过吸液芯的过高的热通量以及因此产生的过高的质量流量，从而避免吸液芯的蒸发器端出现负压状态。

在传统热管中，通常通过向所述系统填充过量的流体，以使一些液体总是存在于蒸汽腔体中并且在冷凝器处保证饱和，由此避免冷凝器上出现负压状态。许多现有的热管系统采用容器用于该目的。填充系统以防止出现被称为冷凝器“干烧(dry-out)”的状态。通过这种方式，项变成零(因为比率等于1)，并且冷凝器液体压力将等于冷凝器蒸汽压力。

已经注意到，传统热管的冷凝器入口中过多的液体导致了若干问题。首先，液体在蒸汽导管中提前冷凝可能阻碍蒸汽流动。第二，冷凝器中的大量液体增大了散热器和发生冷凝的表面之间的热传递的阻力。第三，在强烈的动态环境中，蒸汽通道中的液体可能产生其他问题，如果液体要被惯性力驱赶返回到蒸发器区域的话。

本发明的发明人已经确定，这些重要问题可以通过对系统进行“不足填充”来消除，就是说将系统布置成使得没有液体存在于蒸汽路径中。发明人注意到，在这一范围中的操作要求蒸发器和冷凝器中的孔足够小，以便在吸液芯的液体相中产生负压，也就是说，以使参照图1B，在亚饱和范围中操作的冷凝器将使得曲线上的1点向左偏移，导致更大的负压。增加吸液芯的长度将进一步增大负压，因为吸液芯的泵送力必须克服额外的水力阻力。

发明人进一步认识到：对于液体流存在较小的水力阻力的期望以及产生大毛细应力能力的期望对热管结构设计的要求截然相反，因为较小的水力阻力要求较大的孔，而提高最大毛细应力要求较小的孔。换句话说，传统孔式吸液芯的水力阻力R_wick与成比例，其中d_p是孔径，而最大毛细应力与1/d_p成比例。在最常见的热管设计中，通过烧结金属粉末来形成吸液芯，以形成具有单一尺度的孔的结构。在这种设计中，水力阻力和毛细性能无法同时优化。为了适应这种分歧的设计标准，已经引入了大尺度轴向导管与蒸发器中小尺度孔相耦连的吸液芯设计，但是迄今为止吸液芯内的孔尺寸仍然保持在肉眼可见的水平(例如，d_p＞＞1微米)。因此，产生的毛细应力保持接近或低于1个大气压。这种毛细极限严重限制了热管的尺寸、性能和应用。

为了针对上述问题提供解决方案，发明人提供了一种热管，其中蒸发和冷凝过程在亚饱和蒸汽压力下进行。进一步提供了一种吸液芯结构，这种吸液芯结构在蒸发器和冷凝器中支持液体相中具有大的负压。在一些实施方式中，已经展示了低至-70个大气压的负压，由此允许液体导管长度更长。

发明人认识到实现大负压所要求的吸液芯结构中的孔尺寸可以比本领域现存结构小一个数量级。经过评估候选材料，发明人得出结论，效果最好的材料并不能提供足够的强度来承受本发明所考虑的大负压。因此，在本发明的一些方面，形成一种复合结构，这种复合结构包括结构化的骨架、位于骨架内的腔体以及填充所述骨架内的腔体的填料。所述填料可以选择成提供实现大负压所要求的必要孔尺寸。

参照附图中的图2，示出了示例吸液装置10的俯视图。吸液装置10包括复合蒸发器膜12、复合冷凝器膜14和液体导管16。该俯视图示出了用于蒸发器膜12和冷凝器膜14的网状结构，其包括基材和分子级多孔性填料，以协助各蒸发功能和冷凝功能，正如以下详细解释那样。

