CN107462097A - 一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯及其加工方法，属于多孔介质相变传热与流动领域。本发明的毛细芯选择熔点较高的粉末颗粒与熔点较低的纤维混合烧结，控制温度使纤维完全烧结构成毛细芯骨架，粉末颗粒不发生烧结，能够在纤维骨架空间内根据热负荷移动自动调节孔径；将该毛细芯应用于环路热管，在不同热负荷下自动调节粉末颗粒孔径，调节毛细芯抽吸力，防止相变界面深入毛细芯的内部，减小毛细芯工作时的传热热阻，同时能够减小流动阻力，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可变孔径毛细芯及其加工方法

技术领域

本发明涉及多孔介质相变与流动技术领域，更具体地说，涉及一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯及其加工方法，也可应用于航空热控及电子设备冷却等领域。

背景技术

环路热管(LoopHeatPipe，简称LHP)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、无运动部件等优点。环路热管是由蒸发器、补偿腔、蒸汽管道、液体管道和冷凝器构成的一种分离式热管，其工作过程如附图1所示：蒸发器6与散热部件发热面贴合受热后，热量通过蒸发器6的壁面导入毛细芯11，毛细芯11吸收热量，靠近受热面的工质发生相变，蒸汽通过蒸汽管道7进入冷凝器8冷凝成液体，冷凝的液态工质受到蒸发器6内毛细芯11的毛细抽吸力，经液体管道9回流到补偿腔10，补偿腔10内的液体补充毛细芯11内的液体蒸发，这一蒸发-冷凝循环将散热部件的热量不断传递到外界。

环路热管中的毛细芯因其多孔结构换热面积较大，在环路热管运行时，在毛细芯内工质发生相变，同时因其微孔具有毛细抽吸力，也是整个环路热管系统的唯一动力来源，因此毛细芯被称为环路热管的“心脏”部位。目前所用的毛细芯通常采用烧结金属毛细芯，常用的毛细芯为单一粉末的烧结毛细芯。在此基础上，目前毛细芯中常加入一些造孔剂形成双孔径毛细芯，利用小孔增大毛细芯抽吸力、大孔径减小降低内部的流动阻力，同时有利于生成的蒸汽脱离。但是当毛细芯造孔剂加到一定百分比后这些优势将消失。

金属粉末在烧结过程中金属粉末接触面各颗粒表面上的原子发生迁移，从而形成烧结颈，使各金属粉末颗粒间接触部分结合强化；同时金属粉之间位置相对是固定的，在热负荷较大的情况下，相变界面将逐渐深入毛细芯内部，蒸汽层厚度将增大，毛细芯热阻将增大；环路热管工作时热负荷不同，则相界面不稳定、温度波动较大，整体运行性能较差。为此，设计一种多孔径结构、低流动阻力、低蒸发热阻、能稳定蒸发界面的高性能毛细芯是目前行业内急需要解决的问题。

经检索，中国专利申请号：2016102861131，申请日：2016年4月28日，发明创造名称为：一种应用于环路热管系统的粉末-微纤维复合多孔毛细芯，该申请案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，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。

又如中国专利申请号：2011103986112，申请日：2011年12月5日，发明创造名称为：一种孔径可控的多孔毛细芯的制备方法，该申请案公开了一种孔径可控的多孔毛细芯的制备方法，该方法在毛细芯烧结原料基体粉末中均匀混入与基体粉末不反应的可溶性盐粉末，将混合后的粉末冷压成型成毛细芯所需形状；将成型后的原料在惰性气体保护下进行无压烧结或加压烧结，然后用水洗去可溶盐制得。该申请案制备过程简单，成本较低，且制造出了高强度、孔隙率可控的毛细芯。

综上所述，现有技术中对于对于毛细芯的结构设计及制作方法均有大量公开，但仍难以满足行业内实践的需求，对于毛细芯的持续性研究是行业内矢志不渝的追求。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中环路热管工作时热负荷不同、运行性能较差的不足，提供了一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯及其加工方法，在环路热管运行时，根据所受热负荷不同，毛细芯内部粉末颗粒可移动位置，从而改变其孔径，快速满足其抽吸力的要求，降低流动阻力，并优化系统的传热特性、稳定蒸发界面、降低蒸发热阻，从而提高环路热管的运行性能。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯，包括纤维和粉末颗粒，纤维作为内部骨架将粉末颗粒固定在毛细芯内部，毛细芯内部还包括纤维孔隙、粉末孔隙和粉末纤维孔隙，粉末颗粒能够在骨架内根据热负荷变化带来的弯液面压差下移动，从而调节毛细芯孔径。

