CN102901390B - 用于环路热管具有差异导热系数的复合毛细芯及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于环路热管具有差异导热系数的复合毛细芯及制备方法。复合毛细芯靠近环路热管的蒸发器侧的导热系数高于靠近环路热管的补偿器液体侧的导热系数。具有差异导热系数的复合毛细芯的制备方法为：选取具有无限互溶特性的烧结原料基体金属粉末，配置具有不同质量配比的粉末混合物；在模具中填粉逐层放入混合后的不同质量配比的粉末混合物，将填粉后的粉末混合物进行冷压成型成毛细芯所需要形状和尺寸；再烧结可制成具有差异导热系数的复合毛细芯。本发明的复合毛细芯具有差异导热系数，有利于提高环路热管传热性能，可用于研制高效环路热管，满足大传热功率、长距离输送的LHP热控制要求，可应用于航空热控及地面电子设备冷却等领域。

Description

用于环路热管具有差异导热系数的复合毛细芯及制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于环路热管的具有差异导热系数的复合毛细芯及其制备方法。

背景技术

环路热管（Loop Heat Pipe，简称LHP）是一种利用工质相变换热实现热量传递的高效传热装置，环路热管的基本构件包括蒸发器、毛细芯、补偿器、蒸汽管路、液体管路和冷凝器，其工作原理如下：蒸发器外侧施加热负荷之后，靠近蒸发器侧毛细芯外表面的工质首先受热蒸发变为蒸汽，经蒸汽管路进入冷凝器，释放热量后冷凝过冷变为液态工质，再流经液体管路返回补偿器，再由补偿器向毛细芯提供液态工质，毛细芯外侧表面的工质再受热蒸发变为蒸汽，开始下一循环，如此往返实现热量从环路热管蒸发器到冷凝器的传递。它具有反重力性能好、可靠性好、体积小、结构布置灵活等优点，能在很小温差下长距离地传递很高的传热功率。可广泛应用于航天器热控、电子设备冷却、节能等领域。

毛细芯是环路热管的关键部件，是一种多孔材料，布置于环路热管的蒸发器内。热量由蒸发器壳体内壁传给毛细芯及其外表面的液态工质，并在毛细芯外表面发生蒸发相变，形成汽液分界的弯月面，产生毛细抽吸力，并藉此驱动工质在整个环路热管中的循环，实现热量传递；同时还必须要防止过多的热量透过毛细芯传至毛细芯内侧的补偿器液态工质，以防止在毛细芯内侧产生气泡，阻塞液体在芯体内的湿润，影响环路热管性能，甚至使环路热管失效。要进一步提高毛细芯综合性能，必须毛细芯在其靠近蒸发器的外侧和靠近补偿器的内侧分别体现出不同的导热属性。而目前使用最多的毛细芯是采用单一金属材料制备的毛细芯或非金属材料的毛细芯，难以满足上述要求。如采用单一金属材料烧结制备的毛细芯整体具有较高导热系数的毛细芯，不利于减少漏热发生；如采用其他纤维或柔性材料等非金属材料毛细芯则具有较低导热系数，但不利于环路热管用于实现高热流密度的热量传递。

发明内容

本发明的目的是为了能够保证外侧高导热系数促进蒸发换热系数的同时，又能有效降低透过毛细芯的漏热，提供一种可以用于环路热管的具有差异导热系数的复合毛细芯及其制备方法。

本发明采取的技术方案为：

一种用于环路热管具有差异导热系数的复合毛细芯，所述复合毛细芯靠近环路热管的蒸发器侧的导热系数高于靠近环路热管的补偿器液体侧的导热系数。

所述复合毛细芯由基体金属和与其有限固溶或无限固溶的从属金属共同烧结生成，且复合毛细芯中由靠近环路热管的蒸发器侧到靠近环路热管的补偿器液体侧的基体金属含量逐渐降低，从属金属含量则逐渐增加。

所述复合毛细芯中靠近环路热管的蒸发器侧表层的基体金属含量为100%。

所述复合毛细芯中靠近环路热管的补偿器液体侧表层的基体金属含量降低，从属金属含量增加，但从属金属总含量不能超过其与基体金属生成金属固溶体所对应的从属金属最高含量，也不能超过此所述金属固溶体的导热系数极小值对应的从属金属含量。

