CN102519289B - 环路热管蒸发器的一体化制备工艺 - Google Patents

环路热管蒸发器的一体化制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种环路热管蒸发器的一体化制备工艺，选取蒸发腔体，除去蒸发腔体内表面的氧化膜，在其中加入毛细芯烧结基体粉末与造孔剂的混合粉末，在粉末中间插入一根圆柱形蓄液腔模子，插入深度根据蓄液腔的大小确定，将粉末压实在蒸发腔体与蓄液腔模子之间，放入烧结炉内烧结，烧结冷却后沿蒸发腔体内壁用钻头钻出数条蒸汽通道，取出蓄液腔模子，得到一体化的环路热管蒸发器。本发明的毛细芯直接密闭烧结在蒸发腔体内，不但与蒸发腔体壁结合紧密，避免了漏热或蒸汽反向流动的问题，而且烧结后的毛细芯直接使用，避免了二次机加工带来的毛细芯破碎及精度要求高等问题，允许使用较低的强度来实现高的孔隙率，这对增加毛细抽吸力是有利的。

Description

环路热管蒸发器的一体化制备工艺
技术领域
本发明涉及一种环路热管蒸发器，特别涉及环路热管蒸发器的一体化制备工艺。
背景技术
环路热管(loop heat pipe，LHP)是一种依靠工质的蒸发与冷凝来达到强化传热目的的高效两相传热设备，在航天器热控及电子元件散热等领域应用广泛。本质上环路热管换热原理与普通的热管是一样的，也是依靠相变换热，既通过工质的蒸发、冷凝的交替循环来达到换热的目的，但又与传统的热管不同，传统的热管一般是依靠重力使冷凝的工质回流来达到换热的目的，而环路热管是依靠其蒸发器中的毛细芯产生的毛细吸力来提供驱动力的，一方面需提供强大的毛细驱动力来循环工质，另一方面，毛细芯需及时将产生的蒸汽转移至蒸汽管道，进而实现LHP内热量的正向传递。从其作用机理可以看出，毛细芯需要与蒸发腔壁配合严格，保证蒸汽只能单向流动来确保环路热管能正常循环工作，目前是依靠在蒸发腔壁上加工出蒸汽通道来保证的，不但加工工艺复杂，而且需要毛细芯的外形尺寸与蒸发腔的内径尺寸匹配严格，过大的间隙不但造成漏热，而且可能造成蒸汽的反向流动，造成环路热管工作的失败。毛细芯需要二次机加工，就需要提高其强度，以适应机加工过程中的夹持等，而一般的孔隙率高的毛细芯其强度都相对较低。另外毛细芯因为要提供毛细吸力，毛细吸力希望越大越好，减小毛细孔径可提高毛细抽吸力，但过小的毛细孔径会阻碍蒸汽的及时排出，甚至影响到整个环路热管的正常启动。采用单一孔隙特征的毛细芯很难实现其整体性能的进一步提高，因此现在有诸多的研究采用复合毛细芯结构，如申请号为200410103068.9的中国专利公开了一种两相毛细泵环路复合毛细芯，它包括一大孔径的内芯，内芯外侧设置小孔径外芯，但其制备工艺非常复杂。
发明内容
本发明的目的是针对目前环路热管蒸发腔与毛细芯装配及毛细芯制备复杂的问题，而提供一种环路热管蒸发器的一体化制备工艺。
本发明采取的技术方案为：
环路热管蒸发器，包括蒸发腔体、毛细芯，毛细芯的中间形成蓄液腔，蓄液腔与蒸发腔相通，毛细芯与蒸发腔体内壁间有多条蒸汽通道，毛细芯为单一孔隙毛细芯层或复合孔隙毛细芯层。
环路热管蒸发器的一体化制备工艺，步骤如下：
(1)选取蒸发腔体，除去蒸发腔体内表面的氧化膜，在其中加入毛细芯烧结基体粉末与造孔剂的混合粉末，在粉末中间插入一根圆柱形蓄液腔模子，插入深度根据蓄液腔的大小确定，将粉末压实在蒸发腔体与蓄液腔模子之间，放入烧结炉内烧结；
