CN109579582A - 一种导热管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传热技术领域，具体涉及一种导热管及其制备方法，该导热管包括导热管本体以及气体介质，所述导热管本体为中空结构，所述导热管本体的两端均闭合以构成容腔，所述气体介质容设于容腔内。本发明的导热管，避开了采用毛细结构的研发思路，通过在导热管本体内容设气体介质，不存在液态与气态的相变化，利用气压差原理实现传热，传热效率高。

Description

一种导热管及其制备方法
技术领域
本发明涉及传热技术领域，具体涉及一种导热管及其制备方法。
背景技术
当物体各部分之间不发生相对位移或不同的物体直接接触时，依靠物质的分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热(热传导)。
现有的导热管通常以水等液体作为导热介质，利用水的相变做功，借助毛细结构的回流效果，液态水吸热后汽化成水蒸气做功，传递至冷端后放热凝结成液态水，回流至毛细结构，达到传热的效果，而且现有的研发趋势均往改善毛细结构提高传热等效果；如实用新型专利申请号为201220389132.4的热导管，以编织方式形成复合毛细结构的配置关系，为热导管内部封存的工作流体提供了一条可快速回流的传输路径，以使热导管在不同的摆置状态下，皆可令工作流体不受引力的影响而快速从冷凝部回流至热导管之蒸发部，有效提升热导管的热传量与抗重力；发明专利申请号为201210542020.2的热导管及其制造方法，通过本发明的制造方法制造的热导管既能通过内设的第一毛细结构提供热导管运作的毛细力，同时能得到较大的蒸汽空间，使得更小尺寸的微型热导管得以实现。但上述的方案过于注重毛细结构，生产成本大，使用范围限制较大。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种导热管，避开了采用毛细结构的研发思路，通过在导热管本体内容设气体介质，不存在液态与气态的相变化，利用气压差原理实现传热，传热效率高。
本发明的另一目的在于提供一种导热管的制备方法，该制备方法操作简单，控制方便，生产效率高，生产成本低，可用于大规模生产。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种导热管，包括导热管本体以及气体介质，所述导热管本体为中空结构，所述导热管本体的两端均闭合以构成容腔，所述气体介质容设于容腔内。
导热管的工作原理是：导热管的一端接触冷源、靠近冷源的气体介质放出热量，根据“PV/T＝nR，其中，n为气体的物质的量，R为常量”,在密闭的容腔中，气体介质的体积不变，温度和压力均下降，与导热管的另一端形成温差，导热管两端的温度差异导致导热管两端的气体介质形成高低压的差异(即压力差)，此时，气体介质从高压的一端(导热管远离冷源的一端)携带热量向低压的一端(导热管接触冷源的一端)流动并堆积，原低压的一端压力上升，堆积的同时释放潜热，当原低压的一端压力高于原高压的一端压力时，已释放热量的气体介质反向流动，从原低压的一端向原高压的一端流动并堆积，堆积的同时吸收外界的热量，从而降低外界的热量，降低外界的温度，利用压力差的原理循环工作，外界的热量不断地经由导热管传递给冷源，从而降低外界的温度；同理，导热管的一端接触热源、靠近热源的气体介质吸收热量，温度和压力均升高，与导热管的另一端形成温差，在密闭的容腔中，气体介质的体积不变，导热管两端的温度差异导致导热管两端的气体介质形成高低压的差异(即压力差)，此时，气体介质从高压的一端(导热管接触热源的一端)携带热量向低压的一端(导热管远离热源的一端)流动并堆积，堆积的同时释放潜热，外界不断经由导热管吸收热源的热量，从而升高外界的温度。本发明的导热管避开了采用毛细结构的研发思路，通过在导热管本体内容设气体介质不存在液态与气态的相变化，大大缩短热量传递的时间，利用气压差原理实现传热，传热效率高。