所述基体金属为镍、铜或钛，从属金属为铜、镍或不锈钢。

一种上述复合毛细芯的制备方法，其步骤如下：

（1）混粉：选取毛细芯烧结金属原料基体金属粉末，在基体金属粉末中均匀混入与基体金属粉末能够固溶的从属金属粉末，配置多种具有不同质量配比的粉末混合物；

（2）制作毛细芯烧结型坯：在毛细芯的冷压模具中填粉，逐层放入不同质量配比的粉末混合物，将全部填粉完成后的粉末混合物冷压成型成毛细芯所需要形状和尺寸；

（3）烧结：将成型的毛细芯烧结型坯置于石墨坩埚内，放在烧结炉中在惰性气体保护下进行烧结，获得用于环路热管的毛细芯。

上述步骤（1）中：所述的烧结基体金属粉末为镍粉，从属金属粉末为钛粉、铜粉或不锈钢粉精细粉末，混合粉末中的两种金属粉末须具有有限固溶或无限固溶特性，烧结可生成固溶体。

上述步骤（2）中，所述的填粉，逐层加入不同质量配比的粉末混合物，应在底层首先放置基体金属的纯金属粉末在底层，再逐层加入基体金属粉末和从属金属粉末的混合物，随着层数增加，从属金属粉末的质量配比要逐渐增加，但其最高质量配比不能超过混合粉末烧结所成固溶体的导热系数的极小值所对应的金属粉末质量配比；应避免填粉中间阶段的加压，以防止制成的毛细芯出现分层现象，影响毛细芯的整体强度；在填完所有粉末之后，再对其进行整体加压成型，压力应控制在300MPa以下。

所述的毛细芯烧结型坯也可结合石墨模具通过松散填粉获得，即将烧结粉末直接填粉入能够直接置于烧结炉的石墨坩埚中，再放入烧结炉中烧结制成复合毛细芯。

上述步骤（3）中：所述的烧结为无压烧结，烧结过程需要根据粉末熔点控制烧结温度，烧结温度一般控制在650-850℃；需要根据强度和毛细芯性能需求控制升温速率和保温时间，升温速率一般控制在10-45℃/min，保温时间一般在30-60min；烧结保温后的冷却方式一般采用惰性气体保护下的自然冷却方式。

上述所述的毛细芯烧结基体粉末在内外侧使用不同精细颗粒粉末，可在获得具有差异导热系数毛细芯的同时，还可在其靠近蒸发器一侧使用更加精细的金属粉末，能获得更精细的毛细芯孔径和更大毛细抽力；在靠近补偿器液体侧使用稍大颗粒的金属粉末，能获得更有利的流体。

本发明通过控制金属粉末的混合比例和分布，制造出了可用于环路热管的内外侧具有差异导热系数的复合毛细芯；制备过程简单，可一次烧结即可制成复合毛细芯。

本发明的具有差异导热系数的复合毛细芯即可以是平板型毛细芯，也可以是圆柱型毛细芯。

本发明的具有差异导热系数的毛细芯外侧靠近环路热管蒸发器侧具有高导热系数，与蒸发器内壁换热良好，能够促进此处的蒸发换热系数；毛细芯内侧靠近环路热管补偿器侧具有低导热系数，能够减少蒸发表面-毛细芯内部-补偿器液体的热量传递，可以减少漏热，提高环路热管的整体传热性能。

本发明的复合毛细芯具有差异导热系数，有利于提高环路热管传热性能，可用于研制高效环路热管，满足大传热功率、长距离输送的LHP热控制要求，可应用于航空热控及地面电子设备冷却等领域。

附图说明

图1为本发明的环路热管蒸发器的结构示意图；

图2为本发明的毛细芯烧结型坯混粉示意图；

图3为本发明的毛细芯烧结型坯示意图；

图4为实施例制得的毛细芯SEM相貌；

其中，1.蒸发器，2.蒸汽移除通道，3.复合毛细芯，4.补偿器内的液体，5.底座，6.圆筒，7.第一层粉末混合物，8.第二层粉末混合物，9.第三层粉末混合物，10.第四层粉末混合物，11.第五层粉末混合物，12.毛细芯烧结型坯。

具体实施方式

结合图1，环路热管的热负荷施加在蒸发器1固体外表面，蒸发器内表面设置蒸汽移除通道2，本发明的具有差异导热系数复合毛细芯3位于蒸发器1和补偿器内的液体4之间。

实施例1：

结合图2、图3，本发明的用于环路热管的具有差异导热系数的复合毛细芯的制备步骤为：

（1）混粉。选取颗粒度均匀的精细镍粉作为烧结的基体金属粉末，细铜粉作为从属金属粉末，取铜粉质量比分别为0%，10%，20%，30%和40%，制取均匀的第一层粉末混合物7、第二次粉末混合物8、第三层粉末混合物9、第四层粉末混合物10和第五层粉末混合物11；

