CN113720186A - 一种基于多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器及其制造方法 - Google Patents

一种基于多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器及其制造方法，该蒸发器包括：金属管壳、金属化层和氮化硅陶瓷毛细芯；氮化硅陶瓷毛细芯的一端为密封段，另一端加工有沿其轴向的蒸汽槽道；金属管壳同轴套装在氮化硅陶瓷毛细芯的外部；金属管壳内径与氮化硅陶瓷毛细芯外径的尺寸公差为过盈配合关系，且金属管壳内径与氮化硅陶瓷毛细芯的密封段外径之间设有一层金属化层，在金属管壳与氮化硅陶瓷毛细芯的过盈装配过程中，金属化层发生屈服变形，填充金属管壳与氮化硅陶瓷毛细芯的密封段之间的加工缺陷或缝隙；本发明能够实现金属管壳与氮化硅陶瓷毛细芯的装配，并在装配面形成密封，提高环路热管蒸发器毛细力，从而提高环路热管的传热能力。

Description

一种基于多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器及其制造方法
技术领域
本发明属于航天器热控技术领域，具体涉及一种基于多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器及其制造方法。
背景技术
环路热管是近年来发展起来的一种高效传热产品，具有传热能力强、传输距离远、管路布局灵活、反重力工作能力强以及热开关特性等突出特点，在宇航热控领域逐渐推广应用。
如图4所示，环路热管由蒸发器、储液器、蒸气管路、液体管路及冷凝器组成。蒸发器是环路热管核心部件，蒸发器由毛细芯和管壳两部分组成，其中毛细芯是一种多孔材料。热量通过管壳传递至毛细芯，在毛细芯的多孔表面发生蒸发相变，形成气液分离的弯月面，从而产生毛细抽吸力。
相比于常见的金属多孔材料，多孔氮化硅陶瓷具有密度低、热导率低、耐腐蚀、加工性好、孔隙率高等优点，是一种优良的环路热管毛细芯材料。
专利CN201711288099.X一种环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯及其制备方法，公布了一种氮化硅多孔陶瓷毛细芯的制备方法，将具有不同配比的至少两种氮化硅浆料依次注入模具进行凝胶固化、干燥、烧结、加工以获得所述环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯，其中氮化硅浆料包括氮化硅粉体、烧结助剂、凝胶剂、造孔剂和水，先注入模具的氮化硅浆料中造孔剂的含量低于后注入模具氮化硅浆料中造孔剂的含量。
CN201711287065.9一种环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯及其结合涂层制备方法，公布了一种梯度多孔毛细芯及其涂层的制备方法，包括初级氮化硅毛细芯，以及包覆于所述初级氮化硅毛细芯外表面的至少一层氮化硅小孔层，所述初级氮化硅毛细芯的孔隙率为60～90％、孔径为10～200微米，所述氮化硅小孔层的孔隙率为40～60％、孔径为0.1～1微米。
CN201610587111.6一种环路热管用多孔氮化硅毛细芯，由包括氮化硅粉末、烧结助剂以及造孔剂的原料烧制而成，其中氮化硅含量不少于90％wt。氮化硅粉末的平均粒径介于0.1～10μm之间，α相氮化硅占比大于90％。多孔氮化硅毛细芯所含微孔互相连通，微孔孔径介于0.5μm～5μm之间，开孔孔隙率大于50％。
三个专利侧重材料的制备与加工过程，以及毛细芯的孔径参数选择，而陶瓷毛细芯与金属管壳装配成蒸发器是制备陶瓷芯环路热管的关键环节。如何将陶瓷毛细芯装配到金属管壳中，同时在毛细芯与管壳密封面形成有效的毛细密封是制备陶瓷芯蒸发器面临的技术难题。常用的壳体材料为不锈钢，毛细芯为Si3N4陶瓷，两种材料的硬度均较大，若二者同心度、过盈量不匹配，无法实现有效的毛细密封。根据理论计算，假设二者之间出现2μm的狭缝或者4μm的加工缺陷，毛细力将衰减为24kPa。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器及其制造方法，能够实现金属管壳与氮化硅陶瓷毛细芯的装配，并在装配面形成密封，提高环路热管蒸发器毛细力2～3倍，从而提高环路热管的传热能力。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种基于多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器，包括：金属管壳、金属化层和氮化硅陶瓷毛细芯；