更进一步地，粉末孔隙随着粉末颗粒的移动而变化。

更进一步地，纤维为低熔点金属纤维，熔点为1000～1200℃。

更进一步地，纤维的长径比为5～100。

更进一步地，粉末颗粒为高熔点金属粉末颗粒，熔点为1500～1800℃。

本发明的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯的加工方法，将纤维、粉末颗粒和填充剂进行混合烧结，烧结温度为纤维熔点的40％～50％，完全烧结的纤维分布在粉末颗粒周围构成毛细芯骨架，未烧结的粉末颗粒在骨架内部可以移动，根据毛细芯所受热负荷不同，粉末颗粒对应平衡在不同位置。

更进一步地，所述填充剂为Na₂CO₃或NaCl或尿素。

更进一步地，纤维为低熔点金属纤维，熔点为1000～1200℃。

更进一步地，纤维的长径比为5～100。

更进一步地，粉末颗粒为高熔点金属粉末颗粒，熔点为1500～1800℃。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯，利用熔点较高的粉末颗粒与熔点较低的纤维共同混合烧结，粉末颗粒能够在骨架内根据热负荷变化带来的弯液面压差下移动，对应平衡在不同的孔径和位置，快速满足抽吸力的要求，降低流动阻力，并优化系统的传热特性、稳定蒸发界面、降低蒸发热阻，从而提高整体系统的运行性能。

(2)本发明的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯，烧结温度为纤维熔点的40％～50％，使纤维烧结完全形成骨架，粉末颗粒则未达到烧结效果，而不能与其他粉末颗粒或纤维粘结，当毛细芯所受热负荷不同时，内部未烧结的粉末颗粒则对应平衡在不同的孔径和位置，从而实现毛细芯孔径的自动调节。

(3)本发明的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯，在环路热管工作时可以调节抽吸性，当热负荷较小时，抽吸性较小，毛细芯内部自由分散的粉末颗粒间空隙即能满足抽吸性的要求；当热负荷较大时，粉末颗粒被蒸汽推动聚集，粉末间孔径减小抽吸性增大，从而稳定相变界面，防止其深入毛细芯内部。

(4)本发明的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯，粉末颗粒将会受热负荷大小与相变界面的影响移动位置，粉末颗粒间的孔径也将随之改变，这一自动调节不需要任何辅助工作，应用极为便利。

(5)本发明的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯，粉末颗粒依靠纤维骨架稳定在毛细芯内部，粉末颗粒与纤维之间烧结接触面积较低，导热系数较低；未烧结的粉末颗粒在毛细芯内部与纤维之间接触有限，同时粉末颗粒之间也并非完全直接接触，而是将热量传至纤维后传至下一组粉末颗粒，因此毛细芯的有效导热系数得到了极大降低，减小了毛细芯的背向漏热。

(6)本发明的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯，粉末颗粒在移动过程中强化对蒸汽加热，能够提高环路热管的循环动力，同时将热量迅速传递至相变界面以增强传热。

附图说明

图1为环路热管的工作状态示意图；

图2为本发明的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯的结构示意图；

图3为低热负荷下本发明的毛细芯工作状态示意图；

图4为正常热负荷下本发明的毛细芯工作状态示意图；

图5为高热负荷下本发明的毛细芯工作状态示意图。

示意图中的标号说明：1、纤维；2、粉末颗粒；3、纤维孔隙；4、粉末孔隙；5、粉末纤维孔隙；6、蒸发器；7、蒸汽管路；8、冷凝器；9、液体管路；10、补偿腔；11、毛细芯；12、液相；13、相变界面；14、气相；15、相变界面粉末；16、蒸汽层粉末。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

如图2所示，本实施例的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯，包括纤维1和粉末颗粒2，还包括纤维孔隙3、可变的粉末孔隙4和粉末纤维孔隙5，其中纤维1作为内部骨架将粉末颗粒2固定在毛细芯内部，粉末颗粒2能够在骨架内根据热负荷变化带来的弯液面压差下移动，粉末孔隙4也随着粉末颗粒2的移动而变化，从而调节毛细芯孔径，快速满足毛细芯内相变界面13稳定的要求，而粉末孔隙4的移动可以根据热负荷改变抽吸性并优化传热。