（2）制作毛细芯烧结型坯。放好冷压模具（底座5，圆筒6）后，按顺序将定量的第一层粉末混合物7、第二次粉末混合物8、第三层粉末混合物9、第四层粉末混合物10和第五层粉末混合物11先后放入，之后加压将粉末压成所需要的毛细芯外形和尺寸，制成毛细芯烧结型坯12；压力应控制在300MPa以下。

（3）烧结。将成型的毛细芯烧结型坯置于石墨坩埚内，放在烧结炉中进行烧结，整个过程通入氩气保护进行烧结，烧结温度最高750℃，升温速率控制在25℃/min，保温时间30min，烧结后冷却采用通氩气保护的自然冷却方式冷却，完成复合毛细芯的烧结。

实施例2：

与实施例1不同的是，混粉时，选取颗粒度均匀的精细铜粉作为烧结的基体金属粉末，细镍粉作为从属金属粉末；烧结时，烧结温度为650℃，升温速率控制在20℃/min，保温时间40min，其余相同，不再赘述。

实施施3：

与实施例1不同的是，混粉时，选取颗粒度均匀的精细钛粉作为烧结的基体金属粉末，细不锈钢粉作为从属金属粉末；烧结时，烧结温度为850℃，升温速率控制在30℃/min，保温时间60min，其余相同，不再赘述。

综合以上三个实施例，通过过程工艺参数控制，本发明可制成具有差异导热系数的复合毛细芯，其外侧导热系数能够大于10W/m.K，内侧导热系数可小于3W/m.K；所制得的毛细芯平均孔径可小于2μm，整体孔隙率可以控制在50%-75%范围之内。

Claims (4)

1.一种用于环路热管具有差异导热系数的复合毛细芯，其特征是，所述复合毛细芯靠近环路热管的蒸发器侧的导热系数高于靠近环路热管的补偿器液体侧的导热系数；

所述复合毛细芯由基体金属和与其有限固溶或无限固溶的从属金属共同烧结一次生成，且复合毛细芯中由靠近环路热管的蒸发器侧到靠近环路热管的补偿器液体侧的基体金属含量逐渐降低，从属金属含量则逐渐增加；

所述复合毛细芯中靠近环路热管的蒸发器侧表层的基体金属含量为100%；

所述复合毛细芯中靠近环路热管的补偿器液体侧表层的基体金属含量降低，从属金属含量增加，但从属金属总含量不能超过其与基体金属生成金属固溶体所对应的从属金属最高含量，也不能超过所述金属固溶体的导热系数极小值对应的从属金属含量。

2.如权利要求1所述的复合毛细芯，其特征是，所述基体金属为镍、铜或钛，从属金属为铜、镍或不锈钢。

3.如权利要求1所述的复合毛细芯，其特征是，所述复合毛细芯为平板型毛细芯或圆柱型毛细芯。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述复合毛细芯的制备方法，其特征是，步骤如下：

（1）混粉：选取毛细芯烧结金属原料基体金属粉末，在基体金属粉末中均匀混入与基体金属粉末能够固溶的从属金属粉末，配置多种具有不同质量配比的粉末混合物；

所述的烧结基体金属粉末为镍粉、铜粉或钛粉，从属金属粉末为铜粉、镍粉或不锈钢粉，混合粉末中的两种金属粉末须具有有限固溶或无限固溶特性，烧结能够生成固溶体；

（2）制作毛细芯烧结型坯：在毛细芯的冷压模具中填粉，逐层放入不同质量配比的粉末混合物，将全部填粉完成后的粉末混合物冷压成型成毛细芯所需要形状和尺寸；

所述的填粉，逐层加入不同质量配比的粉末混合物，应在底层首先放置基体金属的纯金属粉末在底层，再逐层加入基体金属粉末和从属金属粉末的混合物，随着层数增加，从属金属粉末的质量配比要逐渐增加，但其最高质量配比不能超过其与基体金属生成金属固溶体所对应的从属金属最高含量，也不能超过此金属固溶体的导热系数极小值对应的从属金属含量；应避免填粉中间阶段的加压，以防止制成的毛细芯出现分层现象，影响毛细芯的整体强度；在填完所有粉末之后，再对其进行整体加压成型，压力应控制在300MPa以下；

（3）烧结：将成型的毛细芯烧结型坯置于石墨坩埚内，放在烧结炉中在惰性气体保护下进行烧结，获得用于环路热管的毛细芯；

所述的烧结为无压烧结，烧结过程需要根据粉末熔点控制烧结温度，烧结温度控制在650-850℃；需要根据强度和毛细芯性能需求控制升温速率和保温时间，升温速率控制在10-45℃/min，保温时间在30-60min；烧结保温后的冷却方式采用惰性气体保护下的自然冷却方式。