CN104266519A - 具有孔密度渐变的通孔金属泡沫热管换热装置 - Google Patents

具有孔密度渐变的通孔金属泡沫热管换热装置 Download PDF

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Abstract

一种利用刚性传热体技术领域的具有孔密度渐变的通孔金属泡沫热管换热装置，包括：热管和泡沫烧结于热管内壁的通孔金属泡沫，其中：热管的中部外层设置有绝热段，两端分别置于换热环境的冷端和热端；通孔金属泡沫的结构是：内部通孔为稠密程度渐变的结构，即孔隙率相同，孔密度沿热管壁面垂直方向逐渐增大或减小；或者孔密度相同，孔隙率沿热管壁面垂直方向逐渐增大或减小；或者孔密度和孔隙率都相同，使用的材质按层变化。本发明增大了换热比表面积，有利于因受热而逐渐膨胀的流体的流动和换热，增强了毛细力，使得该热管在换热效果相同的情况下换热效率更高，金属耗材更少、体积更小。

Description

具有孔密度渐变的通孔金属泡沫热管换热装置
本申请为申请号：201310051621.8,发明名称：具有渐变形貌特征的通孔金属泡沫热管换热装置,申请日：2013/2/17的分案申请。
技术领域
本发明涉及的是一种利用刚性传热体技术领域的装置，具体是一种具有孔密度渐变的通孔金属泡沫热管换热装置。
背景技术
热管是一种把沸腾和凝结两种换热方式结合在一起的传热元件，被广泛应用在电子、航空航天等领域。热管若被应用在太阳能集热领域，可以改善我们的环境条件，推动我国节能减排工作的进度。而如何提高热管的换热效率是目前研究工作的重点。通孔金属泡沫是一种新型的多孔材料，它的换热比表面积大(2000-10000m2/m3)，相对密度较小(是固体材料的2％-12％)，具有良好的力学和换热性能。通孔金属泡沫由金属骨架和蜿蜒的内部连通通道组成。流体在通孔金属泡沫内部流动时，被金属骨架扰动，又由于换热比表面积大，流体和金属泡沫的热量交换很充分，而具有良好的导热能力的金属骨架可以将流体的热量充分的传递出去，所以通孔金属泡沫是一种性能优异的强化换热材料。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101338985，公开日2009-1-7，记载了一种热管式多孔泡沫金属换热器，通过在壳体中的热管周围填充多孔泡沫金属的方法解决了热管的换热面积小的问题；中国专利文献号CN102157468，公开日2011-8-17，记载了一种大功率环路热管散热器及其制作方法，该热管散热器的蒸发器内部固定高导热的金属粉末或陶瓷粉末，提供了尽可能多的蒸发面以及液体蒸发所产生的蒸汽出口，以达到强化蒸发换热的目的。但上述现有技术主要针对结构均匀的金属泡沫或多孔介质，并不能充分利用金属泡沫的换热性能，总体换热效率相对较低。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种具有孔密度渐变的通孔金属泡沫热管换热装置，解决了现有热管换热效率低、耗材量多、体积大等问题。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：热管和泡沫烧结于热管内壁的通孔金属泡沫，其中：热管的中部外层设置有绝热段，两端分别置于换热环境的冷端和热端；
通孔金属泡沫的结构是：内部通孔为稠密程度渐变的结构，即孔隙率相同，孔密度沿热管壁面垂直方向逐渐增大或减小；或者孔密度相同，孔隙率沿热管壁面垂直方向逐渐增大或减小；或者孔密度和孔隙率都相同，使用的材质按层变化。
所述的孔密度的变化范围为3PPI—130PPI。
所述的孔隙率的变化范围为0.88—0.98。
所述的材质按层变化是指按导热系数从高到低排列的多种金属泡沫。
所述的通孔金属泡沫制备方法是通过熔模铸造法，其具体步骤包括：
第一步、将孔密度变化范围为3PPI-130PPI、孔隙率变化范围为0.88—0.98的聚氨酯海绵按层叠加粘合成一个整体；然后将其浸入到液体耐火材料中，使耐火材料充满其空隙；
第二步、在耐火材料硬化后加热使聚氨酯海绵气化分解，形成一个复制了聚氨酯海绵结构的三维骨架空间；
第三步、将金属熔融液浇注到此铸型内，待金属凝固后去除耐火材料就可形成具有渐变形貌特征的通孔金属泡沫；
当制备材质按层变化的渐变金属泡沫时，将各层按上述第一步至第三步制备得到的金属泡沫通过钎焊的方法焊接在一起即得。
所述的耐火材料是指：酚醛树脂、莫来石或石膏。
所述的金属是指：铝、铜、镍或其它金属合金。
所述的热管为倾斜设置。