所述氮化硅陶瓷毛细芯为等直圆柱，其一端为密封段，另一端加工有两个以上沿其轴向的蒸汽槽道；
所述金属管壳同轴套装在所述氮化硅陶瓷毛细芯的外部；所述金属管壳内径与氮化硅陶瓷毛细芯外径的尺寸公差为过盈配合关系，且金属管壳内径与氮化硅陶瓷毛细芯的密封段外径之间设有一层金属化层，在金属管壳与氮化硅陶瓷毛细芯的过盈装配过程中，金属化层发生屈服变形，填充金属管壳与氮化硅陶瓷毛细芯的密封段之间的加工缺陷或缝隙。
进一步的，所述金属化层采用金、银、铜、铝或镍。
进一步的，所述金属化层通过电镀、化学镀或磁控溅射的方式设置在金属管壳内径与氮化硅陶瓷毛细芯的密封段外径之间。
进一步的，所述金属化层的轴向长度与所述氮化硅陶瓷毛细芯的密封段的轴向长度相等。
进一步的，所述金属管壳与氮化硅陶瓷毛细芯的密封段之间的过盈量为0.01～0.1mm。
进一步的，所述金属化层的厚度为2～20μm。
一种多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器的制造方法，具体步骤如下：
步骤一，加工金属管壳和氮化硅陶瓷毛细芯，其中，氮化硅陶瓷毛细芯的外径与金属管壳的内径的尺寸公差为过盈配合；
步骤二，在金属管壳上需要与所述氮化硅陶瓷毛细芯的密封段配合的内壁面进行金属化处理，形成金属化层；
步骤三，将氮化硅陶瓷毛细芯和金属管壳进行过盈装配，装配过程如下：
步骤3-1，将金属管壳在加热炉中加热至200～400℃，金属管壳在高温下膨胀，使得高温下金属管壳的内径尺寸大于氮化硅陶瓷毛细芯的外径尺寸；
步骤3-2，将室温下的氮化硅陶瓷毛细芯与高温下的金属管壳进行间隙配合，并使得金属管壳上设有金属化层的部分与所述氮化硅陶瓷毛细芯的密封段配合；
步骤3-3，将完成装配的氮化硅陶瓷毛细芯与金属管壳冷却至室温，降温过程金属管壳收缩，实现金属管壳与氮化硅陶瓷毛细芯的过盈配合，金属化层在金属管壳收缩过程中受压发生屈服变形，填充氮化硅陶瓷毛细芯与金属管壳之间的加工缺陷或缝隙，完成环路热管蒸发器的装配。
进一步的，所述金属管壳与氮化硅陶瓷毛细芯的密封段之间的过盈量为0.01～0.1mm。
进一步的，所述金属化层的厚度为2～20μm。
进一步的，所述金属化层的轴向长度与所述氮化硅陶瓷毛细芯的密封段的轴向长度相等。
有益效果：
(1)本发明通过在金属管壳的内壁面设置具有良好压缩性和延展性的金属化层，利用金属管壳与氮化硅陶瓷毛细芯过盈装配过程中的压力，金属化层填充氮化硅陶瓷毛细芯与金属管壳之间的加工缺陷或缝隙，从而在二者的配合面形成可靠的密封；解决了金属管壳和氮化硅陶瓷毛细芯异质材料密封装配问题，能够提升环路热管蒸发器的毛细力2～3倍以上，进而提高环路热管传热能力、逆重力工作能力。
(2)本发明的金属化层采用金、银、铜、铝或镍材料加工，具有良好延展性，受压易变形，便于填充氮化硅陶瓷毛细芯与金属管壳之间的加工缺陷或缝隙。
(3)本发明的金属化层通过电镀、化学镀或磁控溅射等方式设置在金属管壳的内壁面，加工简单、方便、可靠。
(4)本发明的金属管壳与氮化硅陶瓷毛细芯进行过盈装配时，利用热胀冷缩原理，首先将金属管壳加热至200～400℃，其内径尺寸在高温下由于体积膨胀大于室温下的氮化硅陶瓷毛细芯外径尺寸，将二者在高温环境下完成间隙配合的装配后，降温至室温，金属管壳体积收缩，抱紧氮化硅陶瓷毛细芯，实现过盈装配，该装配方法对金属管壳和氮化硅陶瓷毛细芯的加工精度要求降低，环路热管蒸发器装配成品率提高，加工制造成本降低。
(5)本发明对金属管壳的加热温度为200～400℃，可以根据材料热膨胀系数不同而略有调整，保证在此温度下，原本过盈的金属管壳内径大于氮化硅陶瓷毛细芯外径。
附图说明
图1为本发明的组成图；
图2为本发明的轴测图；
图3为氮化硅陶瓷毛细芯的外形图；
图4为背景技术中环路热管的组成原理图；
其中，1-金属管壳，2-金属化层，3-氮化硅陶瓷毛细芯，4-密封段。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种基于多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器，参见附图1-2，包括：金属管壳1、金属化层2和氮化硅陶瓷毛细芯3；