或者选取蒸发腔体，除去蒸发腔体内表面的氧化膜，首先将一筒状物放入蒸发腔体内中央，在筒状物与蒸发腔体内壁间填入第一种孔隙毛细芯的烧结基体粉末与造孔剂的混合粉末，在筒状物内装入第二种孔隙毛细芯的烧结基体粉末与造孔剂的混合粉末(筒状物要求一定的强度，能保证两种不同毛细芯粉末的隔离，同时该筒状物在以后的烧结过程中被烧掉或反应掉，残留物对毛细芯的作用没有明显的影响)，在第二种孔隙毛细芯的混合粉末中间插入一根圆柱形蓄液腔模子，插入深度根据蓄液腔的大小确定，将粉末压实，放入烧结炉内烧结，烧结温度、时间根据毛细芯烧结基体粉末、蒸发腔体的材质确定；
(2)烧结冷却后沿蒸发腔体内壁用钻头钻出数条蒸汽通道，取出蓄液腔模子，得到一体化的环路热管蒸发器。
所述的蒸发腔体的材质可以是铜、铜合金、不锈钢或铝合金等。根据需要可以设计为圆筒状或长方体状。推荐采用铜、铜合金或铝合金做蒸发器，这样可以有更好的传热效果；在某些强氧化、腐蚀环境下推荐用不锈钢。
所述的毛细芯烧结基体粉末可以是镍基粉末、不锈钢粉末或陶瓷粉末等，造孔剂的加入质量百分比为1-60％，超过60％以上，毛细芯的强度下降太多；每种孔隙毛细芯的造孔剂加入量不同。
所述的筒状物优选可燃材料制成。可燃材料可以为硬纸材料。
所述的蓄液腔模子为石墨棒或其它耐高温且不与毛细芯粉末反应的物质如碳化硅棒、三氧化铝棒，石墨棒最好，高温烧结时(800度以上)要求石墨棒或碳化硅棒外面包裹石墨纸。
所述的烧结温度，对于铝材质的蒸发腔体其烧结温度在580-600℃，铜材质的蒸发腔体其烧结温度在580-750℃，不锈钢的蒸发腔体烧结温度600-1300℃；烧结时间在0.5-2小时。
所述的蒸汽通道直径大小在0.5-2毫米，个数根据蒸发腔的内径计算(以圆筒状蒸发腔为例)，最小个数为1，最大个数为圆周内径除以蒸汽通道的直径。
在需要制造环路热管的时候，只需要将其蒸发腔体与其他管路焊接即可。烧结前，蒸发腔体壁需要认真清洗掉表面的氧化膜，暴露出新鲜的金属表面，对于促进毛细芯与蒸发腔体表面的结合是有利的；在烧结前对填入的粉末予以适当的加压，促进烧结粉末致密也是必须的，过于松散的粉末烧结后会影响和蒸发腔体避免的结合状态，比较差的情况是未能紧密和蒸发腔体壁面紧密结合，存在较大的空隙，成为漏热及蒸汽反向流动的地方。由于本发明的毛细芯直接密闭烧结在蒸发腔体内，不但与蒸发腔体壁结合紧密，避免了漏热或蒸汽反向流动的问题，而且烧结后的毛细芯直接使用，避免了二次机加工带来的毛细芯破碎及精度要求高等问题，允许使用较低的强度来实现高的孔隙率，这对增加毛细抽吸力是有利的。
附图说明
图1为单一孔隙毛细芯环路热管蒸发器结构图；
图2为复合孔隙毛细芯环路热管蒸发器结构图；
其中：1.蒸发腔体，2.毛细芯，3.蓄液腔，4.蒸汽通道，5.蒸发腔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本专利。
实施例1
如图1示，环路热管蒸发器，包括蒸发腔体1、毛细芯2，毛细芯2的中间形成蓄液腔3，蓄液腔3与蒸发腔5相通，毛细芯2与蒸发腔体1内壁间有多条蒸汽通道4，毛细芯2为单一孔隙毛细芯层。
环路热管蒸发器的一体化制备工艺，步骤如下：
(1)选取铜质蒸发腔体(内径为2厘米，长度5厘米)，在其中加入镍粉毛细芯烧结基体粉末与造孔剂的混合粉末；装入粉末前，蒸发腔用稀硫酸清洗内表面；
(2)在粉末中间插入一根圆柱形石墨蓄液腔模子，插入深度约为蒸发腔体高度的4/5，将粉末压实在蒸发腔体与蓄液腔模子之间，放入烧结炉内烧结，烧结温度650℃，烧结1小时；
(3)烧结冷却后沿蒸发腔体内壁用直径1毫米的钻头钻出六条蒸汽通道，取出蓄液腔模子，得到一体化的环路热管蒸发器。
实施例2
如图2示，环路热管蒸发器，包括蒸发腔体1、毛细芯2，毛细芯2的中间形成蓄液腔3，蓄液腔3与蒸发腔5相通，毛细芯2与蒸发腔体1内壁间有多条蒸汽通道4，毛细芯2为复合孔隙毛细芯层。