参照附图中的图3，吸液装置10包括玻璃层18和基材层20。玻璃层18和基材层20粘结在一起以形成防泄漏的密封。所述复合蒸发器膜12包括基材层20、液体入口端22和蒸汽排出端24。液体入口端22流体耦接到液体导管16和复合蒸发器膜12，并且可以描述为液体界面。复合冷凝器膜14包括基材层20、蒸汽入口端26和液体排出端28，液体排出端28也耦接到液体导管16。

基材层20为吸液装置10提供主要结构或骨架。在所公开的实施方式中，基材层20是单晶多孔硅。多孔硅在高孔隙率时仍保持高的弹性模量(例如，在50％孔体积时为28GPa)。硅还提供高的导热性(k_T～100W/m℃)，这对于与例如热源和散热器的热传递功能具有优势。硅还提供与微制造技术的相容性，包括在基材上集成传感元件，诸如压力传感器(未示出)。由于硅允许其本身实施微制造技术，所以可以通过电化学蚀刻来实现设计特征诸如受控的多孔性。在不脱离本发明的范围的前提下，还可以考虑其他基材材料，诸如其他半导体材料、金属、氧化物或陶瓷。但是，替代材料可能无法使得整体设计需求得以最优化。

转向附图中的图4，示出了如图3所示的复合蒸发器膜12的放大截面。蒸发器膜12包括多个腔体30，所述腔体将液体入口端22流体耦接到蒸汽排出端24。在例示的实施方式中，腔体30的直径处于1到10微米的范围内，并且平直延伸通过基材层20。例如，通过平板印刷图案掩膜对硅基材层进行电化学蚀刻，可以在硅基材层20中形成腔体30。一种示例制造方法包括从基材层20的液体侧蚀刻腔体30，液体侧对应于图3所示料层的底部或下侧。如图所示，通过基材层厚度的一部分(大约一半)实施蚀刻。然后，从基材层20的相对侧去除材料，直到与腔体30发生贯穿。产生的膜12、14可以具有100到500微米范围内的厚度。

纳米孔填料32设置在多个腔体30中。填料32包括多个分子级的开放孔34(未示出)，所述开放孔34将液体导管16(图3)流体耦接到蒸汽排出端24。根据上述方程1确定孔34的尺寸，以提供穿过蒸发器膜12的预定压力差。在本文中，术语“开放孔”指的是从基材的蒸汽侧到液体侧的开放通道。所述开放通道可以平直贯穿、弯曲或者分叉。

在一种实施方式中，填料32包括分子凝胶。在本文中，分子凝胶是显著稀释的交联系统，包括互联相和溶剂的无定形混合物。溶剂中的三维交联网络提供了穿过凝胶结构的分子级通道，在文中称为开放孔34。分子凝胶中孔34的直径范围为从1到100纳米。分子凝胶可以包括有机形式和无机形式。在一种示例中，有机形式是水凝胶。在另一种示例中，无机形式是溶胶-凝胶。特别良好地适配于本发明的一种溶胶-凝胶示例是无定形硅石溶胶-凝胶，包括四乙氧基硅烷前体，并具有1到2纳米范围的孔尺寸。参照上述方程，该填料32可以在液体导管16中提供小于-100个大气压的负压(-10兆帕)。溶胶-凝胶可以通过将前体溶液旋转涂布到蚀刻后的腔体30上而形成。作为替代，包括多孔硅和硅石溶胶-凝胶的复合材料可以通过将预凝胶溶液滴铸到多孔基体上而形成在腔体30中。在乙醇中进行热固化之前，试剂将吸引到腔体30中。

在其他实施方式中，填料32可以包括如下纳米孔材料，诸如沸石、陶瓷、多孔氧化物如矾土和硅石。这些示例中的孔34的尺寸从0.2纳米(对于沸石)到200纳米(对于多孔硅)。在一种示例中，填料32是多孔硅，其平均孔径大约为20纳米。液体导管16中对应的负压可以小于-0.1个大气压(-0.01兆帕)，并且在一些示例中，可以小于-10个大气压(-1.0兆帕)。

