CN102721313A - 内含碳纳米管的管芯及其制造方法和制成的热管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内含碳纳米管的管芯及热管，尤其是涉及通过改善热管内的管芯构造，以增加工作液体的循环效率及热传导率，从而提高热管功能的内含碳纳米管的管芯及其制造方法，同时还涉及利用该制造方法的热管。本发明的内含碳纳米管的管芯（wick）装入热管管体的内部,其特征在于，所述管芯内含碳纳米管。

Description

内含碳纳米管的管芯及其制造方法和制成的热管

技术领域

本发明涉及内含碳纳米管的管芯及热管，尤其是涉及通过改善热管内的管芯构造，以增加工作液体的循环效率及热传导率，从而提高热管功能的内含碳纳米管的管芯及其制造方法，同时还涉及利用该制造方法的热管。

背景技术

一般热管具有很高的从高温处向低温处传递热交换、热输送的能力，因而被应用在电子通信设备及产业机械等领域，是用于热交换及热输送的传热元件。 

尤其因电子通信设备及计算机等的芯片设计和制造技术的发展，使线宽缩小及体积减少，这就导致使单位体积或单位面积的发热量增大。

热管与带有空气冷凝的散热片相比，因热处理功能更加优秀，从而作为这种装置的冷凝元件被广泛使用，并且随着单位体积发热量的增大，其使用率也越来越高。

以往技术的热管的结构，如图 1 所示，在封闭的管体 4 内真空封存工作液体，并在管体 4 内壁具有毛细管结构的管芯 5。

热管是由从高温段 1a 吸收热的蒸发段 1、向低温段放出热的冷凝段 3、以及具有蒸汽移动和液体回流作用的绝热段 2 来构成的。

对此，热管的热交换、热输送的原理为：如计算机芯片等，在高温段 1a 产热及在热管蒸发段 1 吸热，且使吸收蒸发潜热相变为蒸汽的工作液体通过内部通道 6 移动至冷凝段 3。

此外，工作液体在低温段 3a 放出冷凝热凝结，且使凝结的工作液体通过毛细管结构的管芯 5 流回至蒸发段 1。

这种变化在管体 4 内连续发生，如此循环不已，热量由高温段 1a 快速传至低温段 3a。

蒸发段 1 与绝热段 2 温度相同，且蒸发段的温度高于冷凝段的温度 3。

另外，各段的蒸气压为饱和状态，蒸发段 1 与绝热段 2 蒸气压相同，且绝热段2 的蒸气压高于冷凝段 3 的蒸气压。

因此，蒸汽由蒸发段 1 经过绝热段 2 传至冷凝段 3。

由于这种现象的热传导速度接近音速，因此其循环是快速进行的。

如上，热管的热处理性能还会受到工作液体的种类及注入量、管体 4 内部的真空度、清洁度、以及管芯 5 结构的毛细力等的影响。

为了提高热管的热处理性能，以往技术的热管一直寻求增加毛细力作为管芯 5 结构的研究。

另外，为了使上述管体 4 内部的工作液体顺利循环，以往技术引入了上述管芯 5，或者在管体内壁加工细槽而形成了毛细管。

所述管芯 5 由筛网、线材、弹簧等材料来构成。所述管芯 5 的材料表面上无需加工处理，并且把表面无加工处理的管芯装入所述管体 4 的内部。

另外，上述管体 4 内壁的细槽是通过机械加工或多孔烧结等来形成的。

作为上述管芯 5 的以往技术，为了提高导热性能，推出了在管体 4 内壁形成金属表面，或在管体 4 内壁贴覆由有机或无机物质形成表面的金属胶带，从而来确保管体4 中心的蒸汽通道。