参见附图3，所述氮化硅陶瓷毛细芯3为等直圆柱，其一端为密封段4，另一端加工有两个以上沿其轴向的蒸汽槽道；
所述金属管壳1同轴套装在所述氮化硅陶瓷毛细芯3的外部；所述金属管壳1内径与氮化硅陶瓷毛细芯3外径的尺寸公差为过盈配合关系，且金属管壳1内径与氮化硅陶瓷毛细芯3的密封段4外径之间设有一层具有压缩性和延展性的金属化层2，在金属管壳1与氮化硅陶瓷毛细芯3的过盈装配过程中，金属化层2发生屈服变形，填充金属管壳1与氮化硅陶瓷毛细芯3的密封段4之间的加工缺陷或缝隙，从而在金属管壳1与氮化硅陶瓷毛细芯3的密封段4之间形成可靠的密封，大幅提升蒸发器毛细力；
其中，金属管壳1采用不锈钢、镍基合金或其他结构强度满足要求的金属材料；
所述金属化层2采用金、银、铜、铝或镍等具有良好延展性、硬度较金属管壳1材料软的金属材料；
所述金属化层2通过电镀、化学镀或磁控溅射等方法设置在金属管壳1内径与氮化硅陶瓷毛细芯3的密封段4外径之间；
所述金属化层2的轴向长度与所述氮化硅陶瓷毛细芯3的密封段4的轴向长度相等；金属化层2的轴向长度为1～30mm，金属化层2的厚度为2～20μm；所述金属化层2的厚度能够保证金属管壳1与氮化硅陶瓷毛细芯3的密封段4之间的过盈量为0.01～0.1mm。
所述环路热管蒸发器的制造方法如下：
步骤一，加工金属管壳1和氮化硅陶瓷毛细芯3，其中，氮化硅陶瓷毛细芯3的外径与金属管壳1的内径的尺寸公差设计为过盈配合，过盈量为0.01～0.1mm；
步骤二，在金属管壳1上需要与所述氮化硅陶瓷毛细芯3的密封段4配合的内壁面进行金属化处理，形成金属化层2，金属化层2的轴向长度与所述氮化硅陶瓷毛细芯3的密封段4的轴向长度相等；金属化层2的厚度为2～20μm；
步骤三，将氮化硅陶瓷毛细芯3和金属管壳1进行过盈装配，装配过程如下：
步骤3-1，将金属管壳1在加热炉中加热至200～400℃，金属管壳1在高温下膨胀，即内径增大，使得高温下金属管壳1的内径尺寸大于氮化硅陶瓷毛细芯3的外径尺寸；
步骤3-2，将室温下的氮化硅陶瓷毛细芯3与高温下的金属管壳1进行间隙配合，将金属管壳1同轴套装在所述氮化硅陶瓷毛细芯3的外部，并使得金属管壳1上设有金属化层2的部分与所述氮化硅陶瓷毛细芯3的密封段4配合；
步骤3-3，将完成装配的氮化硅陶瓷毛细芯3与金属管壳1冷却至室温，降温过程金属管壳1收缩，实现金属管壳1与氮化硅陶瓷毛细芯3的过盈配合，金属化层2在金属管壳1收缩过程中受压发生屈服变形，填充氮化硅陶瓷毛细芯3与金属管壳1之间的加工缺陷或缝隙，完成环路热管蒸发器的装配。
所述环路热管蒸发器的具体参数如下：
步骤一，加工金属管壳1和氮化硅陶瓷毛细芯3，其中，金属管壳1的内径为
Figure BDA0003180256200000051
氮化硅陶瓷毛细芯3的外径为
Figure BDA0003180256200000052
过盈量为0.01～0.05mm，氮化硅陶瓷毛细芯3的密封段4的轴向长度为5mm；金属管壳1采用不锈钢材料；
步骤二，在金属管壳1上需要与所述氮化硅陶瓷毛细芯3的密封段4配合的内壁面进行化学镀金处理，形成金属化层2，金属化层2的轴向长度为5mm；金属化层2的厚度为3～5μm；
步骤三，将氮化硅陶瓷毛细芯3和金属管壳1进行过盈装配，装配过程如下：
步骤3-1，将金属管壳1在加热炉中加热至400℃，金属管壳1在高温下膨胀，由于不锈钢的热膨胀系数为1.2×10-5/℃，假设室温为20℃，升温到400℃时，金属管壳1的内径增加0.05mm，变为
Figure BDA0003180256200000053
由于室温下的氮化硅陶瓷毛细芯3的外径为
Figure BDA0003180256200000054
因此，此时金属管壳1的内径大于氮化硅陶瓷毛细芯3的外径；
步骤3-2，将室温下的氮化硅陶瓷毛细芯3与高温下的金属管壳1直接进行间隙装配，并使得金属管壳1上设有金属化层2的部分与所述氮化硅陶瓷毛细芯3的密封段4配合；
步骤3-3，将完成装配的氮化硅陶瓷毛细芯3与金属管壳1冷却至室温，金属管壳1的内径收缩至
Figure BDA0003180256200000055
实现金属管壳1与氮化硅陶瓷毛细芯3的过盈配合，3～5μm厚的金属化层2在受压后延展变形，填充氮化硅陶瓷毛细芯3与金属管壳1之间的加工缺陷或缝隙，完成环路热管蒸发器的装配。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器，其特征在于，包括：金属管壳(1)、金属化层(2)和氮化硅陶瓷毛细芯(3)；
