CN112129148A - 一种烧结复合芯热管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种烧结复合芯热管及其制备方法，其中，所述烧结复合芯热管包括金属壳体，复合芯体和工质，所述复合芯体上分布若干烧结形成的孔结构，且复合芯体上的若干孔的孔径大小沿所述金属壳体的轴向和径向均呈多级分布。本发明复合芯体结构可将毛细力和渗透性综合性能达到最佳，以此提升热管抗重力传热能力。

Description

一种烧结复合芯热管及其制备方法

技术领域

本发明涉及相变传热装置技术领域，尤其涉及一种烧结复合芯热管及其制备方法。

背景技术

热管是一种热导率极高的被动传热元件，由管壳、多孔芯和工质组成。整个热管器件是一个高真空度的封闭体系，它通过相变传热原理和毛细抽吸作用，可实现热量快速传递而无需额外动力。当热管一端被加热时(蒸发段)，工质吸收热量并汽化为蒸汽，携带大量潜热的蒸汽在微小压差下，快速流动到热管另一端(冷凝段)，遇到冷的壁面凝结成液体，并释放潜热，而冷凝后的工质在毛细作用下通过多孔芯回流至蒸发端继续实现传热传质的循环。毛细多孔芯既提供传热传质循环动力又提供工质蒸发界面。为了提高热管的传热能力，需减小多孔芯的孔径以增大毛细驱动力，但这会使得渗透性大幅降低，工质无法及时回流至蒸发段，效果适得其反。因此，多孔芯中毛细力与渗透性之间的冲突使得热管的长度受到限制，同时热管在反重力倾斜条件下工作时传热能力将大幅降低。

发明内容

本发明提供一种烧结复合芯热管及其制备方法，以提升热管的传热能力，特别是热管在高热流密度下以及反重力条件下的传热能力。

为实现上述目的，本发明提供的一种烧结复合芯热管，包括金属壳体，复合芯体和工质，所述复合芯体上分布若干孔结构，且复合芯体上的若干孔的孔径大小沿所述金属壳体的轴向和径向均呈多级分布。

进一步地，所述烧结复合芯热管分为蒸发段、绝热段和冷凝段，所述复合芯体上的若干烧结孔的孔径大小沿蒸发段向绝热段呈阶梯递增或递减；所述复合芯体在蒸发段的孔径大小沿复合芯体到金属壳体方向呈阶梯递减或递增；所述复合芯体在绝热段和冷凝段的孔径由粉末烧结形成的大孔。

进一步地，所述复合芯体烧结于圆形热管或平板热管。

进一步地，所述复合芯体的若干烧结孔由不同颗粒大小的粉末分两层及以上烧结而成。

进一步地，所述复合芯体为多层复合芯体，所述多层复合芯体包括第一层芯体、第二层芯体和第三层芯体。

进一步地，所述第一层芯体的孔径大小沿蒸发段向绝热段呈阶梯递增；所述第二层芯体的烧结粉末粒径大小沿蒸发段向绝热段呈阶梯递增，且所述第二层芯体在蒸发段的孔径大于第一层芯体在蒸发段的孔径；所述第三层芯体在蒸发段的孔径大于第二层芯体在蒸发段的孔径。

进一步地，所述第一层芯体的孔径大小沿蒸发段向绝热段呈阶梯递减；所述第二层芯体的孔径大小沿蒸发段向绝热段呈阶梯递减，且所述第二层芯体在蒸发段的孔径小于第一层芯体在蒸发段的孔径；所述第三层芯体在蒸发段的孔径小于第二层芯体在蒸发段的孔径。