另外，作为另一技术，通过多孔烧结的管内壁和细槽来提高毛细管泵力，使工作液体向圆周方向均匀分配，而有关这方面的方法等多种技术已被业内公知。

但是，上述多种形式的以往技术不仅制造工程繁琐，而且不易小型生产以及制造成本较高，这就导致不易普及，及不便于大量导热等问题。

另外，在工作液体中混合碳纳米管虽然导热效果较佳，但其分散过程难度增加，不仅费用较高，而且高温加热反复过程使分散的纳米管聚到一起，形成防止导热的污垢，这就导致导热性能丧失，或降低热效率等问题。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术所存在的问题，提供内含碳纳米管的管芯及其制造方法，同时提供利用该制造方法的热管，通过提供内含碳纳米管的管芯，使热管既具有良好的导热性能，又具有理想的放热效果。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种内含碳纳米管的管芯，所述管芯设置在热管的管体内部,所述管芯含有碳纳米管。

进一步，所述管芯包括：棒状的压缩多孔天然纤维；围绕所述多孔天然纤维的外周形成的不织布，所述多孔天然纤维和所述不织布里含有碳纳米管。

本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下：一种内含碳纳米管的管芯的制造方法，所述管芯的制造方法包括：将多孔天然纤维压缩成棒状，再将不织布围绕在多孔天然纤维的表面，接着将碳纳米管放入水中分散后，将所述多孔天然纤维和不织布形成的组合体浸至所述碳纳米管水剂中，经烘干，即可制成在所述管芯内外含有碳纳米管的管芯。

另外，本发明还提供另外一种解决上述技术问题的技术方案如下：一种热管包括：一端连接于热源上及与其相对的另一端封闭且在内部填充工作液体的中空形状的管体；所述管体的内部装入杆状的管芯，所述管芯含有碳纳米管。

进一步，所述管芯包括： 棒状的多孔天然纤维；围绕所述多孔天然纤维的外周形成的不织布，所述多孔天然纤维和所述不织布里含有碳纳米管。

进一步，所述管芯的直径小于所述管体的内径，且所述管芯并未固定于管体内，并在重力的作用下所述管芯配置在所述管体的下方。

进一步，所述工作液体的量为所述管芯最大吸收量的100～110%。

本发明的有益效果是：提供内含碳纳米管的管芯及其制造方法，同时提供利用该制造方法的热管，通过提供内含碳纳米管的管芯，提高工作液体的循环效率及导热效率，使热管既具有良好的导热性能，又具有理想的放热效果。

附图说明

图1 是一般热管的结构示意图；

图 2是本发明实施例的热管的结构截面图；

图 3是本发明实施例的管芯的结构截面图；

图 4是本发明实施例的热管与以往技术的导热材料比较热传导率的图面；

图 5是以往技术的热管的装置结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图 2 是本发明实施例的热管的结构截面图；图 3 是本发明实施例的管芯的结构截面图；图 4 是本发明实施例的热管与以往技术的导热材料比较热传导率的图面；图 5 是以往技术的热管的装置结构图。

