CN104251631A - 管芯自适应热管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管芯自适应热管。该管芯自适应热管包括：管壳，呈中空结构；筒状管芯，位于管壳内，贴合于管壳的内壁，为由多层丝网卷绕层叠形成的毛细多孔结构，工作液体填充于该毛细多孔结构的网孔中，在该筒状管芯的内侧形成供汽态的工作液体流通的通道；其中，所述丝网采用形状记忆合金材料加工制备，经过训练，在相变温度以上时其网孔尺寸大于在相变温度以下时其网孔尺寸。本发明的热管能够自适应高热流密度和低热流密度的情况。

Description

管芯自适应热管

技术领域

本发明涉及散热器件技术领域，尤其涉及一种管芯自适应热管。

背景技术

热管是一种具有很高传热性能的元件，已经被广泛应用于电力电子、航空航天等领域，担负高效快速传热的角色。

图1为热管的剖面示意图。请参照图1，热管是由管壳100、管芯200和工作液体组成。热管的一端为蒸发段，另一端为冷凝段，蒸发段和冷凝段之间的部分为输送段。

目前，管芯200普遍采用毛细多孔材料的多层网芯。该多层网芯采用铜、不锈钢等材料制备，一般为2～4层或者更多，层与层之间紧密贴合，并且其最外侧一层与管壳100的内壁也尽量贴合良好，从而形成较大的毛细抽吸力。

在热管制备过程中，将管芯200伸入管壳100中，管壳内的空气排出，工作液体填充于管芯的毛细多孔材料的微孔中，管壳的两端密封。

在热管工作过程中，当蒸发段受热时，毛细多孔材料中的工作液体蒸发，蒸汽流向冷凝段；在冷凝段凝结成液体，液体在毛细多孔材料中靠毛细力的作用流回蒸发段，如此反复循环，热量由热管的蒸发段传至冷凝段。当热流密度较小时，主要通过管芯表面的液膜蒸发，带走发热体的热量，如图2A所示。当热流密度增加时，工作液体发生沸腾，在管壳内壁的受热面上产生汽泡，汽泡不断上升，在管芯中形成通道，连续上升到液面上并进入蒸汽空间，如图2B所示。

由此可见，热管内工作液体的相变可能是表面蒸发，也可能是液体内部沸腾，如果形成的汽泡不能顺利的通过管芯运动到液体表面，蒸发段管芯内的蒸汽压会过度增高，阻碍液体的回流，就可能产生壁面过热，以致破坏热管的正常工作。

对于采用多层网芯的热管而言，由于管芯为多层，液体流通截面积大，阻力小，但径向热阻大，可以通过采用网孔较小的细网，增加毛细抽吸力，从而形成更多的蒸发薄液膜区域，提高换热强度。但是这种设计方案在较高的热流密度条件下不利于蒸汽的溢出，容易导致蒸发段的干涸，而使热管失效。如果网芯采用网孔较大的粗网，虽然在高热流密度条件下，蒸汽的溢出相对容易，但是在蒸发起主导作用的较低的热流密度条件下，管芯形成的毛细力较小，不利于液膜的形成，回流的液体积聚，形成液泛现象，不利于蒸汽从管芯表面的蒸发。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种管芯自适应热管，以使热管能够自适应高热流密度和低热流密度的情况。

(二)技术方案

本发明管芯自适应热管包括：管壳，呈中空结构；筒状管芯，位于管壳内，贴合于管壳的内壁，为由多层丝网卷绕层叠形成的毛细多孔结构，工作液体填充于该毛细多孔结构的网孔中，在该筒状管芯的内侧形成供汽态的工作液体流通的空间；其中，丝网采用形状记忆合金材料加工制备，经过训练，在相变温度以上时其网孔尺寸大于在相变温度以下时其网孔尺寸。