所述氮化硅陶瓷毛细芯(3)为等直圆柱，其一端为密封段(4)，另一端加工有两个以上沿其轴向的蒸汽槽道；
所述金属管壳(1)同轴套装在所述氮化硅陶瓷毛细芯(3)的外部；所述金属管壳(1)内径与氮化硅陶瓷毛细芯(3)外径的尺寸公差为过盈配合关系，且金属管壳(1)内径与氮化硅陶瓷毛细芯(3)的密封段(4)外径之间设有一层金属化层(2)，在金属管壳(1)与氮化硅陶瓷毛细芯(3)的过盈装配过程中，金属化层(2)发生屈服变形，填充金属管壳(1)与氮化硅陶瓷毛细芯(3)的密封段(4)之间的加工缺陷或缝隙。
2.如权利要求1所述的一种基于多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器，其特征在于，所述金属化层(2)采用金、银、铜、铝或镍。
3.如权利要求1所述的一种基于多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器，其特征在于，所述金属化层(2)通过电镀、化学镀或磁控溅射的方式设置在金属管壳(1)内径与氮化硅陶瓷毛细芯(3)的密封段(4)外径之间。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种基于多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器，其特征在于，所述金属化层(2)的轴向长度与所述氮化硅陶瓷毛细芯(3)的密封段(4)的轴向长度相等。
5.如权利要求1-3任一项所述的一种基于多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器，其特征在于，所述金属管壳(1)与氮化硅陶瓷毛细芯(3)的密封段(4)之间的过盈量为0.01～0.1mm。
6.如权利要求1-3任一项所述的一种基于多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器，其特征在于，所述金属化层(2)的厚度为2～20μm。
7.一种基于权利要求1所述的多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器的制造方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一，加工金属管壳(1)和氮化硅陶瓷毛细芯(3)，其中，氮化硅陶瓷毛细芯(3)的外径与金属管壳(1)的内径的尺寸公差为过盈配合；
步骤二，在金属管壳(1)上需要与所述氮化硅陶瓷毛细芯(3)的密封段(4)配合的内壁面进行金属化处理，形成金属化层(2)；
步骤三，将氮化硅陶瓷毛细芯(3)和金属管壳(1)进行过盈装配，装配过程如下：
步骤3-1，将金属管壳(1)在加热炉中加热至200～400℃，金属管壳(1)在高温下膨胀，使得高温下金属管壳(1)的内径尺寸大于氮化硅陶瓷毛细芯(3)的外径尺寸；
步骤3-2，将室温下的氮化硅陶瓷毛细芯(3)与高温下的金属管壳(1)进行间隙配合，并使得金属管壳(1)上设有金属化层(2)的部分与所述氮化硅陶瓷毛细芯(3)的密封段(4)配合；
步骤3-3，将完成装配的氮化硅陶瓷毛细芯(3)与金属管壳(1)冷却至室温，降温过程金属管壳(1)收缩，实现金属管壳(1)与氮化硅陶瓷毛细芯(3)的过盈配合，金属化层(2)在金属管壳(1)收缩过程中受压发生屈服变形，填充氮化硅陶瓷毛细芯(3)与金属管壳(1)之间的加工缺陷或缝隙，完成环路热管蒸发器的装配。
8.如权利要求7所述的一种多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器的制造方法，其特征在于，所述金属管壳(1)与氮化硅陶瓷毛细芯(3)的密封段(4)之间的过盈量为0.01～0.1mm。
9.如权利要求7或8所述的一种多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器的制造方法，其特征在于，所述金属化层(2)的厚度为2～20μm。
10.如权利要求7或8所述的一种多孔氮化硅毛细芯的环路热管蒸发器的制造方法，其特征在于，所述金属化层(2)的轴向长度与所述氮化硅陶瓷毛细芯(3)的密封段(4)的轴向长度相等。
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