转到附图中的图5，示出了复合蒸发器膜12的另一种实施方式，其中腔体30是形成在基材层20的晶格结构中的填隙空位。换句话说，腔体30占据位于原子之间对应于最大直径球体的区域，所述最大直径球体可以配合在由相邻原子界定的自由空间中。填隙空位的平均直径可以利用已知技术进行计算或者根据经验确定。例如，填隙空位可以形成在硅的晶体结构或非晶形结构中。在单晶硅的示例中，填隙空位提供流体路径，虽然有点弯曲，但是将流体耦接工作流体和蒸汽排出端24。在这种实施方式中，腔体30(填隙空位)具有20到200纳米的平均直径。

发明人认识到，对于一些应用来说，填隙空位本身可以在液体导管16中形成足够的负压，但是为了实现非常强的负压，填料32可以设置在填隙空位中，如图5所示。

转到附图中的图6，示出了复合蒸发器膜12的另一种实施方式，其中分子膜36邻近填料32设置，以增加额外的加固措施。在一种示例中，分子膜36是设置在复合蒸发器膜12的蒸汽侧的水凝胶膜。发明人确定，作为聚合物和水的分子级混合物，水凝胶膜36能通过渗透性机理调解负压的产生，并提供优良的吸液能力。在另一种示例中，分子膜36包括丙烯酸酯单体(或低聚体)溶液、交联剂、引发剂和丙烯硅烷粘合剂。水凝胶溶液可以旋转铸膜到以溶胶-凝胶填充的多孔硅的外表面上，然后固化。

参照附图中的图7，示出了吸液装置10适配地用作环形热管200。除了前述公开的复合蒸发器膜12、复合冷凝器膜14、玻璃层18、基材层20和液体导管16之外，热管200进一步包括盖板38和蒸汽导管40。盖板38可以从基材层20拆卸，以便能接近复合蒸发器膜12和复合冷凝器膜14，并且可以利用传统O形环密封件42a、42b进行密封。蒸汽导管40将从复合蒸发器膜12排出的蒸汽流体耦接到复合冷凝器膜14的蒸汽入口。靠近复合蒸发器膜12的热源44提供热能，以使设置在液体导管16内的工作流体46汽化。热源44可以是期望控制其温度的任何热源，诸如例如用于冷却计算机处理器或从超音速飞行器的前缘提取热量。靠近复合冷凝器膜14的散热器48适配成从冷凝器吸收热能，从而导致工作流体46冷凝。散热器48例如可以是环境空气、被风扇扇动的环境空气、辐射热量的冷却翅片或者循环的冷却剂。

在例述示例中，优选复合冷凝器膜14。但是，传统冷凝器可以取代复合膜14。传统冷凝器的一种示例可以是用于冷却电子电路的冷凝器，其中暴露于散热器的区域包括微流体凹槽或通道。随着蒸汽在冷凝器区域中冷凝成液体，所述液体可以被毛细作用吸引而通过所述凹槽返回到复合蒸发器膜12。通过这种方式，热管200(或者就此而言，吸液装置10)的性能将退化，因为所述系统无法在供给不足的范围内操作，但是性能可能足以实现既定目的。

基材层20进一步限定复合冷凝器膜14，以流体耦接蒸汽入口端26与液体导管16，其中蒸汽入口端可以由盖板38中的凹部进一步限定。虽然不是必须，但是为了实现最佳性能，冷凝器膜14的构造和结构可以与蒸发器膜12相同。参照图4-6，冷凝器膜14可以包括多个腔体52，所述腔体将蒸汽入口端26流体耦接到液体排出端28。包括多个分子级开放孔50(未示出)的纳米孔填料54可以设置在腔体52中。根据上述方程1确定孔50的尺寸，以提供穿过冷凝器膜14的预定压力差。腔体52可以具有1到10微米范围内的直径。作为替代，腔体52可以是形成在基材层20的晶格结构中的填隙空位，具有20到200纳米范围内的平均直径。在一种实施方式中，填料54可以是分子凝胶，具有1到200纳米范围内的孔尺寸，优选1到2纳米，因为该直径提供了穿过冷凝器膜14的最大压力降。为了增加稳定性，分子膜56诸如水凝胶膜可以邻近填料54设置。分子膜56可以以参照复合蒸发器膜12所公开的相同方式来构造和布置。