如图 2 及图 3 所示，本发明的热管 100 包括：管体 110 和管芯 120。

所述管体 110 为中空形状，其一端与另一端封闭，也就是管体110的左右两端是封闭的，管体110的其中一端连接于热源上，且在管体内部充有工作液体。

所述管芯 120 插入所述管体 110 的内部，其外部具有均匀的毛细管结构，以及其内部具有强吸入力结构，这种结构导致快速传热，且使冷凝的工作液体快速回流。

如图 3 所示，这里，所述管芯 120 含有碳纳米管 130。

进一步，所述管芯 120 包括：多孔天然纤维 121 和不织布 122。

所述多孔天然纤维 121 以压缩的圆柱形状形成，并具有强吸入力。

进一步，所述多孔天然纤维 121由棉，麻，毛，绢等材质制成，且以不同截面的棒状形成。

所述不织布 122 围绕所述多孔天然纤维 121 的外周形成，并具有均匀的毛细管结构。

如上，通过所述多孔天然纤维 121 与不织布 122，所述管芯 120 具有了强吸入力并具备了均匀的毛细管结构，从而使管芯充满工作液体，又能使工作液体快速回流。

由于以往技术的所述管芯 120 使用了金属材料，因此，难以将工作液体的吸入力达到理想的状态。

在多孔天然纤维 121 及不织布 122里含有碳纳米管 130，以便于提高所述管芯 120 的导热及放热效果。

如图 4 所示，由于本发明的热管 100 的管芯 120 内含碳纳米管 130，因此，热传导率明显高于铝、铜、以及以往技术的热管。

在所述管芯 120 内含的碳纳米管 130 的直径为10～20纳米，以0.2～0.5wt%的碳纳米管 130 放入水中分散后，再将由所述多孔天然纤维 121 和所述不织布 122 形成的组合体数次浸至水剂中，经烘干，即可制成在管芯内外含有碳纳米管的管芯。

通过上述工程，管芯 120 的各个部分都含有碳纳米管 130，并且具备了毛细管作用与吸收作用的复合结构性能，从而导致本发明的管芯的性能明显高于以往技术的管芯 120。

此外，由于围绕棒状的所述多孔天然纤维 121 的外周形成所述不织布 122，使管芯的弹性增大，因此不必使用支持所述管芯 120 的支持棒，并且所述多孔天然纤维 121 具有耐热性及耐化学性，所以使管芯在任何条件的温度下都能发挥应有的作用。

接下来，对碳的同素异形体结合结构作进一步简单说明。

碳原子与其他原子成共价键时，在L轨道（2s、2p轨道）存在的4个电子形成杂化轨道，常见的杂化方式包括：以1个s轨道和3个p轨道杂化的sp3杂化轨道（C-C键）、以1个s轨道和2个p轨道杂化的sp2杂化轨道（C=C键）、及以1个s轨道和1个p轨道杂化的sp杂化轨道（C≡C键）。

在sp3杂化轨道，碳原子的2s、2p轨道的4个电子全部被用于形成4个σ键。

Sp2杂化轨道的1个2s电子和2个2p电子形成3个σ键，而其余1个电子形成π键。

Sp杂化轨道的1个2s电子和1个2p电子形成2个σ键，而其余2个电子形成2个π键。

以sp3杂化轨道形成的典型的碳的同素异形体为金刚石，而以Sp2杂化轨道形成的典型的碳的同素异形体为石墨，且以Sp杂化轨道形成的典型的碳的同素异形体为碳。

21世纪3大碳纳米材料的碳纳米管 130 （Carbon Nano Tube）、碳纳米纤维（Carbon Nano Fiber）、富勒烯（Fullerene）都具有上述sp2杂化轨道，但是，由于其外形结构不同，而具有不同的名称，并且在物质特性上差别也很大。

如上，在所述管芯 120 内含碳纳米管 130 的技术与在工作液体中分散碳纳米管130 的技术相比，避免了使用上的繁琐及难度，并且解决了因工作液体的长期污垢而导致的效率下降等问题。

另外，由于在具有均匀的毛细管压力和强吸收力的管芯 120 含有碳纳米管 130，使导热速度对比以往技术的热管提高了40%以上，并使热效率也提高了30%以上，从而可以有效节约能源。

此外，所述管芯 120 的直径小于所述管体 110 的内径，且所述管芯安装于所述管体 110 内用于移动，并因自由状态下的重力所述管芯 120 总是配置在所述管体110 的下方。

也就是说，所述管芯 120 没有在所述管体 110 的内部固定结合，而配置成用于移动，并且总是在所述管体 110 的下方。

另外，在所述管体 110 内部的所述工作液体的量为所述管芯 120 最大吸收量的 100～110%。

如果所述工作液体的量比所述管芯 120 最大吸收量还少时，则所述管芯 120 变为干燥，而且如果所述管体 110 的蒸发段的安装位置比冷凝段高时，造成工作液体在蒸发段几乎消失殆尽等问题。

