CN110470162A

CN110470162A - 一种液态金属汽垫式脉动热管

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Publication number: CN110470162A
Application number: CN201910770978.9A
Authority: CN
Inventors: 纪玉龙; 庾春荣; 褚李林; 肖秀; 马鸿斌
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2019-11-19

Abstract

本发明提供一种液态金属汽垫式脉动热管，包括三通充液口和集成加热段、绝热段、冷凝段的毛细通道阵列，所述三通充液口的两个水平方向上的通口与毛细通道阵列的两个端口相连接，所述毛细通道阵列的内表面具有由表面改性技术处理得到的微结构表面，所述毛细通道阵列内的工质是主要由液态金属及与液态金属兼容的兼容流体组成的混合工质，所述兼容流体在微结构表面上形成汽垫和涡流。本发明的微结构表面上形成的细薄膜蒸发能显著强化蒸发速率；液态金属具有高效导热特性，能显著提升工质吸放热速度；兼容流体在微结构表面形成汽垫以及涡流，有效降低工质的流动阻力，提升流动速度并强化对流换热。本发明具有结构新颖、工作范围广和传热系数高等优点。

Description

一种液态金属汽垫式脉动热管

技术领域

本发明所述的液态金属汽垫式脉动热管，涉及一种传热元件，具体为由具有微结构表面的脉动热管及其内部的液态金属及兼容流体工质组成的液态金属汽垫式脉动热管。

背景技术

现代高新科技与应用的创新已把着眼点放在了微纳米尺度上，如超大规模集成电路与芯片、高功率激光器以及微能量系统等。微电子系统和设备的速度越来越快，同时体积也越来越小，导致局部热产急剧升高。现有用以提高散热效率的传统方法已几乎达到极限，缺乏新的有效散热方法已经成为制约新技术发展的主要瓶颈之一。因此，开展高热流密度下的高效散热技术研究是非常紧迫和必要的。脉动热管作为热管家族的特殊一员，有着与普通热管完全不同的工作机制，具有众多独特的优点，已经成为未来高热流密度下散热问题最具前景的技术解决方案之一。

研究表明脉动热管主要靠显热传热，这就意味着若要大幅提升脉动热管的传热性能，主要还是要依靠脉动速度的提升，这也是脉动热管随着加热功率的升高而热阻大幅降低的主要原因。但随着脉动速度的增加，必将面临如下几个关键问题：(1)若液柱的导热能力较差，则液柱在放热端来不及放热或者释放很少的热量后就返回加热段，传热性能将无法提升，甚至停止工作；(2)在脉动速度提升后，管内流动阻力将增大，导致所需驱动力增加，即吸热端温度显著上升，导致传热性能恶化；(3)脉动速度提升时，吸热端的蒸发速度要足够快，即热流密度高，以满足快速驱动的要求。众所周知，液态金属具有较高的导热系数，高出普通液体1个甚至2个数量级，如水的导热系数为0.65W/mK左右，而镓铟锡液态合金可达40W/mK左右。为解决上述问题，大幅提升脉动热管的传热性能，有效解决高热流密度下的传热问题，因此，发明一种液态金属汽垫式脉动热管，将为解决高热流密度下的快速传热问题提供一种新的思路与高效方案，同时为高效脉动热管的研究开辟新的方向。

发明内容

根据上述提出的现有技术中脉动热管在高热流密度下难以快速传热的技术问题，而提供一种液态金属汽垫式脉动热管。本发明主要利用脉动热管内制作的微结构表面，兼容流体工质在微结构表面细薄膜蒸发大幅提升热流密度，显著强化吸热端的蒸发速度；利用液态金属高效导热的特性，可以显著提升吸放热速度；利用兼容流体在微结构表面形成汽垫和涡流，有效降低工质流动阻力，提升流动速度并强化对流换热；通过将液态金属的高效导热、汽垫减阻下快速脉动流动的强化对流传热、局部涡流强化换热以及细薄膜蒸发的快速相变传热有机的结合起来，提高脉动热管在高热流密度下的高效传热能力。

本发明采用的技术手段如下：

一种液态金属汽垫式脉动热管，包括三通充液口和集成加热段、绝热段、冷凝段的毛细通道阵列，所述三通充液口的两个水平方向上的通口和毛细通道阵列的两个端口相连接，所述毛细通道阵列的内表面具有由表面改性技术处理得到的微结构表面，所述毛细通道阵列内的工质是主要由液态金属及与所述液态金属兼容的兼容流体组成的混合工质。