优选地，本发明管芯自适应热管中，在相变温度以上时，丝网的网孔尺寸的最大值为相变温度以下时丝网的网孔尺寸的110％～130％。

优选地，本发明管芯自适应热管中，相变温度的取值介于50℃～100℃之间。

优选地，本发明管芯自适应热管中，丝网由形状记忆合金丝编织而成或由形状记忆合金粉末烧结铸造而成。

优选地，本发明管芯自适应热管中，丝网由形状记忆合金丝编织而成，网孔呈正方形，在相变温度以下时，正方形的边长的取值介于10μm～200μm之间。

优选地，本发明管芯自适应热管中，形状记忆合金材料为以下材料中的一种：镍钛系形状记忆合金、铁系形状记忆合金、铜镍系形状记忆合金、铜铝系形状记忆合金和铜锌系形状记忆合金。优选地，形状记忆合金材料为镍钛系形状记忆合金。

优选地，本发明管芯自适应热管中，筒状管芯中丝网的层数为2～8层。

优选地，本发明管芯自适应热管中，管壳呈长条状中空结构，其剖面为椭圆形或长方形，其材料为铜、铝、银或不锈钢。最优地，管壳的剖面为圆形，其材料为铜。

优选地，本发明管芯自适应热管中，工作液体为水、乙醇、甲醇或丙酮。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明中的热管采用形状记忆合金材料制备的多层管芯，组成该管芯的丝网经过训练，其网孔尺寸可以随温度的变换而自动调整，从而使热管能够自适应高热流密度和低热流密度的情况。

附图说明

图1为热管的剖面示意图；

图2A和图2B分别为图1所示热管的工作过程中蒸发段局部在热流密度较小和较大时的放大示意图；

图3为根据本发明第一实施例管芯自适应热管中层叠形成筒状管芯的丝网的示意图；

图4A和图4B为根据本发明第二实施例管芯自适应热管中层叠形成筒状管芯的丝网在25℃和80℃条件下的示意图。

【主要元件】

100-管壳；    200-管芯。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明是根据形状记忆合金经过训练后，在达到一定的温度条件时，可改变原有形状的记忆效应原理，而提出的一种网孔尺寸可以根据热流密度的变化自动调节的管芯，进而制备了一种能够自适应高热流密度和低热流密度情况的热管。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种管芯自适应热管。同样请参照图1、图2A和图2B，该管芯自适应热管包括：

管壳100，呈长条状中空结构；

筒状管芯200，位于管壳100内，贴合于管壳的内壁，为由多层丝网卷绕层叠形成的毛细多孔结构，工作液体填充于该毛细多孔结构的网孔中，在该筒状管芯200的内侧形成供汽态的工作液体流通的通道。

其中，上述丝网采用形状记忆合金材料加工制备，经过训练，在相变温度以上时其网孔尺寸大于在相变温度以下时其网孔尺寸。

以下对本实施例管芯自适应热管的各个组成部分进行详细说明。

本实施例中，管壳呈长条状中空结构，其剖面呈圆形，由铜材料制备而成，但本发明并不以此为限。管壳的剖面还可以为长方形或椭圆形(圆形为椭圆形的一种特殊情况)等各种形状，其还可以由铝、银、不锈钢等具有较高导热系数的金属材料制成。

本实施例中，在蒸发段的管壳长条状中空结构的内部，贴合管壳内壁设置多层丝网层叠形成的毛细多孔结构的筒状网芯。一般情况下，该同轴网芯中丝网的层数为2～8层。丝网由镍钛系形状记忆合金合金丝编织而成，相变温度以下网孔尺寸w为100μm，如图3所示。

本实施例中，形状记忆合金采用镍钛系形状记忆合金，但本发明并不以此为限，该形状记忆合金还可以采用镍钛系形状记忆合金、铁系形状记忆合金、铜镍系形状记忆合金、铜铝系形状记忆合金、铜锌系形状记忆合金。其中，对于上述形状记忆合金的每一种，合金中相应组分和含量均为已知的。由于本发明只是涉及利用形状记忆合金来加工管芯，而未涉及形状记忆合金材料的任何改变，此处不再对各种形状记忆合金材料的成分进行详细说明。