在所公开的实施方式中，示出了用于复合冷凝器膜14的基材层20与复合蒸发器膜12整合。但是，在本发明一些实施方式中，诸如在液体导管16的长度大于1米时，基材层20可以包括单独结构的复合冷凝器膜14。实际上，基材层20可以包括与复合蒸发器膜12的基材层20完全不同的结构。例如，复合蒸发器膜12的基材层20可以由单晶多孔硅构成，而复合冷凝器膜14的基材层20可以由具有以填料32填充的多个腔体52的无孔材料构成。在不脱离本发明的范围的前提下，还可考虑其他组合。

现在参照附图中的图8，工作流体46进行操作所处的大负压范围，由于系统发生机械、化学、或者热能扰动，而可能容易发生空穴现象。工作流体中的杂质或者预先存在的气泡也可能触发空穴现象。在液体中形成蒸汽泡时，发生空穴现象。通常，蒸汽泡生长并粘附到液体导管表面，并且很难进行震击松脱。通常，蒸汽泡或气泡将阻碍流体在导管内的流动。产生的质量流率的降低将进一步导致通过热管的热传递率q下降(方程2)。热传递损失可能导致热管200过热和干烧，导致正在被冷却的系统总体失效。

蒸汽挡块58或者蒸汽挡块格构可以以周期方式布置在液体导管16中，优选位于复合蒸发器膜12下方，但是也可以位于复合冷凝器膜14的下方。蒸汽挡块58周期性地遮断工作流体46的流体流，并迫使其改道而经过多孔性主体构件60。在一种实施方式中，多孔性主体构件60是多孔性复合膜12、14，例如具有填隙空位的单晶硅，其中填隙空位的平均直径处于20到200纳米范围。在另一种实施方式中，蒸汽挡块58由多孔性主体构件60构成。在这种情况下，蒸汽挡块58的一部分可以为多孔性的，孔径与复合蒸发器膜12中的孔34处于相同尺度，例如1到10纳米。

如图8中标有“A”的箭头所示，在蒸汽挡块58为多孔性挡块时，工作流体46通常经过蒸汽挡块58。如果蒸汽挡块58为实心挡块，则工作流体46经过多孔性主体构件60，如标有“B”的箭头所示。而且如图8所示，蒸汽泡62阻碍工作流体46流动。蒸汽泡62被蒸汽挡块58捕获并粘附于蒸汽挡块58，由此使其隔离。工作流体64的流动被局部打乱，但是可以将其本身改道为经过多孔性主体构件60，从而保持总体质量流量。

现在转到附图中的图9，示出了多孔性主体构件60的格构以及蒸汽泡62。工作流体46的流动可以围绕蒸汽泡62所处的液体间隔横向转向，如标有“C”的箭头所示。在所示例子中，蒸汽挡块58也是多孔性主体构件60。通过这种方式，蒸汽泡62被隔离到单个液体腔体中，并且被阻止膨胀和进一步阻挡工作流46流动。

参照附图中的图10，液体导管16可以进一步包括以周期性方式布置在导管中央长度中的蒸汽挡块58。蒸汽挡块58周期性地遮断工作流体46的液体流，并迫使其改道而经过多孔性主体构件60，如上所详述。在所示例子中，蒸汽挡块58由多孔性主体构件60构成，该多孔性主体构件所具有的孔径与复合蒸发器膜12中的孔34处于相同尺度，例如1到10纳米。工作流体46的流动围绕蒸汽泡62横向转向，如标有“D”的箭头所示。通过这种方式，保持了总体质量流量。当然，流动也可以在流体导管16上方竖直地转向进入多孔性基材层20，如图7中最清楚地示出。