优选的，所述导热管本体的横截面呈矩形、圆角矩形、圆形或椭圆形中的一种。
设置的导热管本体的横截面呈矩形、圆角矩形、圆形或椭圆形，便于加工和组装到其他设备中，更优选的，所述导热管本体的横截面呈圆形，加工方便。
优选的，所述导热管本体的内壁呈光滑状。
设置内壁光滑的导热管本体，降低气体介质在容腔中的流动阻力，从而提高传热效率，与现有的导热管设置毛细结构相比，本发明的导热管本体的内壁光滑，降低了加工成本、降低了加工难度、提高了生产效率、降低了流动阻力、提高了传热效率，是现有技术所预料不到的结果。所述导热管本体的内壁的摩擦系数在0.1-0.2。
优选的，所述导热管本体为金属管体。
所述导热管本体采用金属管体，其导热系数比塑料管的高，有利于导热管的热量传递，具体地，金属管体为铜管、铝管或钢管中的一种，一方面金属管体的线性膨胀系数小，是塑料管的1/5-1/15，不会因过度的热胀冷缩而导致应力疲劳破裂，另一方面金属管体的强度大，在同等壁厚的情况下金属管体的耐压程度比塑料管体的耐压程度高。
优选的，所述气体介质为四氟乙烷气体介质、一氯四氟乙烷气体介质、二氟乙烷气体介质、一氯二氟乙烷气体介质或五氟丙烷气体介质中的一种。
采用上述任意一种气体介质，在-20℃至200℃温度下均能在导热管本体内以气态的形式传递热量，若温度低于-20℃，则气体介质容易液化，导致本发明的导热管不能正常运作，传热效率低，若温度高于200℃容易使容腔中气体介质的压力过大而使导热管破裂，损坏导热管。更优选的，所述气体介质为四氟乙烷气体介质，其在绝对压力为29.89KPa压力下、-50℃温度下仍保持气态，应用于本发明的导热管，可在-50℃的低温环境下仍能正常工作，利用本发明的压力差原理与外界传热。与现有的冲入液态水的导热管相比，本发明的气体介质在-20℃以上始终保持气态，不会固化而导致热量传递效率极差，换言之，本发明的导热管能在-20℃条件下导冷效率高，而现有的冲入液态水的导热管在-20℃条件下不导冷，本发明的导热管不仅能够应用于高温导热领域，还能够应用于低温导冷领域，使用范围比现有的导热管要宽得多。
本发明的另一目的通过下述技术方案实现：上述的导热管的制备方法，包括如下步骤：
(A1)、取内壁光滑的中空管体，将中空管体的一端封闭处理，中空管体的另一端设置开口，制得半成品导热管；
(A2)、将步骤(A1)制得的半成品导热管内部抽真空，接着在1.5-3.0MPa压力下注入一定量的气体介质，然后对所述中空管体的开口做闭合处理，即得所述导热管。
采用上述方法制得的导热管，其操作简单，控制方便，生产效率高，生产成本低，可用于大规模生产。其中，步骤(A1)中，中空管体的一端封闭，中空管体的另一端开口，便于抽真空以及将气体介质注入中空管体内。步骤(A2)中，抽真空的目的是将空气抽走，避免空气影响传到性能，同时避免空气与气体介质混合后引起安全隐患，在1.5-3.0MPa压力下注入一定量的气体介质使真空状态的容腔从负压变成正压，真空状态消失，为容腔产生压力差提供基础；注入气体介质完成后，对所述中空管体的开口做闭合处理，使得导热管在2.5-3.5MPa压力下无泄漏、无碎裂，耐压。
优选的，所述步骤(A2)中，在1.5-3.0MPa压力下注入气体介质的体积占容腔体积的1/8-1/12。
在1.5-3.0MPa压力下注入气体介质的体积占容腔体积的1/8-1/12，气体介质在容腔中的质量浓度达到30-300mg/cm3，若气体介质的质量浓度过高，导热管在升温过程中气体介质的温度升高、压力增大，气体循环的效果差，大大降低传热效果，而且用于高温热传导时容易因气体介质的绝对压力过大使导热管碎裂导致损坏；若气体介质的质量浓度过低，热传导过程中携带热量的气体介质少，降低了传热效率。
优选的，所述步骤(A1)中，封闭处理采用热压成型或超声波压合成型；所述步骤(A2)中，闭合处理采用超声波压合成型。
