CN106643248A - 一种粉末烧结式不锈钢热管及其制备方法 - Google Patents

一种粉末烧结式不锈钢热管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种粉末烧结式不锈钢热管,包括不锈钢管、第一不锈钢片、第二不锈钢片、吸液芯、液体工质;第一不锈钢片焊接在不锈钢管的一端,带有抽口的第二不锈钢片焊接在不锈钢管的另一端,用于灌注液体工质和抽真空的抽口的端部密封,第一不锈钢片、第二不锈钢片、不锈钢管围成真空腔室;吸液芯为固相烧结成的圆环状金属粉末管,经固相烧结紧密贴合在不锈钢管内壁上;液体工质在吸液芯的内侧。还涉及一种粉末烧结式不锈钢热管的制备方法。本发明具有强度高、性能稳定、应用范围广等优点,能适用于核电、航空卫星、海洋探索工程等领域的特殊环境,属于散热领域的相变传热技术领域。

Description

一种粉末烧结式不锈钢热管及其制备方法
技术领域
本发明涉及散热领域的相变传热技术,具体的说,涉及一种粉末烧结式不锈钢热管及其制备方法。
背景技术
热管依靠相变传热原理,具有高热导率、良好等温性、热启动快、结构简单、无额外电力驱动等优点,其已经成为各个行业散热领域的理想元件。
热管传热性能主要取决于吸液芯的性能。吸液芯结构主要有沟槽式、丝网式、纤维式和烧结式四种。
沟槽式吸液芯渗透性能最好,工质流动阻力最小,但毛吸力最小,抗重力工作能力差,而且对沟槽深度和宽度的尺寸要求很高而且方向性很强。丝网式吸液芯结构简单,可以通过丝网扎紧力灵活控制其孔隙率和孔径,但是轴向传热能力有限,径向热阻也较大。纤维式吸液芯具有高孔隙率、高渗透率的特点,但是孔隙结构毛细力小,抗重力工作能力差。粉末烧结式吸液芯毛细吸力最大,抗重力工作能力好,是目前应用最多的吸液芯结构。
铜具有很高的导热系数,目前市面上绝大多数的热管都是铜热管。然而在核电、航空卫星、海洋探索工程等领域,尤其是核电散热领域,具有高温高压、强辐射、强腐蚀性等严苛的环境,这对热管材质提出了更高的要求。由于不锈钢具有抗腐蚀、抗辐射、强度高等特点,研制不锈钢热管成为了一种可行方案。因此,粉末烧结式不锈钢热管可具有良好的传热性能,对于各种严苛环境的适用性更大。现有技术不存在不锈钢热管。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题,本发明的目的是:提供一种能在严苛环境使用的粉末烧结式不锈钢热管及其制备方法。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种粉末烧结式不锈钢热管,包括不锈钢管、第一不锈钢片、第二不锈钢片、吸液芯、液体工质;第一不锈钢片焊接在不锈钢管的一端,带有抽口的第二不锈钢片焊接在不锈钢管的另一端,用于灌注液体工质和抽真空的抽口的端部密封,第一不锈钢片、第二不锈钢片、不锈钢管围成真空腔室;吸液芯为固相烧结成的圆环状金属粉末管,经固相烧结紧密贴合在不锈钢管内壁上;液体工质在吸液芯的内侧。
作为一种优选,不锈钢管为长度0.1~1m,外径5~30mm,壁厚0.3~2mm的无缝圆管。
作为一种优选,吸液芯厚度为0.3~2mm,孔隙率为35%~55%。
作为一种优选,吸液芯的金属粉末为不锈钢粉或镍粉。
作为一种优选,金属粉末为球状金属粉末或枝状金属粉末,粒径为20~200um。
作为一种优选,液体工质为去离子水、液氨、丙酮、乙醇或R134a。
一种粉末烧结式不锈钢热管的制备方法,制备粉末烧结式不锈钢热管,包括如下步骤:(1)不锈钢管的制备:首先将无缝不锈钢管切割成所需长度,然后将其放入碱性溶液清洗5~15min除去表面油污,再放入酸性溶液中清洗5~15min进行除锈除垢,最后用清水冲洗烘干,得到不锈钢管;(2)吸液芯的制备:在不锈钢管中插入一根陶瓷芯棒,芯棒与不锈钢管同轴心;将选定的金属粉末均匀填充在芯棒与不锈钢管内壁所形成的环形空间中,不锈钢管两端采用不锈钢帽密封;最后整体放入气氛烧结炉中进行高温烧结;待烧结炉炉冷至室温,取下不锈钢帽,抽出陶瓷芯棒;(3)封装:先将不锈钢管一端用第一不锈钢片焊接密封,另一端用带有抽口的第二不锈钢片焊接,接着通过抽口向管内灌注液体工质,然后对不锈钢管进行抽真空处理,并经高温除去管内不凝性气体,最后抽口处由夹具夹断并进行焊接密封,得到粉末烧结式不锈钢热管。
