CN114264178B - 一种可自动调整孔径的环路热管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可自动调整孔径的环路热管，包括毛细芯、蒸发器、补偿腔、冷凝器、蒸汽管路和液体管路，蒸发器和冷凝器通过蒸汽管路和液体管路连接，蒸发器内部设有毛细芯、补偿腔和蒸发腔，补偿腔连接毛细芯，毛细芯连接蒸发腔，毛细芯采用多孔材料作为骨架，使得毛细芯中设置孔隙，在孔隙中设置低导热系数、高膨胀系数的颗粒材料。本发明提出一种可变孔径的毛细芯设计思路。本设计可采用直接压制成型，操作简单，所得毛细芯的孔径可根据施加热负荷的大小而改变，保证环路热管的稳定运行，适用性更广泛。

Description

一种可自动调整孔径的环路热管

技术领域

本发明涉及一种热管技术，尤其涉及一种环路热管，属于F28d15/02的热管领域。

背景技术

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果，开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备，其中包括核电领域，例如核电的余热利用等。

环路热管是指一种回路闭合环型热管。一般由蒸发器、冷凝器、储液器以及蒸气和液体管线构成。其工作原理为：对蒸发器施加热载荷，工质在蒸发器毛细芯外表面蒸发，产生的蒸气从蒸气槽道流出进入蒸气管线，继而进入冷凝器冷凝成液体并过冷，回流液体经液体管线进入液体干道对蒸发器毛细芯进行补给，如此循环，而工质的循环由蒸发器毛细芯所产生的毛细压力驱动，无需外加动力。 由于冷凝段和蒸发段分开，环路式热管广泛应用于能量的综合应用以及余热的回收。

在此之前单一孔径设计中，较小的孔径能够产生较大的驱动力但同时会产生较大的液体回流阻力，较大的孔径能减少液体回流阻力但是毛细芯提供的毛细驱动力较小；因此毛细芯同时具有大孔径孔和小孔径孔的毛细芯被广泛研究，其较大的孔径可以有效减少工质流动阻力，较小孔径可以保证系统提供足够的驱动力。双孔径毛细芯多采用烧结工艺，过程操作以及造孔剂的选择对孔隙率的改变影响较大，并且对于不同热负荷的工况下往往有着不同孔隙率的要求。在环路热管的蒸发器中，若毛细芯的导热系数较大会发生蒸发腔大量热量通过毛细芯传递到补偿腔内的现象，造成补偿腔内液体发生汽化相变，严重会导致补偿腔内液体工质的蒸干。

针对上述缺陷，本发明对目前的环路热管进行了改进，提出一种可变孔径的毛细芯的环路热管。本发明可采用直接压制成型，操作简单，所得毛细芯的孔径可根据施加热负荷的大小而改变，保证环路热管的稳定运行，适用性更广泛。

发明内容

本发明旨在提供一种可变孔径的毛细芯的环路热管，毛细芯的孔径可根据施加热负荷的大小而改变，使蒸发腔的热量不易传递给补偿腔侧，减少“漏热”，保证环路热管的稳定运行。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种可自动调整孔径的环路热管，包括毛细芯、蒸发器、补偿腔、冷凝器、蒸汽管路和液体管路，蒸发器和冷凝器通过蒸汽管路和液体管路连接，蒸发器内部设有毛细芯、补偿腔和蒸发腔，补偿腔连接毛细芯，毛细芯连接蒸发腔，其特征在于，毛细芯采用多孔材料作为骨架，使得毛细芯中设置孔隙，在孔隙中设置低导热系数、高膨胀系数的颗粒材料。孔隙直径尺寸范围为40μm — 100μm，颗粒材料导热系数范围为0.1 W/(m·K) — 0.24W/(m·K)，颗粒体积膨胀倍率为10 — 40。

作为优选，颗粒材料是可膨胀微球，所述可膨胀微球具有烷烃核芯和包裹核芯的热塑性外壳。

作为优选，外壳是二氯乙烯系共聚物、丙烯腈系共聚物、丙烯酸系共聚物中的至少一种。

作为优选，烷烃核芯是异丁烷、异戊烷中的至少一种。

作为优选，外壳的热变形温度为40℃—80℃。

作为优选，烷烃核芯的沸点是36℃。

作为优选，从补偿腔到蒸发腔方向，颗粒材料的膨胀系数逐渐增加。

作为优选，从补偿腔到蒸发腔方向，颗粒材料的导热系数逐渐降低。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1) 本发明对目前的环路热管进行了改进，提出一种可变孔径的毛细芯的环路热管。本发明可采用直接压制成型，操作简单，所得毛细芯的孔径可根据施加热负荷的大小而改变，保证环路热管的稳定运行，适用性更广泛。