步骤(A1)中，封闭处理采用热压成型或超声波压合成型，因未通入气体介质，采用热压成型不会对导热管造成安全隐患，且压合效率比超声波压合效率要高；而步骤(A2)中，闭合处理采用超声波压合成型，在超声波振荡和压力的共同作用下，促进分子扩散，中空管体的开口在分子引力的作用下结合在一起，从而达到闭合的效果，现有的以液态水为介质的导热管采用的闭合方式为热压成型，但本发明的介质为气体介质，加热后容易使气体泄漏除去，导致气体注入量减少而降低传导效率。
本发明的有益效果在于：本发明的导热管，避开了采用毛细结构的研发思路，通过在导热管本体内容设气体介质，不存在液态与气态的相变化，利用气压差原理实现传热，传热效率高。
本发明的制备方法操作简单，控制方便，生产效率高，生产成本低，可用于大规模生产。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中A-A的截面图。
附图标记为：1、导热管本体；2、容腔。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例1
如图1-2所示，一种导热管，包括导热管本体1以及气体介质，所述导热管本体1为中空结构，所述导热管本体1的两端均闭合以构成容腔2，所述气体介质容设于容腔2内。
所述导热管本体1的横截面呈圆形。
所述导热管本体1的内壁呈光滑状。
所述导热管本体1为金属管体，具体地，所述导热管本体1为铜管。
所述气体介质为四氟乙烷气体介质。
所述导热管的制备方法，包括如下步骤：
(A1)、取内壁光滑的中空管体，将中空管体的一端封闭处理，中空管体的另一端设置开口，制得半成品导热管；
(A2)、将步骤(A1)制得的半成品导热管内部抽真空，接着在2.5MPa压力下注入一定量的气体介质，然后对所述中空管体的开口做闭合处理，即得所述导热管。
所述步骤(A2)中，在2.5MPa压力下注入气体介质的体积占容腔体积的1/10。
所述步骤(A1)中，封闭处理采用热压成型；所述步骤(A2)中，闭合处理采用超声波压合成型。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：
所述导热管本体1的横截面呈椭圆形。
所述导热管本体1为金属管体，具体地，所述导热管本体1为钢管。
所述气体介质为五氟丙烷气体介质。
所述导热管的制备方法，包括如下步骤：
(A1)、取内壁光滑的中空管体，将中空管体的一端封闭处理，中空管体的另一端设置开口，制得半成品导热管；
(A2)、将步骤(A1)制得的半成品导热管内部抽真空，接着在1.5MPa压力下注入一定量的气体介质，然后对所述中空管体的开口做闭合处理，即得所述导热管。
所述步骤(A2)中，在1.5MPa压力下注入气体介质的体积占容腔体积的1/12。
所述步骤(A1)中，封闭处理采用热压成型；所述步骤(A2)中，闭合处理采用超声波压合成型。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于：
所述导热管本体1的横截面呈圆角矩形。
所述导热管本体1为金属管体，具体地，所述导热管本体1为铝管。
所述气体介质为一氯四氟乙烷气体介质。
所述导热管的制备方法，包括如下步骤：
(A1)、取内壁光滑的中空管体，将中空管体的一端封闭处理，中空管体的另一端设置开口，制得半成品导热管；
(A2)、将步骤(A1)制得的半成品导热管内部抽真空，接着在3.0MPa压力下注入一定量的气体介质，然后对所述中空管体的开口做闭合处理，即得所述导热管。
所述步骤(A2)中，在3.0MPa压力下注入气体介质的体积占容腔体积的1/8。
所述步骤(A1)中，封闭处理采用超声波压合成型；所述步骤(A2)中，闭合处理采用超声波压合成型。
对比例1
