CN114018077A - 碱金属热管吸液芯及其制备方法和热管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了碱金属热管吸液芯及其制备方法和热管，碱金属热管吸液芯包括泡沫金属，所述泡沫金属的表面形成有碱金属针状纳米微粒，制备方法：将泡沫金属浸入含有碱金属离子的混合溶液中，然后取出泡沫金属进行高温烘烤。本发明利用氧化还原反应，采用泡沫金属表面复合针状纳米微粒的方法来形成微纳复合毛细结构，进一步减小微孔孔径，同时提升工质与毛细结构微孔的浸润性，减小接触角，有助于提高毛细极限。

Description

碱金属热管吸液芯及其制备方法和热管

技术领域

本发明涉及传热技术领域，具体涉及碱金属热管吸液芯及其制备方法和热管。

背景技术

典型的热管结构如图1所示，热管是一个两端封闭的真空金属管，根据工质流动状态可分为蒸发段、冷凝段和绝热段，其中绝热段可以根据实际情况选择是否需要。一般紧贴热管内壁的是一层或多层充满了工质的多孔介质，称为吸液芯。工质在蒸发段接受从热源传来经过热管壁的热量，逐渐蒸发通过吸液芯的气液交界面进入蒸汽腔，沿绝热段输送，到达冷凝段时在冷凝段处的气液交界面凝结成液体，热量再通过热管壁释放给冷源。变为液体的工质靠毛细力的作用沿吸液芯回流到蒸发段，准备下一次循环。在无重力作用的条件下，毛细力提供了工质在热管内部循环的全部动力，用来克服蒸汽在蒸汽腔内流动和液体在吸液芯内部回流产生的阻力。

碱金属吸液芯热管是以碱金属(钠，钾，锂等)为工作介质的热管，运行温度区间为600K～1400K，可作为高温输热设备用于核反应堆领域、航空航天等特种领域。

碱金属热管依靠物质相变产生的潜热实现热量传递，具有输热效率高、等温性能好、环境适应能力强等优点，但热管存在一系列某温度条件下可以实现的最大输热率限制着热管的输热能力，即热管的传热极限。研究表明，在高功率运行区间时，碱金属热管主要受到毛细传热极限的限制。

而影响碱金属热管毛细极限限值的关键结构是热管内部的吸液芯。优化热管吸液芯结构，可提升热管毛细极限和传热性能。

发明内容

本发明的目的在于提供碱金属热管吸液芯，采用泡沫金属表面复合针状纳米微粒的方法来形成微纳复合毛细结构，进一步减小微孔孔径，同时提升工质与毛细结构微孔的浸润性，减小接触角，以提高毛细极限。

此外，本发明还提供基于包括上述吸液芯的热管，以及上述吸液芯的制备方法

本发明通过下述技术方案实现：

碱金属热管吸液芯，包括泡沫金属，所述泡沫金属的表面形成有碱金属针状纳米微粒。

提升吸液芯毛细力的原理如下：

热管的毛细压差是蒸汽流动的驱动力，它必须足以克服蒸汽流动与液体回流产生的阻力，以保证热管的正常运行，即：

ΔP_cap≥ΔP_v+ΔP_l (1)

式中，ΔP_v为蒸汽流动产生的阻力压降，Pa；ΔP_l为液体回流产生的阻力压降，Pa；ΔP_cap为毛细压差，Pa。

一般而言，ΔP_v和ΔP_l会随着传热量的增加而增加，而ΔP_cap的大小与传热量无关，是由吸液芯的结构决定，故当传热量超过某一限值时，最大毛细压差可能无法满足液体回流的要求，导致蒸发段干涸，此时热管就达到了毛细极限。

关于液体回流，经理论推导可得：

式中，μ_l为液体动力粘度，Pa·s；K为吸液芯的渗透率；A_w为液体回流的通道横截面积，m²；ρ_l为液体密度，kg/m³；h_fg为工质蒸发潜热，kg/J；Q为热管载热功率，W。

可将蒸汽流动压降分为蒸发段、绝热段和冷凝段三个部分，其大小可由以下三式分别得到：

ΔP_v＝ΔP_ve+ΔP_va+ΔP_vc (3)

