CN105928403A - 一种应用于环路热管系统的粉末-微纤维复合多孔毛细芯 - Google Patents

一种应用于环路热管系统的粉末-微纤维复合多孔毛细芯 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于环路热管系统的粉末‑微纤维复合多孔毛细芯，属于多孔介质相变传热与流动技术领域。该毛细芯采用金属粉末和微纤维混合烧结，金属粉末之间通过微纤维连接，实现粉末间微纤维形成的小孔径以及颗粒粉末间形成的大孔径的双孔径多孔介质结构。该毛细芯独特的结构赋予其具有高毛细抽吸力、低流动阻力、高表面蒸发率和低有效热导率的流动传热特性。将其应用于环路热管系统，可以强化内部的传热传质，稳定工质的蒸发相变界面，减小向补偿腔的漏热，消除或削弱系统运行的温度波动，从而提高环路热管的运行性能。

Description

一种应用于环路热管系统的粉末-微纤维复合多孔毛细芯
技术领域
本发明属于多孔介质相变传热与流动技术领域，具体涉及一种应用于环路热管系统的粉末-微纤维复合多孔毛细芯，可应用于便携式或台式计算机以及其他高热流密度电子器件散热等领域。
背景技术
环路热管是一种利用工质相变传递热量的高效被动传热装置，具有传热能力强、传热热阻低、传输距离长、等温性好、无运动部件等优点，适用于高热流密度电子器件的散热和航天器热控等领域。环路热管是一种分离式热管，主要由蒸发器、冷凝器、蒸汽管道、液体管道和补偿腔组成。其蒸发器与冷凝器相分离，通过光滑的蒸汽管道和液体管道连接起来，仅在蒸发器处布置多孔毛细芯，不仅减小了系统的运行阻力，而且方便了系统管路的布置。其工作过程为：散热部件发热面与蒸发器加热面贴合，热量通过蒸发器壁面导入毛细芯，毛细芯内的液态工质吸收热量发生相变，产生的蒸汽通过蒸汽管道进入冷凝器冷凝为液体，冷凝的液态工质在蒸发器内毛细芯的毛细抽吸作用下经液体管道回流到补偿腔，补充蒸发器毛细芯内的液体蒸发，形成蒸发—冷凝循环，实现将散热部件的热量不断传递到外界。
环路热管毛细芯提供了系统运行的动力，是其关键部件。常用的粉末烧结形成的毛细芯为单孔径毛细芯，结构特点如图1所示。但是毛细芯内部同时发生工质的流动以及运行所需的抽吸力，因此，在其结构设计上存在一个矛盾，即小孔径能够提升其毛细芯抽吸力，而大孔径能够降低其内部的流动阻力。在此基础上，双孔径毛细芯被提出来同时实现这两个目标，双孔径毛细芯的结构示意图如图2所示。双孔径毛细芯主要是在其内部同时形成大孔与小孔，小孔的存在保证毛细芯具有足够的毛细抽吸力，而大孔能够降低工质在其内部的流动阻力，同时有利于生成的蒸汽脱离。但是当造孔剂的比例增加到一定百分比后，其结构优势将消失。在材料选择方面，毛细芯使用导热系数较大的金属材料来加强工质的蒸发相变，环路热管运行时，毛细芯向补偿腔的漏热量较大，不仅使补偿腔温度升高，而且增加了系统运行的波动性。补偿腔温度升高导致补偿腔内的液体发生相变，补偿腔处于气液两相状态，内部压力增大，增加了系统运行的阻力，因而也增加了系统的运行温度。随着运行热负荷的增加，毛细芯内的蒸发相变界面向内部迁移，不利于生成蒸汽的脱离，而且可能增加系统运行的温度波动。为此，设计一种能够高效蒸发且能够稳定蒸发界面的高性能毛细芯的设计是一个亟需解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明要解决的技术问题在于提供一种适合环路热管的粉末-微纤维复合多孔毛细芯，以期该毛细芯具有较高的表面传热系数，但是整体的有效热导率较低，即在保证表面蒸发的同时，削弱向补偿腔的漏热；同时在内部孔径分布上，微纤维间形成小孔径保证毛细芯具有足够的毛细抽吸力，同时在粉末颗粒间形成的大孔径内，微纤维的存在对内部液体工质的蒸发相变界面起到稳定界面的作用。
为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案予以实现的。
本发明提供了一种适合环路热管的粉末-微纤维复合多孔毛细芯，该毛细芯为双孔径多孔介质结构，包括：微纤维、粉末颗粒、纤维孔隙、粉末孔隙；所述微纤维分布在粉末颗粒的表面，在微纤维间形成小孔径的纤维孔隙，在粉末颗粒间形成大孔径的粉末孔隙。