一种超导热管，包括超导管，所述超导管为真空密封管，所述超导管内填装有耐高温无机毛细导管或带有蜂窝孔的填充物，超导管内添加有占管内容积30％的液体相变介质；所述的毛细导管是由直径为1毫米的金属或非金属材料制成的。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处在于：
所述导热管包括导热管本体1以及容设于导热管本体1内的液体相变介质，所述液体相变介质为液态水。
实施例4导热管的性能测试
取实施例1-3以及对比例1-2的导热管，并限定导热管的规格为φ8*400mm，进行功率、低温、中温和防爆测试。
功率测试的方法为：在每组测试试验中，首先对导热管的一端加载50W的热荷载，持续600s。然后观察其温度变化情况，判断其温度是否在这段时间内趋于稳定，若是，说明尚未达到该热管饱和状态，则增加加热功率再进行测试；反之则说明已超出该热管传热极限，需减小加热功率重新测试。如此不断地试验，直到获得导热管的最大功率，单位W。
低温测试的方法为：导热管的一端与-4℃的冷源接触，导热管的一端与1m3的环境接触，测试环境温度从21℃降低到-4℃所需的制冷时间，单位s。
中温测试的方法为：在常温下把导热管的一端与74℃的冷源接触，18秒后测试导热管的另一端的温度，并计算导热管两端的温度差，单位℃。
高温防爆测试的方法为：将导热管放入355℃的容器内，恒温30min，观察导热管高温测试前后的重量变化。
测试结果如下表1所示：
表1
由上表1可知，本发明的导热管的最大传热功率比对比例1和2的导热管的高，说明本发明导热管的传热效率比对比例1和2的高；对比例1和2在低温测试条件下，无法达到-4℃，说明对比例1和2的液态水均固化，大大降低传热效果；本发明的导热管的中温测试，两端温差仅在2-4.4℃之间，而对比例2的导热管两端温差达到18℃，说明液态水借助毛细结构的传到效率更高。
本发明的导热管，避开了采用毛细结构的研发思路，通过在导热管本体内容设气体介质，不存在液态与气态的相变化，且在-20℃的低温下不结冰，可正常使用。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种导热管，其特征在于：包括导热管本体以及气体介质，所述导热管本体为中空结构，所述导热管本体的两端均闭合以构成容腔，所述气体介质容设于容腔内。
2.根据权利要求1所述的一种导热管，其特征在于：所述导热管本体的横截面呈矩形、圆角矩形、圆形或椭圆形中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种导热管，其特征在于：所述导热管本体的内壁呈光滑状。
4.根据权利要求1所述的一种导热管，其特征在于：所述导热管本体为金属管体。
5.根据权利要求1所述的一种导热管，其特征在于：所述气体介质为四氟乙烷气体介质、一氯四氟乙烷气体介质、二氟乙烷气体介质、一氯二氟乙烷气体介质或五氟丙烷气体介质中的一种。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述的导热管的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(A1)、取内壁光滑的中空管体，将中空管体的一端封闭处理，中空管体的另一端设置开口，制得半成品导热管；
(A2)、将步骤(A1)制得的半成品导热管内部抽真空，接着在1.5-3.0MPa压力下注入一定量的气体介质，然后对所述中空管体的开口做闭合处理，即得所述导热管。
7.根据权利要求6所述的一种导热管的制备方法，其特征在于：所述步骤(A2)中，在1.5-3.0MPa压力下注入气体介质的体积占容腔体积的1/8-1/12。
8.根据权利要求6所述的一种导热管的制备方法，其特征在于：所述步骤(A1)中，封闭处理采用热压成型或超声波压合成型；所述步骤(A2)中，闭合处理采用超声波压合成型。
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