式中，ΔP_ve为蒸发段蒸汽压降，Pa；ΔP_va为绝热段蒸汽压降，Pa；ΔP_vc为冷凝段蒸汽压降，Pa；Re_re为蒸发段轴向雷诺数；Re_rc为冷凝段轴向雷诺数；Re_a为绝热段雷诺数，A_v为气体流动的通道横截面积，m²；μ_v为气体动力粘度，Pa·s；l_e,l_a,l_c分别是蒸发段长度，绝热段长度和冷凝段长度，m。

当吸液芯毛细最大压差与气液阻力相等时(式(1))，即认为热管达到毛细极限。可见，提升吸液芯毛细力即可提升毛细传热能力。而吸液芯性毛细力可用微孔内的Young–Laplace方程得到：

其中，R为微孔半径，θ为接触角，σ为表面张力。

因此，提升吸液芯毛细力可减小吸液芯微孔半径R或者减小吸液芯微孔的接触角。

但是，受限于工艺，吸液芯孔径受限，通常大于30微米。

本发明的采用泡沫金属表面复合针状纳米微粒的方法来形成微纳复合毛细结构，进一步减小微孔孔径至微米量级(小于20微米)，同时提升工质与毛细结构微孔的浸润性，减小接触角，最终提高毛细极限

进一步地，泡沫金属包括泡沫镍、泡沫铜和泡沫铜镍合金。

进一步地，泡沫金属为片状结构，所述片状结构的厚度为100-1000μm。

进一步地，碱金属为钾或钠。

碱金属热管吸液芯的制备方法，将泡沫金属浸入含有碱金属离子的混合溶液中反生氧化还原反应，氧化还原反应如方程式(1)所示，氧化还原反应后进行分解如方程式(2)所示，然后取出泡沫金属进行高温烘烤。

Cu+2KOH-K₂S₂O₈→Cu(OH)₂+2K₂SO₄ (1)

Cu(OH)₂→CuO+H₂O (2)

本发明利用氧化还原反应，采用泡沫金属表面复合针状纳米微粒的方法来形成微纳复合毛细结构，如图2所示，进一步减小微孔孔径。

进一步地，泡沫金属浸入混合溶液的温度为50-80℃，时间为10-60min。

进一步地，混合溶液包括1-3mol·L^-1氢氧化钾和0.026-0.078mol·L^-1过硫酸钾。

进一步地，混合溶液包括1-3mol·L^-1氢氧化钠和0.026-0.078mol·L^-1过硫酸钠。

进一步地，高温烘烤的温度为180-200℃。

一种热管，所述热管为两端封闭的真空金属管，所述热管的内壁设置上述的碱金属热管吸液芯。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明利用氧化还原反应，采用泡沫金属表面复合针状纳米微粒的方法来形成微纳复合毛细结构，进一步减小微孔孔径，同时提升工质与毛细结构微孔的浸润性，减小接触角，最终提高毛细极限。

2、本发明利用微孔半径越小，毛细力越大的原理，通过合理选用泡沫金属、生成纳米微粒的条件及处理方法，可提升热管传热极限，有助于减小固态反应堆体积。

3、本发明的吸液芯的制备工艺简单，易于实现。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为典型的热管结构的示意图；

图2为本发明制备的吸液芯的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

碱金属热管吸液芯，包括泡沫金属，所述泡沫金属的表面形成有碱金属针状纳米微粒。

在本实施例中，泡沫金属为120μm的泡沫铜，吸液芯的具体制备过程如下：

将120μm的泡沫铜浸入70℃的2.5mol·L^-1氢氧化钾和0.065mol·L^-1过硫酸钾的混合溶液中浸泡30分钟，取出泡沫金属薄片，洗净后放入180℃的高温炉烘烤2小时，泡沫金属薄片表面可形成针状纳米结构，如图2所示。