所述的热管为圆形或椭圆形。
本发明通过在换热壁面烧结的稠密程度逐渐变化的通孔金属泡沫的方法提高了热管的换热性能，增大了换热比表面积，有利于因受热而逐渐膨胀的流体的流动和换热，增强了毛细力，使得该热管在换热效果相同的情况下换热效率更高，金属耗材更少、体积更小。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为实施例1的结构示意图；
图3为实施例3的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本申请包括：热管1和泡沫烧结于热管1内壁的通孔金属泡沫2，其中：热管1的中部外层设置有绝热段3，两端分别置于换热环境的冷端和热端；
通孔金属泡沫2的结构是：内部通孔为稠密程度渐变的结构，即孔隙率相同，孔密度沿热管1壁面垂直方向逐渐增大或减小；或者孔密度相同，孔隙率沿热管1壁面垂直方向逐渐增大或减小；或者孔密度和孔隙率都相同，使用的材质按层变化。
所述的孔密度的变化范围为3PPI—130PPI。
所述的孔隙率的变化范围为0.88—0.98。
所述的材质按层变化是指按导热系数从高到低排列的多种金属泡沫。
所述的通孔金属泡沫2制备方法是通过熔模铸造法，其具体步骤包括：
第一步、将孔密度变化范围为3PPI-130PPI、孔隙率变化范围为0.88—0.98的聚氨酯海绵按层叠加粘合成一个整体；然后将其浸入到液体耐火材料中，使耐火材料充满其空隙；
第二步、在耐火材料硬化后加热使聚氨酯海绵气化分解，形成一个复制了聚氨酯海绵结构的三维骨架空间；
第三步、将金属熔融液浇注到此铸型内，待金属凝固后去除耐火材料就可形成具有渐变形貌特征的通孔金属泡沫2；
当制备材质按层变化的渐变金属泡沫时，将各层按上述第一步至第三步制备得到的金属泡沫通过钎焊的方法焊接在一起即得。
所述的耐火材料是指：酚醛树脂、莫来石或石膏。
所述的金属是指：铝、铜、镍或其它金属合金。
如图1所示的换热装置中，通孔金属泡沫2稠密度的变化是中间疏，靠近热管1两个内壁越稠密。这样可以合理的利用通孔金属泡沫2和流体的换热递变性能，为受热膨胀的流体提供合适的流动空间。在热管1的热端，可以有更多的液体蒸发；在冷端，则有更多的蒸汽凝结成液体。由于靠近壁面通孔金属泡沫2非常稠密，毛细力很强，冷凝的液体能快速补充到热端，从而可以大大的增强换热。
实施例1
如图2所示，本实施例的通孔金属泡沫2为5层泡沫：第一通孔铜泡沫层4、第二通孔铜泡沫层5、第三通孔铜泡沫层6、第四通孔铜泡沫层7和第五通孔铜泡沫层8。
第一通孔铜泡沫层4孔密度为40PPI；第二通孔铜泡沫层5孔密度为30PPI；第三通孔铜泡沫层6孔密度为20PPI；第四通孔铜泡沫层7孔密度为10PPI；第五通孔铜泡沫层8孔密度为5PPI。
熔模铸造法具体步骤：
第一步、将孔密度分别为40PPI、30PPI、20PPI、10PPI和5PPI的聚氨酯海绵按层叠加粘合成一个整体；然后将其浸入到液体耐火材料中，使耐火材料充满其空隙；
第二步、在耐火材料硬化后加热使聚氨酯海绵气化分解，形成一个复制了聚氨酯海绵结构的三维骨架空间；
第三步、将铜金属熔融液浇注到此铸型内，待金属凝固后去除耐火材料就可形成具有渐变形貌特征的通孔金属泡沫2；
所述的耐火材料是指：酚醛树脂、莫来石或石膏。
实施例2
所述的热管1为倾斜设置。靠近热管1的通孔金属泡沫2的孔密度可选择最高孔密度130PPI，沿壁面垂直向内的孔密度变化梯度相对要大一些孔隙率选择较低的0.88，材质选择导热系数较高的金属，如纯铜，黄铜等，这样，在热端，靠近热管1的通孔金属泡沫2稠密，汽化核心多，加之稠密程度变化梯度大，更有利于气体向热管1中部快速集中上升到冷端；在冷端，更多的蒸汽可以通过靠近热管1壁的稠密的金属骨架被外界带走更多的热量，冷凝效率更高。若热管1换热量小，可根据相应的降低金属骨架稠密程度的变化梯度，也可减小热管1的倾斜程度，减小重力对回流液体的作用。绝热段3材料可选择隔热性能好的陶瓷纤维或玻璃纤维。内部烧结有渐变金属泡沫的倾斜热管的换热系数比普通热管的高一个数量级。
实施例3
如图3所示，所述的热管1为圆形或椭圆形。本实施例的优点在于，热端和冷端的气水交换通过两侧的圆形管进行，相比于单根管，换热效率更高。而且本实施例冷端在正上方，热端在正下方，冷凝后的后的回流液体在稠密金属泡沫毛细力和重力的双重作用下，回流速度更快。绝热段3材料可选择隔热性能非常好的陶瓷纤维或玻璃纤维。内部烧结有渐变金属泡沫的圆形或椭圆形热管的换热系数比同类型普通热管的高一个数量级。