多个蒸汽挡块58可以布置成在液体导管16中形成多个区段。这些区段可以被蒸汽挡块58轴向(沿着液体流动方向)隔开，所述蒸汽挡块支撑纳米孔膜(例如，多孔性主体构件60)，以便用来隔离蒸汽泡62并停止其运动，以使相邻的区段保持在张力下填充的液体。所述区段可以进一步以高度冗余的方式布置，并且被相同的纳米孔膜(例如，多孔性主体构件60)所阻挡的孔隙横向(横穿液体流动方向)互联。这些孔隙可以用作空穴区段的蒸汽锁并用作围绕蒸汽挡块58的流动支路。

回头参照图7，液体导管16将冷凝器的液体排出端28流体耦接到复合蒸发器膜12的液体入口端22。在所公开的实施方式中，液体导管16利用传统技术诸如光刻法蚀刻到玻璃层18中，到达100到500微米的深度。

在所公开的实施方式中，玻璃层18是透明的，用于视觉观察工作流体46。但是，玻璃层18可以是任何适当材料，诸如与基材层20相同的材料。如上所述，玻璃层18和基材层20粘结在一起，形成防泄漏的密封。将玻璃层18粘结到基材层20的一种方法是阳极粘合法。如果玻璃层18由硅构成，则玻璃层18可以通过热粘合法粘结到基材层20。

盖板38可以用适合用在其所操作的环境中的任何材料制造。在公开的示例中，盖板38用不锈钢制作。但是，也可以考虑其他材料，诸如高强度聚合物。

支撑元件64可以邻近蒸发器膜12或冷凝器膜14的蒸汽侧设置。支撑元件64可以机械地支撑复合膜并提供高导热性路径。在热源30或散热器48设置在如图7所示的相对侧时，可能要求这种导热性。在复合膜12、14具有肉眼可见的尺寸时，可能需要结构支撑件。随着膜12、14的表面积增大，因工作流体46的负压而作用在所述膜上的总体作用力变得相当大，并需要支撑。虽然支撑元件64示出为处于膜12、14的蒸汽侧，但是也可以设置在液体侧(未示出)。在一种实施方式中，支撑元件64也是蒸汽挡块58。在另一种实施方式中，支撑元件64也是多孔性主体构件60。例如，支撑元件64可以采用传统蚀刻技术用基材层20制造。

如上所述，蒸汽导管40将复合蒸发器膜12的蒸汽排出端24流体耦接到复合冷凝器膜14的蒸汽入口端26。蒸汽导管40优选采用使热传递损失最小的材料构造。在一种实施方式中，蒸汽导管40以绝热管材构造。在另一种实施方式中，蒸汽导管40蚀刻到基材层20中，或者机械加工到盖板38中。在另一种实施方式中，蒸汽导管40与液体导管16整合。例如，液体导管16可以为三角形，使得液体在三角形的角部流动，而蒸汽在中央区域流动。

本发明的热管相对于传统热交换器的一项优势在于，文中公开的热管是无源操作的，不存在运动部件诸如泵——其本身的温度梯度驱动相变和质量传递。通过采用蒸发潜热，吸液装置10可以利用较小体积的工作流体46操作。采用去除显热的传统热交换器需要10倍以上的液体体积。

所公开的热管的另一项优势在于，允许在低至非常大的负压的情况下操作，例如低至-100个大气压(-10.1兆帕)。在这样的范围内操作将允许具有50米长液体导管的热管，即便在承受沿着其长轴(或者沿着任何其他轴线)的10g(～102m/s²)加速度的情况下，依然能避免干烧。