本实施例中通过采用熔点差异较大的金属原材料来制备毛细芯，其中纤维1为低熔点金属纤维，熔点为1200℃，且长径比为5～100，粉末颗粒2为高熔点金属粉末颗粒，熔点为1800℃，粉末颗粒2与纤维1的配比及尺寸可以根据实践中毛细芯所需要的物性参数进行调整，在此不再详述。

本实施例的毛细芯采用如下方法进行加工：将作为原料的纤维1、粉末颗粒2和填充剂进行混合烧结，烧结温度为纤维1熔点的40％～50％，即适宜纤维1烧结的温度，填充剂为Na₂CO₃，可以对毛细芯的孔径及孔隙率进行优化控制。在烧结过程中，当加热到约0.4倍纤维1熔点时，粉末颗粒2许多原子发生扩散，首先形成颗粒间的初始金属结合，继续加热，粉末颗粒2接触面各颗粒表面上的原子发生迁移，从而形成烧结颈，使各粉末颗粒2间接触部分结合强化。毛细芯烧结后粉末颗粒2之间的接触面积增大，增大毛细芯的有效导热系数，毛细芯烧结完全后，其内部孔道减少，从而减小了其孔隙率，毛细力减小从而降低了毛细芯的抽吸能力，在环路热管系统中，降低了其循环动力。未完全烧结的毛细芯，因其粉末颗粒2未烧结，能够保证该毛细芯具有较高的表面传热系数，但整体热导率较低，既能保证表面蒸发，又能减少背向漏热；同时在内部孔径分布上，未烧结完全的粉末颗粒2保留了大多数的孔道供工质流通，减小接触面积、减小了导热系数。

本实施例利用熔点较高的粉末颗粒2与熔点较低的纤维1，根据熔点的不同使纤维1烧结完全形成骨架，粉末颗粒2未达到烧结效果，而不能与其他粉末颗粒2或纤维1粘结，当毛细芯所受热负荷不同时，内部未烧结的粉末颗粒2则对应平衡在不同的孔径和位置。具体地，如采用316L不锈钢粉末与铜纤维，在500℃烧结温度下，铜纤维将被完全烧结，而不锈钢粉末则未烧结保持原来形态，铜纤维构造整个毛细芯骨架，不锈钢粉末在其内部移动。

本实施例中环路热管在工作时，热量加载到毛细芯，工质受热相变，在毛细芯内部形成气液界面，液相12和气相14之间为相变界面13，随着热负荷的不同，该毛细芯内部粉末颗粒2位置发生改变，如图3所示，在低负荷下，毛细芯迅速发生相变带走热量，相变界面13在毛细芯底部；如图4所示，随着热负荷的增加，在正常热负荷下，相变界面13朝上移动，相变界面粉末15移动改变来缩小孔径，增大抽吸性，防止相变界面13深入；如图5所示，热负荷继续增加，在高热负荷下，相变界面13向上移动，相变界面粉末15移动改变缩小孔径，增大抽吸性，防止相变界面13大幅度深入，同时蒸汽层粉末16在蒸汽压力作用下往复运动，增强蒸发器6与相变界面13间的传热，同时该毛细芯有效导热系数较低，减小背向漏热，降低整个系统的运行温度。

本实施例的毛细芯在实际使用时，能够有效调控相变界面13，防止其深入毛细芯内部，传统的毛细芯相变界面会随着热负荷的增加深入毛细芯，而本实施例的可变孔径毛细芯，在环路热管工作时可以调节抽吸性，当热负荷较小时，抽吸性较小，毛细芯内部自由分散的粉末颗粒2间空隙即能满足抽吸性的要求；当热负荷较大时，粉末颗粒2被蒸汽推动聚集，粉末间孔径减小抽吸性增大，稳定相变界面13，防止其深入毛细芯内部。

其次，本实施例的毛细芯可以自动调节抽吸性，降低流动阻力，具体地，本实施例可变孔径的毛细芯，未烧结的粉末颗粒2在烧结的纤维1骨架内移动，粉末颗粒2所占孔隙较大，工质流入毛细芯时总是会趋向于流入阻力小的通道，粉末颗粒2受力后将移动至阻力最小的位置以降低流动阻力，供工质流通。在环路热管工作时，粉末颗粒2将会受热负荷大小与相变界面13的影响移动位置，粉末颗粒2间的孔径也将随之改变，当孔径增大时，毛细芯抽吸力减小，当孔径减小时，毛细芯抽吸力增大，这一自动调节不需要任何辅助工作，完全是根据热负荷与相变界面13的变化自动调节。