需要说明的是，对于形状记忆合金材料而言，在其成分确定之后，其相变温度即存在一个范围。将该形状记忆合金材料制成相应器件之后，就可以通过训练，将该形状记忆合金材料的相变点固定于上述范围内的其中的一个温度点，称之为相变温度。

本实施例中，基于镍钛系形状记忆合金自身的特性，对镍钛系形状记忆合金丝编织而成的丝网进行压缩扩张训练，使其相变温度固定于50℃。对于该丝网而言，其具有如下性质：在50℃以下时，丝网的网孔尺寸w基本不发生变化(热胀冷缩效应所引起的变化较小，可以忽略不计)，均为100μm；在50℃以上时，丝网的网孔尺寸开始逐渐增加，在100℃时，丝网的网孔尺寸达到最大值120μm；而在100℃以上时，丝网的网孔尺寸基本上不发生变化。

此外，本实施例中的构成管状管芯的丝网采用镍钛系形状记忆合金丝编织而成，但本发明并不以此为限，该丝网还可以是由形状记忆合金粉末烧结铸造而成，此类的丝网同样可以经过训练而使其在不同温度条件下具有不同的网孔尺寸。

在形成上述丝网之后，将该丝网卷绕层叠，从而形成本实施例的筒状管芯。将该筒状网芯置于热管中的蒸发段，注入工作液体，就形成了本实施例的管芯自适应热管。该工作液体可以为水、乙醇、甲醇、丙酮等。

根据所处位置的不同，热管在长度方向上被分为：蒸发段、冷凝段和介于蒸发段和冷凝段之间的传输段。本实施例中，筒状网芯仅位于热管的蒸发段，而在本发明其他实施例中，由训练后的形状记忆合金材料的多层网芯还可以位于热管的冷凝段和/或传输段，本发明并不对此进行限定。

对于本实施例的管芯自适应热管，由于形状记忆合金丝编织的丝网构成的网芯能够随着温度的变化而改变，因此可以产生如下效果：

(1)当温度较低时，形状记忆合金丝编织而成的丝网的网孔尺寸w较小，在10μm～200μm的范围内，能够在管芯的内部形成更大的毛细力，工作液体可在管芯的表面及内部形成更多的薄液膜区域；与之对应的是此时热管蒸发段的热流密度较低，蒸汽从管芯表面的蒸发起主导作用，而温度较低的管芯，网孔的尺寸w较小，能够在管芯的内部形成更大的毛细力。工作液体能够在管芯的表面形成更大的表面积，减少液泛影响，有利于低热流密度条件下，工作液体从管芯表面的蒸发，提高蒸发换热的强度；

(2)在温度较高时，工作液体发生沸腾，在管壁受热面上产生汽泡，汽泡不断上升，在管芯中形成通道，连续上升到液面上并进入蒸汽空间，此时温度较高的管芯，形状记忆合金丝编织而成的丝网的网孔尺寸w变大，相比于相变温度以下的网孔尺寸增加10％～30％以上，能够在管芯内形成更大的蒸汽通道，使沸腾汽泡和蒸汽更容易从管芯的网孔中逃出，有效地解决热管蒸发段在热流密度较高时，工作液体的蒸汽无法及时从管芯溢出，而导致的蒸发段压力升高，工作液体无法及时回流，蒸发段发生干涸而导致的热管失效的问题。

在本发明的另一个示例性实施例中，还提出了一种管芯自适应热管。在该管芯自适应热管中，筒状管芯为由多层丝网卷绕层叠形成的毛细多孔结构。丝网采用形状记忆合金材料加工制备，经过训练，压缩扩张训练，使其相变温度固定于60℃。