Claims (9)

1.一种具有孔密度渐变的通孔金属泡沫热管换热装置，其特征在于，包括：热管和泡沫烧结于热管内壁的通孔金属泡沫，其中：热管的中部外层设置有绝热段，两端分别置于换热环境的冷端和热端；
通孔金属泡沫的结构是：内部通孔为稠密程度渐变的结构，即孔隙率相同，孔密度沿热管壁面垂直方向逐渐增大或减小。
2.根据权利要求1所述的换热装置，其特征是，所述的孔密度的变化范围为3PPI—130PPI。
3.根据权利要求1所述的换热装置，其特征是，所述的孔隙率的变化范围为0.88—0.98。
4.根据权利要求1所述的换热装置，其特征是，所述的材质按层变化是指按导热系数从高到低排列的多种金属泡沫。
5.根据权利要求1所述的换热装置，其特征是，所述的通孔金属泡沫制备方法是通过熔模铸造法，其具体步骤包括：
第一步、将孔密度变化范围为3PPI-130PPI、孔隙率变化范围为0.88—0.98的聚氨酯海绵按层叠加粘合成一个整体；然后将其浸入到液体耐火材料中，使耐火材料充满其空隙；
第二步、在耐火材料硬化后加热使聚氨酯海绵气化分解，形成一个复制了聚氨酯海绵结构的三维骨架空间；
第三步、将金属熔融液浇注到此铸型内，待金属凝固后去除耐火材料就可形成具有渐变形貌特征的通孔金属泡沫；
当制备材质按层变化的渐变金属泡沫时，将各层按上述第一步至第三步制备得到的金属泡沫通过钎焊的方法焊接在一起即得。
6.根据权利要求5所述的换热装置，其特征是，所述的耐火材料是指：酚醛树脂、莫来石或石膏。
7.根据权利要求5所述的换热装置，其特征是，所述的金属是指：铝、铜、镍或其它金属合金。
8.根据权利要求1-7任一项所述的换热装置，其特征是，所述的热管为倾斜设置。
9.根据权利要求1-7任一项所述的换热装置，其特征是，所述的热管为圆形或椭圆形。
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