作为一种优选,步骤(2)中,烧结温度为1100~1300℃,烧结时间为30~240min,烧结气氛为真空烧结、氮气气氛保护烧结或氩气气氛保护烧结;步骤(3)中,焊接密封采用氩弧焊或钎焊。
作为一种优选,步骤(2)中,不锈钢帽开有同轴的第一圆形凹槽和第二圆形凹槽,第一圆形凹槽开设在不锈钢帽的端面用于不锈钢管的端部和外侧的定位,第二圆形凹槽开设在第一圆形凹槽的底部用于芯棒的端部和外侧的定位。
作为一种优选,不锈钢帽开有至少两个沿着圆周均匀布置的螺纹孔,每个螺纹孔均贯穿第一圆形凹槽的侧壁;螺钉穿过螺纹孔后,端部顶在不锈钢管的外侧,对金属粉末封堵。
本发明的原理是:基于金属粉末固相烧结技术,热管包括不锈钢管、吸液芯和液体工质。经过高温固相烧结,金属粉末之间以及金属粉末与不锈钢管内壁之间形成烧结颈,实现冶金结合,形成了具有大量多/微尺度孔隙结构的吸液芯。在烧结吸液芯内灌注完液体工质,接着不锈钢管内部抽真空,然后管两端采用焊接密封。得到的粉末烧结式不锈钢热管具有良好的传热效果,并且能适用于核电、航空卫星、海洋探索工程等领域的特殊环境。
总的说来,本发明具有如下优点:
1.采用金属粉末固相烧结形成吸液芯,得到的烧结吸液芯具有结构稳定、比表面积大、孔隙率高且可控、毛细力大等优点,有利于提高热管的传热性能。
2.采用不锈钢作为管壁材料,制备出的粉末烧结式不锈钢热管具有强度高、性能稳定、应用范围广等优点,能适用于核电、航空卫星、海洋探索工程等领域的特殊环境。
3.采用两个阶梯式结构的圆形凹槽,保证不锈钢管和芯棒同轴,操作方便。
4.固相烧结时,不锈钢管的端部被穿过不锈钢帽的螺钉顶紧,不锈钢帽第一圆形凹槽底面紧贴着不锈钢管端部,第二圆形凹槽内表面紧贴着陶瓷芯棒,实现对金属粉末封堵,保证吸液芯的加工质量。
附图说明
图1是一种粉末烧结式不锈钢热管的结构示意图。
图2是一种粉末烧结式不锈钢热管烧结成型示意图。
其中,1-1为不锈钢管,1-2为吸液芯,1-3为液体工质,2-1为不锈钢帽,2-2为金属粉末,2-3为芯棒。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
一种粉末烧结式不锈钢热管,包括不锈钢管、第一不锈钢片、第二不锈钢片、吸液芯、液体工质。第一不锈钢片焊接密封在不锈钢管的一端,带有抽口的第二不锈钢片焊接密封在不锈钢管的另一端,用于灌注液体工质和抽真空的抽口的端部密封,第一不锈钢片、第二不锈钢片、不锈钢管围成真空腔室,内部抽真空;吸液芯为固相烧结成的圆环状金属粉末管,经固相烧结紧密贴合在不锈钢管内壁上;液体工质在吸液芯的内侧。
不锈钢管为长度1m,外径25mm,壁厚1.5mm的304L不锈钢无缝圆管。吸液芯为304L不锈钢球粉经固相烧结紧密贴合在不锈钢管内壁上而形成的圆环状金属粉末管,该吸液芯厚度为2mm,孔隙率约为40%。液体工质为去离子水。
上述粉末烧结式不锈钢热管的制备方法,可通过如下步骤实现:
(1)不锈钢管的制备:首先将一长段无缝不锈钢管切割成所需长度的短管,然后将其放入碱性溶液清洗5~15min除去表面油污,再放入酸性溶液中清洗5~15min进行除锈除垢,最后用清水冲洗烘干,得到不锈钢管。
(2)吸液芯的制备:如图2所示,在不锈钢管中插入一根陶瓷芯棒,芯棒与不锈钢管同轴心;将粒径为50-75um的304L不锈钢球粉均匀填充在芯棒与不锈钢管内壁所形成的环形空间中,不锈钢管两端采用不锈钢帽密封,其中第一圆形凹槽顶住不锈钢管的外侧和端部,第二圆形凹槽顶住芯棒的外侧和端部,保证不锈钢管和芯棒同心;最后整体放入气氛烧结炉中进行高温真空烧结;烧结温度为1200℃,烧结时间30min。待烧结炉炉冷至室温,取下不锈钢帽,抽出陶瓷芯棒。