上述烧结复合芯热管的制备方法，包括如下步骤：

(1)提供金属壳体及多种不同颗粒大小的金属粉末；

(2)将粗芯棒置于金属壳体中，并向金属壳体与粗芯棒1a间隙内分段填入第一粉末和第二粉末，烧结得到第一层芯体；

(3)在上述第一层芯体腔中再次插入较细芯棒，并向第一层芯体与较细芯棒间隙分段填入第三粉末和第二粉末，分段长度与第一层芯体相同，烧结得到第二层芯体；

(4)在上述第二层芯体腔中插入细芯棒，并向第二层芯体与细芯棒间隙填入第二粉末，烧结并拔出细芯棒得到第三层芯体，以形成三层复合芯体；

(5)在上述三层复合芯体空腔内充入工质并密封所述金属壳体，从而制得所述烧结复合芯热管。

进一步地，所述第一粉末、第二粉末与第三粉末的直径均不相同。

进一步地，所述第一粉末、第二粉末与第三粉末均包括金属粉末、陶瓷粉末或高分子粉末。

进一步地，所述金属粉末包括铜粉、铝粉或不锈钢粉末。

进一步地，所述工质包括水、乙醇或者丙酮。

与相关技术相比较，本发明提供的烧结复合芯热管及其制备方法具有如下有益效果：

复合芯体上的若干孔的孔径大小沿所述金属壳体的轴向和径向均呈阶梯变化，以提供较大的毛细驱动力。此外，在热管运行过程中，随着热载的不断升高，复合芯体内的液层朝着管壁方向逐渐变化，其复合芯体孔径变化的方向一致，因而随着热载的增加，该复合芯体能形成更小的弯月面来提供更大的毛细驱动力。热管绝热冷凝段主要作为工质回流通道，而该复合芯体在绝热段和冷凝段整体由大颗粒的粗粉烧结而成，其形成的大孔隙以及高的孔隙率会大大减小工质流动阻力，使得冷凝后的工质能快速回流至蒸发段。以上复合芯体结构可将毛细力和渗透性综合性能达到最佳，以此提升热管抗重力传热能力。

附图说明

图1是本发明烧结式热管实例的轴向剖面示意图；

图2(a)为本发明烧结复合芯蒸发段截面示意图；

图2(b)为本发明烧结复合芯绝热冷凝段截面示意图；

图3(a)-图3(c)为本发明实例中的烧结式热管之制造方法过程示意图。

图4为烧结复合芯热管与烧结普通芯热管在反重力倾斜90度条件下的传热性能图。

具体实施方式

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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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所示，一种烧结复合芯热管，包括金属壳体1，复合芯体和工质，所述复合芯体上分布若干孔结构，且复合芯体上的若干孔的孔径大小沿所述金属壳体1

的轴向和径向均呈多级分布。

在本实施例中，所述烧结复合芯热管1分为蒸发段、绝热段和冷凝段，所述复合芯体上的若干烧结孔的孔径大小沿蒸发段向绝热段呈阶梯递增或递减；所述复合芯体在蒸发段的孔径大小沿复合芯体到金属壳体方向呈阶梯递减或递增；所述复合芯体在绝热段和冷凝段的孔径由大颗粒的粗粉烧结而成；所述复合芯体的若干烧结孔由不同颗粒大小的粉末分两层及以上烧结而成。

在本实施例中，所述复合芯体为三层复合芯体，所述三层复合芯体包括第一层芯体、第二层芯体和第三层芯体。

在一些实施例中，所述第一层芯体的孔径大小沿蒸发段向绝热段呈阶梯递增；所述第二层芯体的烧结粉末粒径大小沿蒸发段向绝热段呈阶梯递增，且所述第二层芯体在蒸发段的孔径大于第一层芯体在蒸发段的孔径；所述第三层芯体在蒸发段的孔径大于第二层芯体在蒸发段的孔径。

在一些实施例中，所述第一层芯体的孔径大小沿蒸发段向绝热段呈阶梯递减；所述第二层芯体的孔径大小沿蒸发段向绝热段呈阶梯递减，且所述第二层芯体在蒸发段的孔径小于第一层芯体在蒸发段的孔径；所述第三层芯体在蒸发段的孔径小于第二层芯体在蒸发段的孔径。