图4A和图4B为本发明第二实施例管芯自适应热管中层叠形成筒状管芯的丝网在25℃和80℃条件下的示意图。在25℃～60℃时，本实施例中管芯的丝网网孔呈正方形，其边长w₁为50μm，如图4A所示。在80℃下，本实施例中管芯的丝网网孔呈正方形，其边长w₂为62μm，如图4B所示。此外，在70℃和100℃时，丝网网孔的边长分别为55μm和65μm。可见，管芯的丝网网孔尺寸的确可以依据温度的变化而产生变化。

至此，已经结合附图对本发明两实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明管芯自适应热管有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)丝网的层数可以根据管壳的内径，热效率需求的情况进行调整，而不限于上述的2～8层；

(2)上述两实施例中，采用形状记忆合金材料加工制备的丝网在相变温度以下的网孔尺寸分别为50μm和100μm，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，丝网在相变温度以下的网孔尺寸可以为介于10μm～200μm的范围内的任意值；

(3)上述两实施例中，经由训练，相变温度分别为50℃和60℃，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，该相变温度可以经由训练确定于50℃～100℃之间的任意值；

(4)上述实施例中，在相变温度以上时，丝网的网孔尺寸的最大值为原网孔尺寸(相变温度以下时的网孔尺寸)的130％，但本发明并不以此为限，丝网的网孔尺寸的最大值可以为原网孔尺寸的110％～130％范围内的任意值。

综上所述，本发明采用形状记忆合金材料的管芯，该管芯经过训练，其网孔尺寸可以随温度的升高而增大，因此，采用此类管芯的热管既可以避免稀疏网孔在小热流密度下的液泛现象，又可以避免高密度网孔在大热流下的蒸干现象，显著增强了热管的取热能力和适应热负荷变化的能力，扩大了工作范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种管芯自适应热管，其特征在于，包括：

管壳(100)，呈中空结构；

筒状管芯(200)，位于所述管壳(100)内，贴合于所述管壳的内壁，为由多层丝网卷绕层叠形成的毛细多孔结构，工作液体填充于该毛细多孔结构的网孔中，在该筒状管芯(200)的内侧形成供汽态的工作液体流通的通道；

其中，所述丝网采用形状记忆合金材料加工制备，经过训练，在相变温度以上时其网孔尺寸大于在相变温度以下时其网孔尺寸。

2.根据权利要求1所述的管芯自适应热管，其特征在于，在相变温度以上时，所述丝网的网孔尺寸的最大值为相变温度以下时丝网的网孔尺寸的110％～130％。

3.根据权利要求1所述的管芯自适应热管，其特征在于，所述相变温度的取值介于50℃～100℃之间。

4.根据权利要求1所述的管芯自适应热管，其特征在于，所述丝网由形状记忆合金丝编织而成或由形状记忆合金粉末烧结铸造而成。

5.根据权利要求4所述的管芯自适应热管，其特征在于，所述丝网由形状记忆合金丝编织而成，网孔呈正方形，在相变温度以下时，正方形的边长的取值介于10μm～200μm之间。

6.根据权利要求1所述的管芯自适应热管，其特征在于，所述形状记忆合金材料为以下材料中的一种：镍钛系形状记忆合金、铁系形状记忆合金、铜镍系形状记忆合金、铜铝系形状记忆合金和铜锌系形状记忆合金。

7.根据权利要求1所述的管芯自适应热管，其特征在于，所述形状记忆合金材料为镍钛系形状记忆合金。

8.根据权利要求1所述的管芯自适应热管，其特征在于，所述筒状管芯中，丝网的层数为2～8层。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的管芯自适应热管，其特征在于，所述管壳呈长条状中空结构，其剖面为椭圆形或长方形，其材料为铜、铝、银或不锈钢。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的管芯自适应热管，其特征在于，所述工作液体为水、乙醇、甲醇或丙酮。