CN114593625A - 基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件及其应用，能够解耦现有传热器件中面临的吸液能力与流动阻力之间的拮抗关系，通过位于毛细材料表面的大面积凝胶层提供驱动力，从而切实提升传热构件的吸液传热能力和效率。本发明所提供的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件，其特征在于，包括：毛细材料层，提供传热工质的运输通道；和表面凝胶薄膜层，作为传热介质蒸发界面，贴合设置在毛细材料层的外表面上但不填充运输通道，用于吸收和驱动传热工质，使传热工质沿着运输通道被驱动输送至热端。

Description

基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件及其应用
技术领域
本发明属于传热技术领域，具体涉及基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件及其应用。
背景技术
蒸发相变传热构件在散热领域具有很广泛的应用，如热管中的毛细芯、槽道、发动机喷管处用于发汗冷却的毛细结构等。在传热过程中毛细材料可以提供蒸发相变界面和泵送相变工质所需的拉普拉斯力，具有结构简单、无能耗、经济环保等优点。其中，拉普拉斯力越大，可以负荷的蒸发通量越高，或者可以负荷的流道越长。毛细材料的最大拉普拉斯力取决于材料的孔径或微通道径向尺寸，尺寸越小，拉普拉斯力越大，但同时工质的流动阻力也会越大，大流阻反过来会降低蒸发通量或可负荷的流道长度。因此，两者的耦合关系会限制该毛细材料的吸液能力和所能承受的最大热流通量，这也是蒸发相变传热构件吸液传热的核心技术瓶颈。如何解除耦合，在不影响流动阻力的情况下，充分提高蒸发相变传热构件的吸液传热能力，对于提高传热效率、拓展蒸发相变传热构件尺寸具有非常重要的意义。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件及其应用，能够解耦现有传热器件中面临的吸液能力与流动阻力之间的拮抗关系，通过位于毛细材料表面的大面积凝胶层提供驱动力，从而切实提升传热构件的吸液传热能力和效率。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
<传热构件>
本发明提供基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件，其特征在于，包括：毛细材料层，提供传热工质的运输通道；和表面凝胶薄膜层，作为传热介质蒸发界面，贴合设置在毛细材料层的外表面上但不填充运输通道，用于吸收和驱动传热工质，使传热工质沿着运输通道被驱动输送至热端。
优选地，本发明提供的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件还可以具有以下特征：表面凝胶薄膜层将位于热端侧的毛细材料层外表面全覆盖，并在冷端侧的毛细材料层的外表面处保留一定的开口区域作为传热工质回流入口。
优选地，本发明提供的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件还可以具有以下特征：表面凝胶薄膜层的杨氏模量大于1MPa，这样可以提供充足的蒸发驱动力，杨氏模量越大的表面凝胶薄膜层能提供的蒸发驱动力也越大。
优选地，本发明提供的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件还可以具有以下特征：表面凝胶薄膜层的厚度不超过200μm。
优选地，本发明提供的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件还可以具有以下特征：表面凝胶薄膜层为可吸收传热工质且传热工质能够在其表面蒸发的聚合物网络结构。
优选地，本发明提供的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件还可以具有以下特征：传热工质为可发生蒸发相变的水或者有机工质，相应的表面凝胶薄膜层为水凝胶或者亲有机工质凝胶。例如，水凝胶可以为聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶、纤维素水凝胶、海藻酸钠水凝胶等。
优选地，本发明提供的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件还可以具有以下特征：凝胶通过化学交联或物理粘贴的方式与毛细材料层的外表面相贴合。
优选地，本发明提供的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件还可以具有以下特征：毛细材料层的毛细结构可以为槽道结构、各向同性或者各项异性孔隙结构(例如，毛细芯)中的至少一种。
优选地，本发明提供的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件还可以具有以下特征：毛细材料层包括但不限于具有毛细结构的金属氧化物、玻璃、硅片、金属、陶瓷中的至少一种。
优选地，本发明提供的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件还可以具有以下特征：毛细材料层为具有毛细结构的柔性、可折叠或弯曲的材料制成。