进一步的，所述粉末颗粒采用球形或树形且能够烧结形成内部孔隙的高热导率金属粉末，微纤维采用具有宽范围长径比的高强度材料。
与现有技术相比，本发明的粉末-微纤维复合多孔毛细芯应用于环路热管时，具有以下显著优点：
1)具有优良的传热传质性能
本发明的粉末-微纤维复合毛细芯同时具有较大的粉末孔隙和较小的纤维孔隙。内部工质的单相流动主要在粉末孔隙内进行，具有较低的流动阻力。而对于蒸发相变界面，微纤维能够为其提供附着面，而且微纤维形成的较小的纤维孔隙保证该毛细芯具有较高的毛细抽吸力。传热方面，微纤维结构能够强化传热，增强相变界面的蒸发；而且微纤维结构阻止粉末间直接接触，从而降低了该毛细芯的整体有效热导率。因此，本发明的粉末-微纤维复合毛细芯是一种高孔隙率、高渗透率、高表面蒸发率和低有效热导率的高性能毛细芯。
2)可以减小环路热管的温度波动
根据已有的理论和实验工作，认为补偿腔内的温度和压力波动是导致系统运行温度波动的主要因素。本发明的粉末-微纤维复合毛细芯内部微纤维结构能够稳定蒸发相变界面，且其有效热导率得到有效降低，通过减小漏热来降低补偿腔内的温度，从而减小补偿腔内因气泡的生成和湮灭带来的温度和压力波动。
3)能够降低环路热管的运行温度
本发明的粉末-微纤维复合毛细芯具有高表面蒸发率，加载到蒸发器上的热量更多的被毛细芯内的液体工质吸收，同时整体的有效热导率较低，毛细芯的背向导热减小，降低了补偿腔的温度和压力，有利于环路热管的启动和运行，从而降低系统的运行温度。
4)加快环路热管的启动
本发明毛细芯的表面传热系数高，毛细芯内的工质较快吸热蒸发，而毛细芯的整体有效热导率低，补偿腔的温度受到毛细芯的背向导热的影响减小，从而补偿腔内的压力上升减慢，环路热管内很快建立能够启动运行的压差。同时，微纤维提供了更多的蒸发弯液面，工质的蒸发相变得到强化，从而加快系统的启动运行。
附图说明
图1是单孔径毛细芯工作示意图。
图2是双孔径毛细芯工作示意图。
图3是本发明的粉末-微纤维复合毛细芯示意图。
图4是本发明粉末孔隙和纤维孔隙的放大示意图。
附图标记说明：
1—微纤维，2—粉末颗粒，3—纤维孔隙，4—粉末孔隙。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明为一种高表面蒸发率、低有效热导率、高毛细抽吸力和低流动阻力的毛细芯。如图3所示，本发明实施例的粉末-微纤维复合多孔毛细芯主要由两个部分组成：微纤维1和粉末颗粒2；纤维孔隙3和粉末孔隙4。其中微纤维1主要分布在粉末颗粒2表面，粉末颗粒2之间通过微纤维1连接。该毛细芯为微纤维1间形成的小孔径(即纤维孔隙3)以及粉末颗粒2间形成的大孔径(即粉末孔隙4)的双孔径多孔介质结构。微纤维1采用具有宽范围长径比的高强度材料，粉末颗粒2采用球形或树形等高热导率金属粉末，纤维孔隙3与粉末孔隙4的大小及纤维在粉末颗粒表面的分布数量根据要求的毛细芯强度及毛细抽吸力的大小调整。
该毛细芯工作时，热量加载到毛细芯，由粉末颗粒2和微纤维1加热毛细芯内部的液态工质，当工质发生相变并在毛细芯内形成气液界面时，气液界面附着在粉末颗粒和微纤维表面，粉末颗粒间的微纤维附着气液界面后，既减小了气液界面的曲率半径，增强了界面的稳定性，又有利于加热工质促进蒸发相变。
为了实现本发明的毛细芯结构，可以采用微纤维、粉末以及填充剂进行混合烧结，通过NaCl或Na2CO3等填充剂来调节微纤维在粉末颗粒表面的分布以及毛细芯的孔径控制，通过烧结实验的方法实现目标结构的毛细芯。

Claims (2)

1.一种应用于环路热管系统的粉末-微纤维复合多孔毛细芯，其特征在于，该毛细芯为双孔径多孔介质结构，包括：微纤维(1)、粉末颗粒(2)、纤维孔隙(3)以及粉末孔隙(4)；
所述微纤维(1)分布在粉末颗粒(2)的表面，在微纤维(1)间形成小孔径的纤维孔隙(3)，在粉末颗粒(2)间形成大孔径的粉末孔隙(4)。
2.如权利要求1所述的一种应用于环路热管系统的粉末-微纤维复合多孔毛细芯，其特征在于，所述粉末颗粒(2)采用球形或树形且能够烧结形成内部孔隙的高热导率金属粉末，微纤维(1)采用具有宽范围长径比的高强度材料。
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