进一步地，在吸热条件下，所述兼容流体在微结构表面上形成汽垫和涡流；工作过程中，加热段的微结构表面中的兼容流体在吸热的条件下蒸发，在液态金属和微结构表面之间形成一层薄薄的汽垫，并随着液柱的流动形成局部涡流，在冷凝段的微结构表面内也随着液柱的流动产生局部涡流；兼容流体受热蒸发可驱动液态金属在脉动热管内脉动，结合液态金属的高导热特性，可以提升脉动热管在高热流密度时工质吸放热能力；兼容流体在微结构表面上形成的细薄膜蒸发大幅提升热流密度，显著强化吸热端的蒸发速度；液态金属及与液态金属兼容的兼容流体在汽垫和涡流的作用下可有效降低液态金属和兼容流体的流动阻力，提升流动速度及强化对流传热，可以增强脉动热管在超高热流密度下工作的热传输能力，同时增加工作温度范围。

进一步地，所述微结构表面是指在毛细通道阵列内表面圆周方向上设置的微纳米结构Ⅰ。

进一步地，所述微结构表面是指在毛细通道阵列内表面圆周方向上设置的微纳米结构Ⅰ与沿通道方向上设置的微纳米结构Ⅱ的复合结构。

进一步地，所述微结构表面是由表面改性技术得到的微纳米结构，所述微纳米结构Ⅰ和/或所述微纳米结构Ⅱ的形状至少为三角沟槽形状、截面锯齿状、矩形状、梯形状或半圆状中的一种，或一种以上的组合形式；所述表面改性技术为机械加工，或化学处理，或电镀，或激光刻蚀，或等离子喷涂。

进一步地，所述毛细通道阵列内的工质的体积充液率范围为20％～80％。

进一步地，所述工质中含有10％～90％的液态金属和10％～90％的兼容流体。

进一步地，所述工质中含有30％～70％的液态金属和30％～70％的兼容流体。

进一步地，所述液态金属至少为液态汞、镓铟锡合金、镓铟合金或铟铋合金中的一种，或一种以上的组合形式。

进一步地，所述兼容流体为水，或氟利昂制冷剂类，或醇类，与液态金属3兼容不反应，且沸点比液态金属低。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的液态金属汽垫式脉动热管，利用液态金属及与液态金属兼容的兼容流体作为液态金属汽垫式脉动热管的工质，液态金属具有高效导热特性，热量将在加热段快速吸热，随着液柱的快速脉动流动，热量将在冷凝段得以快速释放，从而大幅提升吸放热速度，在高热流密度下具有良好的传热能力，传热系数高。

2、本发明提供的液态金属汽垫式脉动热管，将脉动热管内表面利用表面改性技术得到微结构表面，兼容流体在微结构表面形成细薄膜快速蒸发，显著强化了脉动热管内蒸发端工质的蒸发速率，有效增强了工质脉动的驱动力，解决了高热流密度下工质脉动对驱动力的需求。

3、本发明提供的液态金属汽垫式脉动热管，采用的兼容流体在微结构表面形成汽垫和涡流，有效降低工质流动阻力，提升流动速度并强化对流换热，增强脉动热管在高热流密度下的适应性，增大脉动热管的温度使用范围。

4、本发明提供的液态金属汽垫式脉动热管，具有结构新颖、成本低、质量轻、易加工、传热系数高和使用范围广等优点，其大批量投入市场必将产生积极的社会效益和显著的经济效益。

综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中脉动热管在高热流密度下难以快速传热的问题。

基于上述理由本发明可在使用脉动热管传热的航空、军工等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明A处的结构示意图。

图3为本发明B处的结构示意图。

图4为本发明B处复合结构的结构示意图。

图中：1、三通充液口；2、毛细通道阵列；3、液态金属；4、兼容流体；5.微结构表面；6、汽垫和涡流；7、微纳米结构Ⅰ；8、微纳米结构Ⅱ。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，本发明提供了一种液态金属汽垫式脉动热管，包括三通充液口1和集成加热段、绝热段、冷凝段的毛细通道阵列2，所述三通充液口1的两个水平方向上的通口和毛细通道阵列2的两个端口焊接相连，所述毛细通道阵列2的内表面具有由表面改性技术处理得到的微结构表面5，所述毛细通道阵列2内的工质是主要由液态金属3及与所述液态金属3兼容的兼容流体4组成的混合工质，其中，液态金属3和兼容流体4分别间歇的经三通充液口1充入具有微结构表面5的毛细通道阵列2中形成如图1所示的形状。

实施例1

本实施例的微结构表面5为采用机械加工表面改性技术得到的半圆状的在毛细通道阵列2内表面圆周方向上设置的微纳米结构Ⅰ7，毛细通道阵列2表面具有的微结构表面5，对液态金属3和兼容流体4表现出不同的润湿性，兼容流体4在微结构表面5能形成细薄膜，该细薄膜蒸发大幅提升热流密度，显著强化吸热端的蒸发速度。

