CN108507384A - 一种二维梯度孔隙复合毛细芯及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型二维梯度孔隙复合毛细芯，属于热管技术领域，包括在x方向存在孔隙梯度g1的多孔层m1、多孔层m2、...、多孔层m，以及在y方向存在孔隙梯度g2的多孔层n1、多孔层n2、...、多孔层n，其中m、n均为自然数，且m≥2、n≥2，g1和g2以及x和y可根据需要进行设置。所述新型二维梯度孔隙复合毛细芯在制备时，采用分区梯度填料的方法，分区填入不同粒径的粉末和不同造孔剂含量，不同分区之间采用薄隔板隔开，在成型前缓慢地将隔板抽离，从而最终能够控制毛细芯在两个指定维度上的粉末分布。本发明可以根据需要在两个维度形成一定梯度的孔隙梯度，最大限度地满足不同方向维度上的不同功能需求，可以极大地提高复合毛细芯及至整个热管的性能。

Description

一种二维梯度孔隙复合毛细芯及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种二维梯度复合毛细芯及其制备方法，属于热管技术领域。
背景技术
热管是一种利用相变原理进行高效传热的装置，具有传热温差小、传热性能高、远距离传输热量和控温特性良好等优点，正逐渐被广泛应用于空间和地面各种热控制领域。
新型热管种类繁多，从热管内部有无毛细芯的角度，可分为有毛细芯的热管(Wicked Heat Pipe)和无毛细芯的热管(Wickless Heat Pipe)。对于有毛细芯的热管而言，毛细芯是整个热管的关键部件，它为热管内部工质的循环提供驱动力，毛细芯内部孔隙产生的毛细抽吸力以及工质在毛细芯内的流动状况决定了整个热管的传热性能。常见的毛细芯包括烧结芯(Sintered Wick)、丝网芯(Screen Wick)、沟槽芯(Grooved Wick)。
一般认为，优质的毛细芯应具有较大的毛细抽吸力，同时具有较大的渗透率，但上述这两个指标往往是互相矛盾的，具有较大毛细抽吸力的毛细芯、其渗透率往往较小；而具有较大渗透率的毛细芯、其毛细抽吸力往往又较小。
在正常工作状态下，提供毛细抽吸力和作为蒸发面的只是毛细芯的最外一小薄层，而其中绝大部分只是作为液态工质流动的通道。鉴于此，复合毛细芯(Composite Wick)引起了广大学者的关注和研究。复合毛细芯包含多种形式，一种是多层毛细芯，各层采用不同类型或是不同参数的毛细结构。最常见的多层复合毛细芯的外层一般采用导热性能较好、粒度相对较细的金属粉末烧结而成，这样可以得到有效毛细孔径较小、孔径分布较均匀的多孔结构，为热管提供较大的毛细抽吸力，这一层通常被称为主毛细芯(Primary wick)；多层复合毛细芯的内层则一般采用导热性能较差、粒径较大的粉末烧结而成，这样毛细芯内层的有效孔径较大，可以减少蒸发表面向毛细芯内部的传热，防止内部液体因局部过热而产生气泡，从而阻塞流体通道，甚至导致毛细芯局部烧干，同时还可以减小液态工质回流到蒸发界面的流动阻力，这一层通常被称为次毛细芯(Secondary wick)。
另一种类型的复合毛细芯是双孔隙结构(Biporous Structure)的毛细芯，这种毛细芯一般是采用两种以上的粉末成型后烧结得到，例如烧结镍铜芯、烧结镍钛芯以及使用造孔剂(易消失相)工艺制备得到的烧结铜芯、烧结镍芯等。对于单一孔隙结构的毛细芯，若孔径过大会导致毛细抽吸力不足，孔径过小则会导致蒸汽溢出阻力过大，很难协调蒸汽溢出和液体吸入的矛盾关系。而复合毛细芯在同一平面上具有不同尺度的孔径，较小孔径用于液体吸入，较大孔径用于蒸汽溢出，在解决毛细芯对于孔径尺度的不同需求方面体现出极大的优势。为满足工质高效蒸发和抑制热泄漏对毛细芯热导的不同需求，复合毛细芯已成为毛细芯发展的新趋势。
复合毛细芯及其制备方法目前已有一些专利公开，例如专利201710166648.X、201610286113.1、201610926875.3、201210410979.0和200410103068.9中提到的复合毛细芯及其制备方法。但这些毛细芯只是在一个方向上存在孔隙梯度(以应用于圆柱形蒸发器的毛细芯为例，对于应用于平板式蒸发器的毛细芯则是平面法向)，虽然层数可能比较多(达到3层以上)，但毕竟只是一维梯度孔隙，且部分只适用于环路热管或是毛细芯回路热管。
由于毛细芯内部的传热传质过程在径向和轴向两个维度上的功能需求均存在较大的差异，而且毛细芯产生的毛细抽吸力驱动工质的流动更是以轴向的流动为主，如果在轴向上也设置一定梯度的孔隙分布，可以进一步提升毛细芯以及整个热管的极限性能。
发明内容
本发明目的在于针对现有复合毛细芯只是在一个方向上设置有孔隙梯度的不足之处，提供一种新型二维梯度孔隙复合毛细芯及其制备方法，制备时采用粉末冶金的方法结合造孔剂技术，通过采用分区梯度填料的方法控制毛细芯两个方向上的粉末分布，从而可以根据需要在这两个维度形成一定梯度的孔隙梯度参数，最大限度地满足不同方向维度上的不同功能需求，极大地提高复合毛细芯的性能。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种新型二维梯度孔隙复合毛细芯，包括在x方向存在孔隙梯度g1的多孔结构层m1、多孔结构层m2、...、多孔结构层m，以及在y方向存在孔隙梯度g2的多孔结构层n1、多孔结构层n2、...、多孔结构层n，其中m、n均为自然数，且m≥2、n≥2，g1和g2可根据需要进行设置。
作为本发明的一种优选技术方案：所述新型二维梯度孔隙复合毛细芯可以应用于圆柱形蒸发器，此时x、y方向分别为径向和轴向。
作为本发明的一种优选技术方案：所述新型二维梯度孔隙复合毛细芯可以应用于平板式蒸发器的毛细芯，此时x、y方向分别为平面所在方向和平面法向。
作为本发明的一种优选技术方案：所述新型二维梯度孔隙复合毛细芯制备时采用粉末冶金的方法结合造孔剂技术，原料粉末包括镍粉、钛粉、铜粉等金属粉末，所用造孔剂包括微晶纤维素(MCC)和NaCl等。
作为本发明的一种优选技术方案：所述新型二维梯度孔隙复合毛细芯在制备时，通过采用分区梯度填料的方法(分区填入不同粒径的粉末、分区填入不同造孔剂含量等)控制毛细芯两个指定维度上的粉末分布，从而可以根据需要在这两个维度形成一定梯度的孔隙梯度参数。
作为本发明的一种优选技术方案：所述新型二维梯度孔隙复合毛细芯在制备时，在填料时采用薄隔板隔开不同区域，所用隔板数为m-1或n-1，并在成型前缓慢地将隔板抽离。
本发明采用上述技术方案产生如下有益效果：
毛细芯内部的传热传质过程在两个不同方向维度上的功能需求均存在较大的差异，新型二维梯度孔隙复合毛细芯可以根据需要在两个指定的不同方向维度形成一定梯度的孔隙梯度参数，最大限度地满足不同方向维度上的不同功能需求，极大地提高复合毛细芯及至整个热管的性能。
附图说明
图1为本发明的空心圆柱型二维梯度孔隙复合毛细芯的截面结构示意图。
其中标号解释：1-径向外层，2-径向内层，3-轴向一层，4-轴向二层，5-轴向三层。
图2为传统的空心圆柱型一维梯度孔隙复合毛细芯的截面结构示意主视图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种新型二维梯度孔隙复合毛细芯，包括在径向存在孔隙梯度g1的内层、外层，以及在轴向存在孔隙梯度g2的轴向一层、轴向二层、轴向三层，其中，g1和g2可根据实际需要进行设置(径向和轴向的分层数也可根据实际需要进行设置)。传统的一维梯度孔隙复合毛细芯的截面结构示意图则如图2所示，它只是在内层和外层之间设置有孔隙梯度，而在轴向是没有设置孔隙梯度的。
在制备上述新型二维梯度孔隙复合毛细芯时，采用粉末冶金和方法并结合造孔剂技术，原料采用镍、钛等金属粉末，造孔剂采用微晶纤维素(MCC)和NaCl等，首先准备好成型模具的薄隔板，其中隔板置于内层和外层之间，在填料时，先填入轴向一层的粉末原料(粒径最细、造孔剂含量最小)，然后再填入轴向二层的粉末原料(粒径中等、造孔剂含量中等)，最后填入轴向三层的粉末原料(粒径最粗、造孔剂含量最大)，视轴向各层的厚度情况，适时缓慢将隔板抽离(如果轴向总厚度较小，可全部填完料后一次性将隔板抽离；如果轴向各层厚度较大，可以填料过程中，分多次缓慢将隔板抽离)，随后进行压力成型、脱模、清洗、烘干、烧结等工艺，最终制备得到一种新型空心圆柱型二维梯度孔隙复合毛细芯。
如上所述，新型二维梯度孔隙复合毛细芯可以根据需要在两个指定的不同方向维度形成一定梯度的孔隙梯度参数，最大限度地满足不同方向维度上的不同功能需求，极大地提高复合毛细芯及至整个热管的性能。