2）本发明的毛细芯具有较低的导热系数，可以使蒸发腔的热量不易传递给补偿腔侧，减少“漏热”，保证环路热管的稳定运行。高膨胀特性材料的颗粒体积随温度变化更大，在温度较低的液侧，颗粒体积较小，烧结的纤维孔隙较大，液体工质流过的孔径更大，这有利于降低流动阻力，有利于工质的快速补充，保证循环稳定；而在温度较高的汽液界面处，填充颗粒体积随温度升高而膨胀增大，膨胀的颗粒会进一步填充大孔隙，减小后的孔径提供了更高的毛细驱动力，保证了环路热管循环的动力供应，有效防止汽液界面向到液体侧移动，减少气体工质的流动阻力。

3）本发明的颗粒的膨胀系数随着毛细芯位置进行可变设计，能够进一步保证了环路热管循环的动力供应，有效防止汽液界面向到液体侧移动，减少气体工质的流动阻力。

4）本发明的颗粒的导热系数随着毛细芯位置进行可变设计，可以进一步使蒸发腔的热量不易传递给补偿腔侧，减少“漏热”，进一步提高环路热管的稳定运行。

附图说明

图1是本发明可膨胀微球前后的示意图；

图2是本发明环路热管工作过程示意图；

图3是本发明蒸发器结构示意图；

图4是本发明环路热管毛细芯结构示意图；

图5（a）是本发明颗粒热膨胀前的孔内截面；

图5（b）是颗粒热膨胀后的孔内截面；

图6热膨胀前后单一孔径截面示意图。

图中：1冷凝器，2液体管路，3补偿腔入口，4补偿腔，5毛细芯，6蒸发腔，7加热段，8蒸汽槽道，9蒸汽腔出口，10蒸汽管路，11颗粒材料，12骨架，13蒸发器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

如图2-图3所示，一种环路热管，包括毛细芯5、蒸发器13、补偿腔4、冷凝器1、蒸汽管路10和液体管路2，蒸发器13和冷凝器1通过蒸汽管路10和液体管路2连接。蒸发器13内部设有毛细芯5、补偿腔4和蒸发腔6，补偿腔4连接毛细芯5，毛细芯5连接蒸发腔6。

环路热管的工作过程如图2所示：（1）工质在蒸发腔6处被底部加热段7施加热负荷，热量被导入毛细芯5。（2）毛细芯5内的液体受热汽化，在孔隙结构中形成弯月形汽液界面，产生毛细驱动力，带动工质循环。（3）受热汽化后的蒸汽进入蒸发腔6，进而汇入蒸汽管路10。（4）蒸汽沿蒸汽管路10到达冷凝器1，热量被带走相变冷凝变成过冷液体进入液体管路2。（5）冷凝液体沿液体管路2通过补偿腔入口3汇入补偿腔4，毛细芯5将液体补充至汽液界面继续进行蒸发换热，完成循环。

作为一个改进，如图4所示，毛细芯采用多孔材料作为骨架12，使得毛细芯中设置孔隙，在孔隙中设置低导热系数、高膨胀系数的颗粒材料11。孔隙直径尺寸范围为40 μm —100μm,颗粒材料导热系数范围为0.1 W/(m·K) — 0.24W/(m·K)。作为优选，颗粒体积膨胀倍率为10 — 40。

作为优选，颗粒材料11是可膨胀微球，所述可膨胀微球具有烷烃核芯和包裹核芯的热塑性外壳。

可膨胀微球（Expandable Microspheres，EMs）如图1所示，是一种具有内核-外壳结构的聚合物微球体，其外壳是有较好耐压性的热塑性高分子聚合物，通常使用二氯乙烯系共聚物、丙烯腈系共聚物、丙烯酸系共聚物等，其内核是低沸点的液状碳氢化合物，主要是异丁烷或异戊烷等烃类，图1为可膨胀微球前后的示意图。热可膨胀微球具有广泛的应用领域，可用于印染、涂料、油墨、打印等行业，得到三维效果的产品，可用作发泡剂或轻质填料，应用于热塑性材料的挤出或注塑发泡，可增加产品体积、改善绝缘性能、降低密度、提高抗热性能及抗压性等。