(1)选取铜质蒸发腔体(内径为2厘米长度5厘米)，装入粉末前，蒸发腔用稀硫酸清洗内表面；先用一内径为1.2厘米的筒状物(本研究采用硬纸制作筒状物)植入蒸发腔中央，在筒状物与蒸发腔之间填入第一种比例的镍粉与造孔剂的混合粉末；然后再在筒状物内填入第二种比例的镍粉与造孔剂的混合粉末，中间插入一内径为6毫米的石墨棒，插入深度4厘米。
(2)将粉末压实在蒸发腔体与蓄液腔模子之间，放入烧结炉内烧结，烧结温度650℃，烧结1小时；烧结冷却后沿蒸发腔体内壁用直径1毫米的钻头钻出六条蒸汽通道，取出蓄液腔模子，得到一体化的环路热管蒸发器。
烧结过程中硬纸制作的筒状物会分解碳化，为了消除碳化硬纸层的影响，可将制备完毕的蒸发腔至于200度的空气炉中10分钟，可燃烧掉筒状物的残留物。这个步骤不是必须的，一般筒状物较薄的情况下，残留的筒状物基本对复合芯没有太大的影响。
实施例3
如图1示，环路热管蒸发器，包括蒸发腔体1、毛细芯2，毛细芯2的中间形成蓄液腔3，蓄液腔3与蒸发腔5相通，毛细芯2与蒸发腔体1内壁间有多条蒸汽通道4，毛细芯2为单一孔隙毛细芯层。
环路热管蒸发器的一体化制备工艺，步骤如下：
(1)选取铝质蒸发腔体(内径为2厘米，长度5厘米)，在其中加入陶瓷粉毛细芯烧结基体粉末与造孔剂的混合粉末；装入粉末前，蒸发腔用稀硫酸清洗内表面；
(2)在粉末中间插入一根圆柱形石墨蓄液腔模子，插入深度约为蒸发腔体高度的4/5，将粉末压实在蒸发腔体与蓄液腔模子之间，放入烧结炉内烧结，烧结温度600℃，烧结1.2小时；
(3)烧结冷却后沿蒸发腔体内壁用直径1毫米的钻头钻出六条蒸汽通道，取出蓄液腔模子，得到一体化的环路热管蒸发器。
如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.环路热管蒸发器的一体化制备工艺，其特征是，步骤如下：
(1)选取蒸发腔体，除去蒸发腔体内表面的氧化膜，在其中加入毛细芯烧结基体粉末与造孔剂的混合粉末，在粉末中间插入一根圆柱形蓄液腔模子，将粉末压实在蒸发腔体与蓄液腔模子之间，放入烧结炉内烧结；
或者选取蒸发腔体，除去蒸发腔体内表面的氧化膜，首先将一筒状物放入蒸发腔体内中央，在筒状物与蒸发腔体内壁间填入第一种孔隙毛细芯的烧结基体粉末与造孔剂的混合粉末，在筒状物内装入第二种孔隙毛细芯的烧结基体粉末与造孔剂的混合粉末，在第二种孔隙毛细芯的混合粉末中间插入一根圆柱形蓄液腔模子，将粉末压实，放入烧结炉内烧结；
(2)烧结冷却后沿蒸发腔体内壁用钻头钻出数条蒸汽通道，取出蓄液腔模子，得到一体化的环路热管蒸发器。
2.根据权利要求1所述的环路热管蒸发器的一体化制备工艺，其特征是，所述的蒸发腔体的材质是铜、铜合金、不锈钢或铝合金。
3.根据权利要求1所述的环路热管蒸发器的一体化制备工艺，其特征是，所述的烧结基体粉末为镍基粉末、不锈钢粉末或陶瓷粉末，造孔剂的加入质量百分比为1-60％。
4.根据权利要求1所述的环路热管蒸发器的一体化制备工艺，其特征是，所述的筒状物为可燃材料制成。
5.根据权利要求4所述的环路热管蒸发器的一体化制备工艺，其特征是，所述的筒状物为硬纸材料制成。
6.根据权利要求1所述的环路热管蒸发器的一体化制备工艺，其特征是，所述的蓄液腔模子为石墨棒、碳化硅棒或氧化铝棒。
7.根据权利要求2所述的环路热管蒸发器的一体化制备工艺，其特征是，所述的烧结温度，对于铝材质的蒸发腔体其烧结温度在580-600℃，铜材质的蒸发腔体其烧结温度在580-750℃，不锈钢的蒸发腔体烧结温度600-1300℃；烧结时间在0.5-2小时。
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