本实施例的毛细通道阵列2内工质的体积充液率为20％～80％，其中，所述工质中含有10％～90％的液态金属3和10％～90％的兼容流体4。

本实施例的液态金属3为液态汞，在常温下为液态，具有较高的导热系数，可以显著提升脉动热管内工质的吸放热速度；兼容流体4为水，与液态金属3兼容不反应，且沸点比液态金属低。

本实施例中，在吸热条件下，兼容流体4在微结构表面5上形成汽垫和涡流6；工作过程中，加热段的微结构表面5中的兼容流体4在吸热的条件下蒸发，在液态金属3和微结构表面5之间形成一层薄薄的汽垫，并随着液柱的流动形成局部涡流，在冷凝段的微结构表面5内也随着液柱的流动产生局部涡流；兼容流体4受热蒸发可驱动液态金属3在脉动热管内脉动，结合液态金属3的高导热特性，可以提升脉动热管在高热流密度时工质吸放热能力；兼容流体4在微结构表面5上形成的细薄膜蒸发大幅提升热流密度，显著强化吸热端的蒸发速度；液态金属3及与液态金属3兼容的兼容流体4在汽垫和涡流6的作用下可有效降低液态金属3和兼容流体4工质流动阻力，提升流动速度及强化对流传热，可以增强脉动热管在超高热流密度下工作的热传输能力，同时增加工作温度范围。

综上可知，液态金属汽垫式脉动热管在高热流密度下可以实现快速传热，传热系数较高。

实施例2

本实施例的微结构表面5为采用机械加工表面改性技术得到的均为半圆状的在毛细通道阵列2内表面圆周方向上设置的微纳米结构Ⅰ7与沿通道方向上设置的微纳米结构Ⅱ8的复合结构，毛细通道阵列2表面具有的微结构表面5，对液态金属3和兼容流体4表现出不同的润湿性，兼容流体4在微结构表面5能形成细薄膜，该细薄膜蒸发大幅提升热流密度，显著强化吸热端的蒸发速度。

本实施例的毛细通道阵列2内工质的体积充液率为20％～80％，其中，所述工质中含有30％～70％的液态金属3和30％～70％的兼容流体4。

本实施例的液态金属3为镓铟锡合金，在常温下为液态，具有较高的导热系数，可以显著提升脉动热管内工质的吸放热速度；兼容流体4为醇类，与液态金属3兼容不反应，且沸点比液态金属低。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种液态金属汽垫式脉动热管，包括三通充液口(1)和集成加热段、绝热段、冷凝段的毛细通道阵列(2)，所述三通充液口(1)的两个水平方向上的通口与毛细通道阵列(2)的两个端口相连接，其特征在于，所述毛细通道阵列(2)的内表面具有由表面改性技术处理得到的微结构表面(5)，所述毛细通道阵列(2)内的工质是主要由液态金属(3)及与所述液态金属(3)兼容的兼容流体(4)组成的混合工质。

2.根据权利要求1所述的液态金属汽垫式脉动热管，其特征在于，在吸热条件下，所述兼容流体(4)在微结构表面(5)上形成汽垫和涡流(6)。

3.根据权利要求1所述的液态金属汽垫式脉动热管，其特征在于，所述微结构表面(5)是指在毛细通道阵列(2)内表面圆周方向上设置的微纳米结构Ⅰ(7)。

4.根据权利要求1所述的液态金属汽垫式脉动热管，其特征在于，所述微结构表面(5)是指在毛细通道阵列(2)内表面圆周方向上设置的微纳米结构Ⅰ(7)与沿通道方向上设置的微纳米结构Ⅱ(8)的复合结构。

5.根据权利要求3或4所述的液态金属汽垫式脉动热管，其特征在于，所述微纳米结构Ⅰ(7)和/或所述微纳米结构Ⅱ(8)的形状至少为三角沟槽形状、截面锯齿状、矩形状、梯形状或半圆状中的一种，或一种以上的组合形式。

6.根据权利要求1所述的液态金属汽垫式脉动热管，其特征在于，所述毛细通道阵列(2)内的工质的体积充液率范围为20％～80％。

7.根据权利要求6所述的液态金属汽垫式脉动热管，其特征在于，所述工质中含有10％～90％的液态金属(3)和10％～90％的兼容流体(4)。

8.根据权利要求7所述的液态金属汽垫式脉动热管，其特征在于，所述工质中含有30％～70％的液态金属(3)和30％～70％的兼容流体(4)。

9.根据权利要求1或8所述的液态金属汽垫式脉动热管，其特征在于，所述液态金属(3)至少为液态汞、镓铟锡合金、镓铟合金或铟铋合金中的一种，或一种以上的组合形式。

10.根据权利要求1或8所述的液态金属汽垫式脉动热管，其特征在于，所述兼容流体(4)为水，或氟利昂制冷剂类，或醇类。