不锈钢帽中心有两个圆形凹槽,第一圆形凹槽开设在不锈钢帽的端面用于不锈钢管的端部和外侧的定位,第二圆形凹槽开设在第一圆形凹槽的底部用于芯棒的端部和外侧的定位,保证芯棒与不锈钢管同轴心。不锈钢帽的侧面加工有两个螺纹孔,并采用螺钉紧固在不锈钢管的两侧,实现对不锈钢球粉的封堵。
(3)封装:先将不锈钢管一端用第一不锈钢片焊接密封,另一端用带有φ4mm抽口的第二不锈钢片焊接,接着通过φ4mm抽口向管内灌注50ml去离子水,然后对不锈钢管进行抽真空处理,并经高温除去管内不凝性气体,最后抽口处由夹具夹断并进行焊接密封,得到粉末烧结式不锈钢热管。
除了本实施例提及的方式外,液体工质还可选用液氨、丙酮、乙醇或R134a;金属粉末可选用枝状镍粉、球状镍粉或枝状不锈钢粉。这些变换方式均在本发明的保护范围内。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种粉末烧结式不锈钢热管,其特征在于:包括不锈钢管、第一不锈钢片、第二不锈钢片、吸液芯、液体工质;第一不锈钢片焊接在不锈钢管的一端,带有抽口的第二不锈钢片焊接在不锈钢管的另一端,用于灌注液体工质和抽真空的抽口的端部密封,第一不锈钢片、第二不锈钢片、不锈钢管围成真空腔室;吸液芯为固相烧结成的圆环状金属粉末管,经固相烧结紧密贴合在不锈钢管内壁上;液体工质在吸液芯的内侧。
2.按照权利要求1所述的粉末烧结式不锈钢热管,其特征在于:不锈钢管为长度0.1~1m,外径5~30mm,壁厚0.3~2mm的无缝圆管。
3.按照权利要求1所述的粉末烧结式不锈钢热管,其特征在于:吸液芯厚度为0.3~2mm,孔隙率为35%~55%。
4.按照权利要求1所述的粉末烧结式不锈钢热管,其特征在于:吸液芯的金属粉末为不锈钢粉或镍粉。
5.按照权利要求4所述的粉末烧结式不锈钢热管,其特征在于:金属粉末为球状金属粉末或枝状金属粉末,粒径为20~200um。
6.按照权利要求1所述的粉末烧结式不锈钢热管,其特征在于:液体工质为去离子水、液氨、丙酮、乙醇或R134a。
7.一种粉末烧结式不锈钢热管的制备方法,制备权利要求1-6中任一项所述的粉末烧结式不锈钢热管,其特征在于:包括如下步骤:
(1)不锈钢管的制备:首先将无缝不锈钢管切割成所需长度,然后将其放入碱性溶液清洗5~15min除去表面油污,再放入酸性溶液中清洗5~15min进行除锈除垢,最后用清水冲洗烘干,得到不锈钢管;
(2)吸液芯的制备:在不锈钢管中插入一根陶瓷芯棒,芯棒与不锈钢管同轴心;将选定的金属粉末均匀填充在芯棒与不锈钢管内壁所形成的环形空间中,不锈钢管两端采用不锈钢帽密封;最后整体放入气氛烧结炉中进行高温烧结;待烧结炉炉冷至室温,取下不锈钢帽,抽出陶瓷芯棒;
(3)封装:先将不锈钢管一端用第一不锈钢片焊接密封,另一端用带有抽口的第二不锈钢片焊接,接着通过抽口向管内灌注液体工质,然后对不锈钢管进行抽真空处理,并经高温除去管内不凝性气体,最后抽口处由夹具夹断并进行焊接密封,得到粉末烧结式不锈钢热管。
8.按照权利要求7所述的粉末烧结式不锈钢热管的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,烧结温度为1100~1300℃,烧结时间为30~240min,烧结气氛为真空烧结、氮气气氛保护烧结或氩气气氛保护烧结;步骤(3)中,焊接密封采用氩弧焊或钎焊。
9.按照权利要求7所述的粉末烧结式不锈钢热管的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,不锈钢帽开有同轴的第一圆形凹槽和第二圆形凹槽,第一圆形凹槽开设在不锈钢帽的端面用于不锈钢管的端部和外侧的定位,第二圆形凹槽开设在第一圆形凹槽的底部用于芯棒的端部和外侧的定位。
10.按照权利要求9所述的粉末烧结式不锈钢热管的制备方法,其特征在于:不锈钢帽开有至少两个沿着圆周均匀布置的螺纹孔,每个螺纹孔均贯穿第一圆形凹槽的侧壁;螺钉穿过螺纹孔后,端部顶在不锈钢管的外侧,对金属粉末封堵。
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