再次，本实施例的毛细芯能降低有效导热系数，减少漏热，具体地，粉末颗粒2依靠纤维1骨架稳定在毛细芯内部，粉末颗粒2与纤维1之间烧结接触面积较低，导热系数较低；未烧结的粉末颗粒2在毛细芯内部与纤维1之间接触有限，同时粉末颗粒2之间也并非完全直接接触，而是将热量传至纤维1后传至下一组粉末颗粒2，因此毛细芯的有效导热系数得到了极大降低，减小了毛细芯的背向漏热。

需要说明的是，本实施例中粉末颗粒2的移动还能增强传热，在环路热管工作时，当热负荷较大时，毛细芯内部相变发生较快，产生较多的蒸汽，当蒸汽通过毛细芯进入蒸汽管路7时，位于相变界面13以下的可移动的粉末颗粒2在蒸汽压力作用下，将在骨架内快速反复移动，粉末颗粒2在移动过程中强化对蒸汽加热，提高环路热管的循环动力，同时将热量迅速传递至相变界面13以增强传热。

还需要说明的是，本实施例的毛细芯还能有效降低环路热管的运行温度，具体地，该可变孔径毛细芯导热系数较低，背向漏热较少，因此补偿腔10内工质温度较低，同时根据热负荷不同，粉末颗粒2将改变孔径，调节毛细芯抽吸力，稳定相变界面13与蒸发速率，减小蒸汽层热阻，使整个环路热管运行温度降低。

本实施例的可变孔径的毛细芯在环路热管运行时，能够根据所受热负荷不同，内部粉末颗粒移动位置改变孔径，快速满足抽吸力的要求，降低流动阻力，并优化系统的传热特性、稳定蒸发界面、降低蒸发热阻，从而提高整体系统的运行性能。

实施例2

本实施例的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯，基本同实施例1，所不同的是，本实施例中纤维1为低熔点金属纤维，熔点为1000℃，粉末颗粒2为高熔点金属粉末颗粒，熔点为1500℃；混合烧结时的填充剂为尿素。

实施例3

本实施例的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯，基本同实施例1，所不同的是，本实施例中纤维1为低熔点金属纤维，熔点为1100℃，粉末颗粒2为高熔点金属粉末颗粒，熔点为1600℃；混合烧结时的填充剂为NaCl。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯，其特征在于：包括纤维(1)和粉末颗粒(2)，纤维(1)作为内部骨架将粉末颗粒(2)固定在毛细芯内部，毛细芯内部还包括纤维孔隙(3)、粉末孔隙(4)和粉末纤维孔隙(5)，粉末颗粒(2)能够在骨架内根据热负荷变化带来的弯液面压差下移动，从而调节毛细芯孔径。

2.根据权利要求1所述的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯，其特征在于：粉末孔隙(4)随着粉末颗粒(2)的移动而变化。

3.根据权利要求1所述的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯，其特征在于：纤维(1)为低熔点金属纤维，熔点为1000～1200℃。

4.根据权利要求3所述的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯，其特征在于：纤维(1)的长径比为5～100。

5.根据权利要求3所述的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯，其特征在于：粉末颗粒(2)为高熔点金属粉末颗粒，熔点为1500～1800℃。

6.一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯的加工方法，其特征在于：将纤维(1)、粉末颗粒(2)和填充剂进行混合烧结，烧结温度为纤维(1)熔点的40％～50％，完全烧结的纤维(1)分布在粉末颗粒(2)周围构成毛细芯骨架，未烧结的粉末颗粒(2)在骨架内部可以移动，根据毛细芯所受热负荷不同，粉末颗粒(2)对应平衡在不同位置。

7.根据权利要求6所述的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯的加工方法，其特征在于：所述填充剂为Na₂CO₃或NaCl或尿素。

8.根据权利要求6所述的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯的加工方法，其特征在于：纤维(1)为低熔点金属纤维，熔点为1000～1200℃。

9.根据权利要求8所述的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯的加工方法，其特征在于：纤维(1)的长径比为5～100。

10.根据权利要求8所述的一种应用于环路热管系统的可变孔径毛细芯的加工方法，其特征在于：粉末颗粒(2)为高熔点金属粉末颗粒，熔点为1500～1800℃。