上述烧结复合芯热管的制备方法，包括如下步骤：

(1)提供金属壳体1及多种不同颗粒大小的金属粉末；

(2)将粗芯棒1a置于金属壳体1中，并向金属壳体1与粗芯棒1a间隙内分段填入第一粉末和第二粉末，烧结得到第一层芯体；

(3)在上述第一层芯体腔中再次插入较细芯棒1b，并向第一层芯体与较细芯棒间隙分段填入第三粉末和第二粉末，分段长度与第一层芯体相同，烧结得到第二层芯体；

(3)在上述第二层芯体腔中插入细芯棒1c，并向第二层芯体与细芯棒间隙填入第二粉末，烧结并拔出细芯棒得到第三层芯体，以形成三层复合芯体；

(4)在上述三层复合芯体空腔内充入工质并密封所述金属壳体，从而制得所述烧结复合芯热管。

在本实施例中，所述第一粉末、第二粉末与第三粉末的直径均不相同；所述第一粉末、第二粉末与第三粉末均包括金属粉末、陶瓷粉末或高分子粉末。

具体实施例：

图1为本发明烧结复合芯热管实施例的轴向剖面示意图，该烧结复合芯热管包括金属壳体1，如铜、铝及不锈钢等，形状可为圆形和平板形等。金属壳体壳体1内壁上形成由烧结不同粉末颗粒大小而构成的多层毛细结构2-6(即复合芯体)，该粉末颗粒可以为金属粉末颗粒如铜粉、铝粉、不锈钢粉末或者陶瓷粉末等。图中揭示了三层复合芯体结构，沿金属壳体1内壁向外，靠近壳体1的毛细结构2和毛细结构5形成第一层芯体，其呈分段布置，分别位于壳体1的蒸发段和冷凝绝热段；其中，毛细结构2为细粉烧结，毛细结构5为粗粉烧结；中间层的毛细结构3和毛细结构6形成第二层芯体，分别位于金属壳体1的蒸发段和绝热冷凝段，毛细结构3为较细粉末烧结，毛细结构6为粗粉烧结；第三层的毛细结构4为第三层芯体，其沿整个金属壳体1均由粗粉烧结。该热管内充装低沸点、高汽化潜热的工质，如水，乙醇、丙酮等，进行抽真空及二次除气后再密封。

图2(a)和图2(b)为本发明烧结复合芯热管实施例的不同位置截面示意图。在蒸发段部分，金属壳体1从内壁向外粉末颗粒大小依次递增排布，如图2(a)所示。在绝热段和冷凝段部分，金属壳体1内壁向外三层均为大颗粒的粗粉排布而成，如图2(b)所示。

图3(a)至图3(c)为本发明烧结复合芯热管的制造方法过程示意图。(1)提供金属壳体1和及至少三种不同颗粒大小的金属粉末；其中，金属壳体1如铜管、铝管或不锈钢管；(2)将粗芯棒1a如不锈钢棒、石墨棒置于金属壳体1正中央，此时可通过模具限位；(3)向金属壳体1与粗芯棒1a间隙内依次填入细粉和粗粉，细粉和粗粉可为铜粉、铝粉、不锈钢粉末或陶瓷粉末等。其中细粉长度以实际应用中受热的蒸发段长度为宜，而其余长度均填装粗粉；(4)将上述单层芯置于保护气体氛围如氩气、氢氩混合气中在800-950℃下烧结1-2小时，得到第一层芯体；(5)拔出粗芯棒1a并替换尺寸较小的芯棒1b，并利用模具将其置于金属壳体1正中央，向金属壳体1与芯棒1b间隙内依次填入较细粉和粗粉。较细粉的长度与步骤(3)中细粉长度保持一致，但粉末粒径略大；而粗粉粒径及烧结长度与步骤(3)中的一致；(6)将上述两层芯置于保护气体氛围如氩气、氢氩混合气中在800-950℃下烧结1-2小时，得到第二层芯体；(7)拔出芯棒1b并替换尺寸较小的芯棒1c，并利用模具将其置于金属壳体1正中央，向金属壳体1与芯棒1c间隙内填装粗粉，粗粉长度为整个金属壳体1，粒径与步骤(3)和步骤(5)中的粗粉一致；(8)将上述三层芯置于保护气体氛围如氩气或氢氩混合气中在800-950℃下烧结1-2小时，得到第二层芯体，从而形成三层复合芯体；(8)拔出芯棒1c，向金属壳体1内充装工质如水、乙醇、丙酮等，抽真空并进行二次除气，最后密封(该步骤图未示)。