Claims (6)

1.一种新型二维梯度孔隙复合毛细芯，包括在x方向存在孔隙梯度g1的多孔结构层m1、多孔结构层m2、…、多孔结构层m，以及在y方向存在孔隙梯度g2的多孔结构层n1、多孔结构层n2、…、多孔结构层n，其中m、n均为自然数，且m≥2、n≥2，g1和g2可根据需要进行设置。
2.根据权利要求1所述的一种新型二维梯度孔隙复合毛细芯，其特征在于：所述新型二维梯度孔隙复合毛细芯可以应用于圆柱形蒸发器，此时x、y方向分别为径向和轴向。
3.根据权利要求1所述的一种新型二维梯度孔隙复合毛细芯，其特征在于：所述新型二维梯度孔隙复合毛细芯可以应用于平板式蒸发器的毛细芯，此时x、y方向分别为平面所在方向和平面法向。
4.根据权利要求1所述的一种新型二维梯度孔隙复合毛细芯，其特征在于：所述新型二维梯度孔隙复合毛细芯制备时采用粉末冶金的方法结合造孔剂技术，原料粉末包括镍粉、钛粉、铜粉等金属粉末，所用造孔剂包括微晶纤维素(MCC)和NaCl等。
5.根据权利要求1所述的一种新型二维梯度孔隙复合毛细芯，其特征在于：所述新型二维梯度孔隙复合毛细芯在制备时，通过采用分区梯度填料的方法(分区填入不同粒径的粉末、分区填入不同造孔剂含量等)控制毛细芯两个指定维度上的粉末分布，从而可以根据需要在这两个维度形成一定梯度的孔隙梯度参数。
6.根据权利要求1所述的一种新型二维梯度孔隙复合毛细芯，其特征在于：所述新型二维梯度孔隙复合毛细芯在制备时，在填料时采用薄隔板隔开不同区域，所用隔板数为m-1或n-1，并在成型前缓慢地将隔板抽离。
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