所公开的吸液芯的优势在于，可以在供给不足的范围内操作。在本文中，“供给不足的范围”指的是工作流体的蒸汽相处于亚饱和，而工作流体的液体相具有低于饱和蒸汽压的静水压力。期望供给不足的范围能够由于工作流体热质量减少而产生更快的瞬变、由于缺乏大量流体层而改善冷凝器中的热传递并且由于蒸汽路径中缺乏冷凝物而减少蒸汽流动阻力。

所公开的热管的另一项优势在于，液体导管中的蒸汽挡块和多孔性主体构件可以隔离空穴现象，以使蒸汽泡不会显著阻碍工作流体流动。

虽然已经参照特定优选实施方式以及附图描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，本发明并不限于这些优选实施方式，而是在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的范围的前提下，可以对这些优选实施方式实施各种改动等。例如，文中公开的吸液芯可以用在进行合成和分析的芯片实验室(lab-on-a-chip)系统中，用在低温燃料电池的电极中，以及干旱环境下的水回收中。

Claims (40)

1.一种吸液装置，包括：

复合冷凝器膜，所述复合冷凝器膜包括基材层、蒸汽入口端、液体排出端、设置在所述基材层中并将所述蒸汽入口端流体耦接到所述液体排出端的多个腔体、和设置在所述多个腔体中的纳米孔填料，所述纳米孔填料具有多个第一开放孔，所述多个第一开放孔的最大直径处于0.2到10纳米范围内；

具有第一端和第二端的液体导管，所述液体导管的所述第一端流体耦接到所述复合冷凝器膜的所述液体排出端；和

复合蒸发器膜，所述复合蒸发器膜包括基材层、液体入口端、蒸汽排出端、设置在所述基材层中并将所述液体入口端流体耦接到所述液体导管的所述第二端的多个腔体、和设置在所述多个腔体中的纳米孔填料，所述纳米孔填料具有多个第二开放孔，所述多个第二开放孔的最大直径处于0.2到10纳米范围内；

其中，所述复合冷凝器膜中的所述多个第一开放孔和所述复合蒸发器膜中的所述多个第二开放孔的尺寸确定为提供小于-0.1个大气压的负压。

2.如权利要求1所述的吸液装置，其中，所述冷凝器膜的所述基材层和所述蒸发器膜的所述基材层中的至少一个是多孔性的。

3.如权利要求2所述的吸液装置，其中，各基材层包括硅。

4.如权利要求2所述的吸液装置，其中，相应的多个腔体是形成在所述基材层的晶格结构中的填隙空位，所述填隙空位的平均直径处于20到200纳米范围内。

5.如权利要求1所述的吸液装置，其中，所述多个第一开放孔和所述多个第二开放孔中的至少一者的最大直径处于1到10纳米范围内。

6.如权利要求1所述的吸液装置，其中，设置在至少所述复合蒸发器膜的所述腔体中的所述纳米孔填料包括分子凝胶。

7.如权利要求6所述的吸液装置，其中，所述分子凝胶是溶胶-凝胶。

8.如权利要求6所述的吸液装置，其中，所述分子凝胶是水凝胶。

9.如权利要求1所述的吸液装置，进一步包括邻近所述复合蒸发器膜或所述复合冷凝器膜设置的分子膜。

10.如权利要求9所述的吸液装置，其中，所述分子膜是水凝胶膜。

11.如权利要求1所述的吸液装置，其中，所述液体导管的长度大于1米。

12.如权利要求1所述的吸液装置，其中，所述液体导管包括100到500微米深的通道。

13.如权利要求1所述的吸液装置，其中，所述液体导管进一步包括蒸汽挡块和邻近所述蒸汽挡块设置的多孔性主体构件，所述蒸汽挡块配置成将工作流体的流动改道为经过所述多孔性主体构件。