为了验证该烧结复合芯较强的抗重力传热性能，本发明提供了如表1所示复合芯热管具体制备参数，该复合芯热管在反重力倾斜90度条件下的传热性能如图4所示。由图可知在完全反重力条件下，烧结普通芯B的传热能力为23W；烧结普通芯C的传热能力为26W；而烧结复合芯A传热能力高达85W，较烧结普通芯热管提升至少2倍以上。烧结复合芯热管较强的反重力传热能力是由于蒸发段具有沿管壳逐渐减小的孔径，因而在高功率下，液层退至管壁侧时所产生的毛细驱动力会越来越大；而绝热冷凝段为粗粉烧结，具有较大的孔隙和较高孔隙率，能保证冷凝后的工质快速回流至蒸发段，减缓了蒸发段多孔芯的干涸。该复合芯结构热管依据热管各部分多孔芯的功能差异性以及热管运行时多孔芯内液层变化过程而设计，实现了功能与结构的统一性，使得热管的传热能力大幅提升，可应用于高热流密度场所以及反重力倾斜的工况。

表1复合芯热管具体制备参数

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种烧结复合芯热管，其特征在于，包括金属壳体，复合芯体和工质，所述复合芯体上分布若干孔结构，且复合芯体上的若干孔的孔径大小沿所述金属壳体的轴向和径向均呈多级分布。

2.根据权利要求1所述的一种烧结复合芯热管，其特征在于，所述烧结复合芯热管分为蒸发段、绝热段和冷凝段，所述复合芯体上的若干烧结孔的孔径大小沿蒸发段向绝热段呈阶梯递增或递减；所述复合芯体在蒸发段的孔径大小沿复合芯体到金属壳体方向呈阶梯递减或递增。

3.根据权利要求2所述的一种烧结复合芯热管，其特征在于，所述复合芯体的若干孔由不同颗粒大小的粉末分两层及以上烧结而成。

4.根据权利要求3所述的一种烧结复合芯热管，其特征在于，所述复合芯体为多层复合芯体，所述多层复合芯体包括第一层芯体、第二层芯体和第三层芯体。

5.根据权利要求4所述的一种烧结复合芯热管，其特征在于，所述第一层芯体的孔径大小沿蒸发段向绝热段呈阶梯递增；所述第二层芯体的烧结粉末粒径大小沿蒸发段向绝热段呈阶梯递增，且所述第二层芯体在蒸发段的孔径大于第一层芯体在蒸发段的孔径；所述第三层芯体在蒸发段的孔径大于第二层芯体在蒸发段的孔径。

6.根据权利要求4所述的一种烧结复合芯热管，其特征在于，所述第一层芯体的孔径大小沿蒸发段向绝热段呈阶梯递减；所述第二层芯体的孔径大小沿蒸发段向绝热段呈阶梯递减，且所述第二层芯体在蒸发段的孔径小于第一层芯体在蒸发段的孔径；所述第三层芯体在蒸发段的孔径小于第二层芯体在蒸发段的孔径。

7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的烧结复合芯热管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)提供金属壳体及多种不同颗粒大小的金属粉末；

(2)将粗芯棒置于金属壳体中，并向金属壳体与粗芯棒1a间隙内分段填入第一种粉末和第二种粉末，烧结得到第一层芯体；

(3)在上述第一层芯体腔中再次插入较细芯棒，并向第一层芯体与较细芯棒间隙分段填入第三种粉末和第二种粉末，分段长度与第一层芯体相同，烧结得到第二层芯体；

(4)在上述第二层芯体腔中插入细芯棒，并向第二层芯体与细芯棒间隙填入第二粉末，烧结并拔出细芯棒得到第三层芯体，以形成三层复合芯体；

(5)在上述三层复合芯体空腔内充入工质并密封所述金属壳体，从而制得所述烧结复合芯热管。

8.根据权利要求7所述的制备方法，所述第一粉末、第二粉末与第三粉末的直径均不相同。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第一粉末、第二粉末和第三粉末均包括金属粉末、陶瓷粉末或高分子粉末；所述金属粉末包括铜粉、铝粉或不锈钢粉末。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述工质包括水、乙醇或者丙酮。

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