反之，如果所述工作液体的量比所述管芯 120 最大吸收量还多时，则所述工作液体成为导热的障碍，使导热效果明显降低。

本发明的所述工作液体的充入量是所述管芯 120 最大吸收量的100～110%。

因此，上述工作液体几乎全部吸收至上述管芯 120 上。

另外，如图 5a 所示，因热虹吸（Thermosyphon）式热管 310 需在冷凝段冷凝的工作液体由重力回流至加热段 200，所以连接于热源的冷凝段部位应高于蒸发段部位约3度以上。

接下来，在暖炕安装热管 310 时，因热管 310 需倾斜配置，则相应增加砂浆 350，势必造成整体重量增加，使建筑物承载负重增大，所以若为高层建筑，其设计变更将不可避免。

另外，如图 5b 所示，以往技术的具有管芯的热管 320 可以水平安装，且与热虹吸式热管 310 相比，虽然具有节省砂浆 350 的效果，但是，如果冷凝段部位的高度相对偏低，则工作液体向冷凝段方向移动，使蒸发段部位无法所存工作液体或出现循环问题，因此需要经常使用水平仪测量后进行修补工作。

但是，本发明的热管 100 的管芯 120 在管体 110 内可以移动，所述管芯 120 由多孔天然纤维 121 和不织布 122 来构成。由于在管芯 120 内外含有碳纳米管 130 ，因此冷凝段部位的高度偏低也不影响热管发挥应有的作用。

也就是说，上述多孔天然纤维 121 具有强吸入力，并且上述不织布 122 具有均匀的毛细管，所以即使冷凝段部位的高度偏低，也能使工作液体通过上述多孔天然纤维 121 和不织布 122 构成的管芯 120 向蒸发段顺利移动。

另外，由于上述管芯 120 含有上述碳纳米管 130，因此在上述加热段 200 产生的热量，通过导热性能极高的碳纳米管 130 使全部管芯 120 发热，从而使热管 100 的热效率达到理想的效果。

因此，若应用产品（散热片、放热器等）利用上述热管 100 ，则可以减少容积。

另外，由于本发明的管芯 120 的制造成本减少至50%以上，不仅易于使用，而且减少应用产品的容积而节俭原材料，开辟了一条经济、实用的途径。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种内含碳纳米管的管芯，其特征在于：所述管芯设置在热管的管体内部,所述管芯内含碳纳米管。

2.根据权利要求 1 所述的内含碳纳米管的管芯，其特征在于，所述内含碳纳米管的管芯包括：棒状的压缩多孔天然纤维；围绕所述多孔天然纤维的外周形成的不织布，所述多孔天然纤维和所述不织布里含有碳纳米管。

3.一种内含碳纳米管的管芯的制造方法，其特征在于：所述管芯的制造方法包括：将多孔天然纤维压缩成棒状，再将不织布围绕在多孔天然纤维的表面，接着将碳纳米管放入水中分散后，将所述多孔天然纤维和不织布形成的组合体浸至所述碳纳米管水剂中，经烘干，即可制成在所述管芯内外含有碳纳米管的管芯。

4.一种具有碳纳米管涂层的管芯的热管，其特征在于：所述热管包括：一端连接于热源上及与其相对的另一端封闭且在内部填充工作液体的中空形状的管体；所述管体的内部装入杆状的管芯，所述管芯内含碳纳米管。

5.根据权利要求 4 所述的内含碳纳米管的管芯的热管，其特征在于，所述管芯包括：棒状的压缩多孔天然纤维；围绕所述多孔天然纤维的外周形成的不织布，所述多孔天然纤维和所述不织布里含有碳纳米管。

6.根据权利要求 4 及 5 所述的内含碳纳米管的管芯的热管，其特征在于，所述管芯的直径小于所述管体的内径，且所述管芯并未固定于管体内，并在重力的作用下所述管芯位于所述管体内的底部。

7.根据权利要求 6 所述的内含碳纳米管的管芯的热管，其特征在于，所述工作液体的量为所述管芯最大吸收量的100～110%。

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