14.如权利要求13所述的吸液装置，其中，所述多孔性主体构件具有处于1到100纳米范围内的孔。

15.如权利要求13所述的吸液装置，其中，布置多个蒸汽挡块以在所述液体导管内形成多个区段，所述区段被所述多孔性主体构件沿着轴向和横向流体耦接。

16.一种用于毛细管吸液芯的复合膜，包括：

基材层，所述基材层具有被用作所述吸液芯液体入口端的第一端、被用作所述吸液芯蒸汽排出端的第二端和将所述液体流入流体耦接到所述蒸汽排出的多个腔体；和

设置在所述多个腔体中的填料，所述填料具有多个开放孔，所述孔的最大直径处于0.2到10纳米范围内；

其中，所述复合膜适用于在小于-0.1大气压的负压下操作；

其中，所述复合膜适用于如权利要求1所述的吸液装置的毛细管吸液芯。

17.如权利要求16所述的复合膜，其中，所述填料是分子凝胶。

18.如权利要求17所述的复合膜，其中，所述分子凝胶是有机凝胶。

19.如权利要求18所述的复合膜，其中，所述有机分子凝胶是水凝胶。

20.如权利要求17所述的复合膜，其中，所述填料是无机填料。

21.如权利要求20所述的复合膜，其中，所述无机填料是溶胶-凝胶。

22.如权利要求21所述的复合膜，其中，所述溶胶凝胶是硅石溶胶-凝胶。

23.如权利要求16所述的复合膜，进一步包括邻近所述填料设置的分子凝胶膜。

24.如权利要求23所述的复合膜，其中，所述分子凝胶膜是水凝胶膜。

25.如权利要求23所述的复合膜，其中，所述分子凝胶膜设置在吸液芯的蒸汽端上。

26.如权利要求16所述的复合膜，其中，所述基材层是多孔性的。

27.如权利要求26所述的复合膜，其中，所述基材层包括硅。

28.如权利要求27所述的复合膜，其中，所述硅是单晶多孔硅。

29.一种用于操作热管的方法，所述热管包括冷凝器、复合蒸发器膜、将所述冷凝器流体耦接到所述复合蒸发器膜的液体导管、和将所述复合蒸发器膜流体耦接到所述冷凝器的蒸汽导管，所述方法包括步骤：

紧邻所述复合蒸发器膜提供热源；

紧邻所述冷凝器提供散热器；

在所述复合蒸发器膜中提供多个第一开放孔，所述孔的最大直径处于0.2到10纳米范围内；

在所述液体导管内提供工作流体；和

将所述液体导管内的工作流体压力保持在小于-0.01兆帕。

30.如权利要求29所述的方法，进一步包括步骤：在供给不足的范围内操作所述热管。

31.如权利要求29所述的方法，其中，所述液体导管内的工作流体压力保持在小于-1.0兆帕。

32.如权利要求31所述的方法，其中，所述液体导管内的工作流体压力保持在小于-5.0兆帕。

33.如权利要求29所述的方法，其中，所述复合蒸发器膜包括具有多个腔体的基材层、和设置在所述多个腔体内的填料，所述填料具有多个第一开放孔。

34.如权利要求33所述的方法，其中，所述填料是分子凝胶。

35.如权利要求33所述的方法，其中，所述分子凝胶是溶胶-凝胶。

36.如权利要求29所述的方法，其中，所述多个第一开放孔的最大孔径处于1到10纳米范围内。

37.如权利要求29所述的方法，其中，所述冷凝器是复合冷凝器膜，并且所述方法进一步包括步骤：在所述复合冷凝器膜中提供多个第二开放孔，所述多个第二开放孔的最大直径处于0.2到10纳米范围内。

38.如权利要求37所述的方法，其中，所述复合冷凝器膜包括具有多个腔体的基材层、和设置在所述多个腔体内的填料，所述填料具有多个第二开放孔。

39.如权利要求38所述的方法，其中，所述填料是分子凝胶。

40.如权利要求39所述的方法，其中，所述分子凝胶是溶胶-凝胶。