本实施例形成直径为500～800nm针状纳米颗粒，等效微孔半径约8um。

实施例2：

本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：

将120μm的泡沫铜浸入50℃的1mol·L^-1氢氧化钾和0.026mol·L^-1过硫酸钾的混合溶液中浸泡50分钟。

本实施例形成直径为600～900nm针状纳米颗粒，等效微孔半径约15um。

实施例3：

本实施例基于实施例1，与实施例1的区别在于：

将120μm的泡沫铜浸入80℃的3mol·L^-1氢氧化钾和0.078mol·L^-1过硫酸钾的混合溶液中浸泡30分钟。

本实施例可形成直径为400～700nm针状纳米颗粒，等效微孔半径约6um。

实施例4：

碱金属热管吸液芯，包括泡沫金属，所述泡沫金属的表面形成有碱金属针状纳米微粒。

在本实施例中，泡沫金属为100μm的泡沫镍，吸液芯的具体制备过程如下：

将100μm的泡沫镍浸入80℃的2.5mol·L^-1氢氧化钠和0.065mol·L^-1过硫酸钠的混合溶液中浸泡60分钟，取出泡沫金属薄片，洗净后放入200℃的高温炉烘烤1.5小时。

本实施例形成直径为300-600nm针状纳米颗粒，等效微孔半径约10um。

实施例5：

本实施例基于实施例4，与实施例4的区别在于：

将120μm的泡沫铜50℃的3mol·L^-1氢氧化钠和0.078mol·L^-1过硫酸钠的混合溶液中浸泡50分钟。

本实施例形成直径为500～800nm针状纳米颗粒，等效微孔半径约8um。

实施例6：

本实施例基于实施例4，与实施例4的区别在于：

将120μm的泡沫铜70℃的1mol·L^-1氢氧化钠和0.026mol·L^-1过硫酸钠的混合溶液中浸泡30分钟。

本实施例形成直径为400-700nm针状纳米颗粒，等效微孔半径约15um。

实施例7：

本实施例基于实施例1，实施例1的区别在于：

采用200μm的泡沫铜镍合金(60％镍，33％铜，6.5％铁，余量为杂质)替换泡沫铜。

本实施例形成直径为500～800nm针状纳米颗粒，等效微孔半径约10um。

实施例8：

本实施例基于实施例4，实施例4的区别在于：

采用500μm的泡沫铜镍合金(60％镍，33％铜，6.5％铁，余量为杂质)替换泡沫铜。

本实施例形成直径为300～600nm针状纳米颗粒，等效微孔半径约8um。

实施例9：

一种热管，所述热管为两端封闭的真空金属管，所述热管的内壁设置有如实施例1-8任一项所述碱金属热管吸液芯。

热管的制备过程如下：

1)、将吸液芯与热管管壳等其余部分组合，并注入适量碱金属介质。通过封装等，形成碱金属热管；

2)、将碱金属热管蒸发段、冷凝段与相应的热源、冷源连接等操作，使热管运行。

上述热管可通过该吸液芯提供的毛细力驱动热管内的循环流动，可达到提高毛细极限从而提升热管传热极限的目的。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、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.碱金属热管吸液芯，其特征在于，包括泡沫金属，所述泡沫金属的表面形成有碱金属针状纳米微粒。

2.根据权利要求1所述的碱金属热管吸液芯，其特征在于，所述泡沫金属包括泡沫镍、泡沫铜和泡沫铜镍合金。

3.根据权利要求1所述的碱金属热管吸液芯，其特征在于，所述泡沫金属为片状结构，所述片状结构的厚度为100-1000μm。

4.根据权利要求1所述的碱金属热管吸液芯，其特征在于，碱金属为钾或钠。

5.如权利要求1-4任一项所述碱金属热管吸液芯的制备方法，其特征在于，将泡沫金属浸入含有碱金属离子的混合溶液中，然后取出泡沫金属进行高温烘烤。

6.根据权利要求5所述碱金属热管吸液芯的制备方法，其特征在于，泡沫金属浸入混合溶液的温度为50-80℃，时间为10-60min。

7.根据权利要求5所述碱金属热管吸液芯的制备方法，其特征在于，所述混合溶液包括1-3mol·L^-1氢氧化钾和0.026-0.078mol·L^-1过硫酸钾。

8.根据权利要求5所述碱金属热管吸液芯的制备方法，其特征在于，所述混合溶液包括1-3mol·L^-1氢氧化钠和0.026-0.078mol·L^-1过硫酸钠。

9.根据权利要求5所述碱金属热管吸液芯的制备方法，其特征在于，高温烘烤的温度为180-200℃。

10.一种热管，所述热管为两端封闭的真空金属管，其特征在于，所述热管的内壁设置有如权利要求1-4任一项所述碱金属热管吸液芯。

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