本发明对目前的环路热管进行了改进，根据环路热管毛细芯的优化原理并结合可膨胀微球的特性，提出一种可变孔径的毛细芯设计思路。本设计可采用直接压制成型，操作简单，所得毛细芯的孔径可根据施加热负荷的大小而改变，适用性更广泛。

本发明的毛细芯具有较低的导热系数，可以使蒸发腔的热量不易传递给补偿腔侧，减少“漏热”，保证环路热管的稳定运行。高膨胀特性材料的颗粒体积随温度变化更大，在温度较低的液侧，颗粒体积较小，烧结的纤维孔隙较大，液体工质流过的孔径更大，这有利于降低流动阻力，有利于工质的快速补充，保证循环稳定；而在温度较高的汽液界面处，填充颗粒体积随温度升高而膨胀增大，膨胀的颗粒会进一步填充大孔隙，减小后的孔径提供了更高的毛细驱动力，保证了环路热管循环的动力供应，有效防止汽液界面向到液体侧移动，减少气体工质的流动阻力。

蒸发器13设计结构如图3所示，设计结构按照图3依次是补偿腔4、毛细芯5、蒸发腔6、加热段7以及蒸汽槽道8。补偿腔4内液体工质通过毛细芯5内孔隙流动，蒸发腔6内加热段7为毛细芯5内工质提供热量，工质在毛细芯5内部受热相变，形成汽液相变界面，相变汽化后的工质进入蒸汽槽道8进行循环。

如图4所示，毛细芯5采用金属多孔材料作为骨架12，如泡沫金属，为毛细芯提供较大孔隙分布的骨架；同时，在其较大孔隙中填充低导热系数、高膨胀系数的颗粒材料11，如前文提到的可膨胀微球。将可膨胀微球填充至泡沫金属的大孔隙中，并对泡沫金属进行压制成为毛细芯，将微球封存在孔隙中，如图4所示。

作为优选，外壳是二氯乙烯系共聚物、丙烯腈系共聚物、丙烯酸系共聚物中的至少一种。

作为优选，烷烃核芯是异丁烷、异戊烷中的至少一种。

作为优选，外壳的热变形温度为40℃—80℃，保证颗粒外壳在温度较低的液侧具有较强强度，不易变形，在温度较高的蒸汽侧易发生塑性变形，从而利于体积变化。

作为优选，烷烃核芯的沸点是35-37℃，进一步优选36℃。补偿腔入口温度低于25℃，烷烃为液态，入口侧与出口侧存在温差20—80℃，此参数有利于在出口侧恰好相变为气态烷烃改变体积。

作为优选，从补偿腔到蒸发腔方向，颗粒材料的膨胀体积逐渐增加。因为越是靠近补偿腔，孔径越大，工质易于流动，越是靠近蒸发腔，由于膨胀原因，孔径越小，毛吸力越好，为了保证足够的流体补充流入，避免气液截面干涸，因此需要增强蒸发腔方向的毛吸力，因此设置从补偿腔到蒸发腔方向膨胀体积逐渐增加，加强毛吸力，保证环路热管的稳定运行。

作为优选，从补偿腔到蒸发腔方向，颗粒材料的导热系数逐渐降低。通过导热系数的不断降低，增加靠近蒸发腔的换热阻力，可以进一步使蒸发腔的热量不易传递给补偿腔侧，减少“漏热”，保证环路热管的更加稳定运行。

作为优选，从补偿腔到蒸发腔方向，颗粒材料的导热系数逐渐降低的幅度不断增加。通过研究发现，随着靠近蒸发腔，设置颗粒材料的导热系数逐渐降低的幅度不断增加，进一步满足要求。

环路热管工作过程如下：

当环路热管开始工作，毛细芯5内部的汽液界面稳定在蒸发腔一侧，工质相变后通过蒸发腔6内的蒸汽槽道8流入蒸汽管路10中，气体工质经过冷凝器1液化进入液体管路2，通过补偿腔入口3并汇入补偿腔4，经过毛细芯5内部达到汽液界面处完成循环。

当环路热管的工作功率升高，蒸发腔6温度升高，热量通过金属骨架12快速的到达汽液界面处，使该处的可膨胀微球11温度升高，该处的微球开始在金属骨架内部膨胀，使该处毛细芯的有效孔径减少，毛细力升高，汽液界面仍然稳定在蒸发腔侧，难以朝补偿腔4方向发展。液体工质相变后，气体工质直接流入蒸汽腔内，减少了蒸汽流经毛细芯的流动阻力。

由于毛细芯5内部填充的膨胀微球颗粒11导热系数极低，热量不易传输至毛细芯内部以及补偿腔，因此靠近补偿腔侧的毛细芯部分温度仍然很低，其内部的可膨胀微球11不膨胀，这部分的毛细芯的孔径仍然为大孔径，回流的液体工质经过毛细芯的流动阻力仍然很小。

采用上述设计的毛细芯具有较低的导热系数，可以使蒸发腔的热量不易传递给补偿腔侧，减少“漏热”，保证环路热管的稳定运行。高膨胀特性材料的颗粒体积随温度变化更大，由于补偿腔入口3与蒸汽腔出口9存在20—80℃的温差，所以膨胀微球材料11可以保证产生较大的体积差。在温度较低的液侧，颗粒体积较小，烧结的纤维孔隙较大，液体工质流过的孔径更大，这有利于降低流动阻力，有利于工质的快速补充，保证循环稳定；而在温度较高的汽液界面处，填充颗粒体积随温度升高而膨胀增大，在假定纤维骨架孔隙不变的情况下，膨胀的颗粒会进一步填充大孔隙，减小后的孔径提供了更高的毛细驱动力，保证了环路热管循环的动力供应，有效防止汽液界面向到液体侧移动，减少气体工质的流动阻力。

环路热管可行性分析如下：

可膨胀微球其膨胀前初始粒径范围为10μm — 30μm，小于泡沫金属孔隙直径（40μm —100μm），可以作为填充材料；低温可热膨胀微球的初始膨胀温度为60-80℃，也符合环路热管蒸发器内正常温度要求；可膨胀微球的膨胀率可在制备过程中改变或添加外壳与内核材料的根据需求而调整，最高膨胀倍率可高达20。

一般情况下，多孔材料孔隙截面多为不规则截面，颗粒直径不均匀，本设计为直观表现效果，使用了规则孔隙以及平均颗粒直径来展示设计效果估计，如图5（a）、（b）所示，（a）、（b）分别为热膨胀前后孔内截面。

为验证毛细驱动力提升效果，本设计假设单一孔径界面并计算毛细驱动力的改变，如图6所示，假定多孔材料骨架12具有规则圆形孔隙，孔隙直径为40 μm，孔隙内填充膨胀颗粒11数量为4。膨胀前颗粒直径为12 μm，加热膨胀后颗粒直径为16 μm。

可根据以下公式计算出填充材料膨胀前后的毛细驱动力变化：

其中r为通道半径，此处为孔径当量直径的一半；σ为液体工质常温下的表面张力；θ为工质与材料的接触角

通过计算，膨胀前工质所流经孔径的当量直径为23μm，膨胀后孔径当量直径为18μm。根据毛细驱动力计算公式，假设其他参数不变的情况下，膨胀后的孔径毛细驱动力较膨胀前提高30%左右。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种可自动调整孔径的环路热管，包括毛细芯、蒸发器、补偿腔、冷凝器、蒸汽管路和液体管路，蒸发器和冷凝器通过蒸汽管路和液体管路连接，蒸发器内部设有毛细芯、补偿腔和蒸发腔，补偿腔连接毛细芯，毛细芯连接蒸发腔，其特征在于，毛细芯采用多孔材料作为骨架，使得毛细芯中设置孔隙，在孔隙中设置低导热系数、高膨胀系数的颗粒材料；孔隙直径尺寸范围为40 μm -100μm，颗粒材料导热系数范围为0.1 W/(m·K) - 0.24W/(m·K)，颗粒体积膨胀倍率为10 – 40；从补偿腔到蒸发腔方向，颗粒材料的膨胀系数逐渐增加；从补偿腔到蒸发腔方向，颗粒材料的导热系数逐渐降低。

2.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，颗粒材料是可膨胀微球，所述可膨胀微球具有烷烃核芯和包裹核芯的热塑性外壳。

3.如权利要求2所述的环路热管，其特征在于，外壳是二氯乙烯系共聚物、丙烯腈系共聚物、丙烯酸系共聚物中的至少一种。

4.如权利要求2所述的环路热管，其特征在于，烷烃核芯是异丁烷、异戊烷中的至少一种。

5.如权利要求2所述的环路热管，其特征在于，外壳的热变形温度为40℃ — 80℃。

6.如权利要求2所述的环路热管，其特征在于，烷烃核芯的沸点是36℃。

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