另外，本发明提供的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件还可以具有以下特征：毛细结构的孔径或者槽道宽度的尺寸没有要求，可以大到几百微米，或者小到纳米级别，都是可行的，不用为了提高吸液能力而将孔径或者槽道宽度局限于纳米级别；此外，毛细结构的孔或者槽道的长度也没有限制，可以为超长结构，采用本发明的结构就能够实现传热工质的有效驱动。
<应用>
进一步，上述<传热构件>可用于散热领域中制成各种散热元器件。
发明的作用与效果
1)不同于现有毛细传热构件利用拉普拉斯力实现吸液，本发明的蒸发相变传热构件是依靠表面凝胶薄膜层提供的驱动力进行吸液，该驱动力与流动阻力之间不存在任何耦合拮抗关系，因此本发明能够在不影响流动阻力的情况下，充分自由地提升驱动力，从而切实提升传热构件的吸液和传热能力；另外，由于不存在耦合拮抗关系，因此降低流动阻力的措施(例如，增大孔径或者槽道尺寸)，也不会影响表面凝胶薄膜层的驱动力，使得传热构件能够根据需要随意改变流动阻力和驱动力，极大地扩展了传热构件的适用范围，突破了阻碍传热构件性能提升的技术难题；
2)本发明的蒸发相变传热构件中，蒸发界面为整个水凝胶的外表面，蒸发面积大，应用于散热时可以提供兆帕级驱动压力，在高热流密度或负载超长流道散热方面具有巨大潜力；
3)本发明的蒸发相变传热构件中，表面凝胶薄膜层为柔性材料，既可以与硬质毛细材料层复合，又可以与柔性毛细材料层复合，机械性能可通过改变水凝胶和基底材料的种类、厚度等进行调节，以应对不同的散热场景；
4)本发明的蒸发相变传热构件中，驱动力由表面凝胶薄膜层的蒸发产生，通过调节凝胶自身特性如聚合物单体种类和浓度、交联剂种类和浓度等，即可调节最大驱动力的大小；同时由于表面凝胶薄膜层是以贴合但不填充的方式与毛细材料层复合在一起，所以原有毛细材料层本身的各项物理化学特性不会被改变，即传热工质的流动阻力不会发生改变；在用于散热时，表面凝胶薄膜层贴合在热端，表面凝胶薄膜层作为蒸发相变界面，并提供传热工质流动驱动力；因此该蒸发相变传热构件可以在保持原有毛细材料层流动特性不变的基础上极大地提升其驱动力的大小，实现散热性能的提升；
5)本发明采用的原料廉价易得、安全环保、制作工艺简单；可适用于多种凝胶和基底材料，既可与传统散热元器件结合，也可以制成柔性、可折叠或弯曲的散热元件，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例一涉及的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件的结构示意图；
图2为本发明实施例一涉及的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件的实物图(a)和扫描电镜图(b)；
图3为本发明实施例二涉及的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件用于热管中的结构示意图；
图4为本发明实施例三涉及的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件的结构示意图；
图5为本发明实施例三涉及的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件的散热效果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例一>
如图1所示，本实施例一所提供的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件10包括多孔毛细芯11和甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶12，甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶12贴合设置在毛细芯11的外表面上但不填充该多孔毛细芯11。
蒸发相变传热构件10的制备方法为：
1)将毛细芯11表面修饰上一层能与甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶12化学键合的官能团，官能团可以为带有不饱和化学键的官能团，如甲基丙烯酸酯官能团；
2)将甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶12原液倒入模具，采用光法、热法或其他方法使水凝胶原液半交联；
3)将半凝固的甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶12与毛细芯11进行贴合，贴合后使水凝胶完全交联，得到蒸发相变传热构件10。
得到的蒸发相变传热构件10实例图如图2(a)所示，上层是水凝胶，下层是毛细芯11，其复合截面扫描电镜图如图2(b)所示。
<实施例二>
如图3所示，本实施例二中将基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件用于散热领域制成热管20，热管20包括热管腔体管壁21、管壁微槽道22、水凝胶薄膜23、传热工质24(水)。管壁微槽道22形成在热管腔体管壁21内壁上，从冷端向热端延伸，作为毛细材料层。水凝胶薄膜23紧密贴合在管壁微槽道22的外表面上但不填充该管壁微槽道22。具体地，水凝胶薄膜23将热端侧的管壁微槽道22外表面全覆盖，与围成管壁微槽道22的热管腔体管壁21的前、后、左三侧区域相贴合，并右向左延伸至冷端，且与冷端侧的管壁微槽道22入口间隔一定距离作为冷凝后的传热工质的回流入口，即在冷端侧水凝胶薄膜23仅与管壁微槽道22的前、后两侧区域相贴合。
将该热管20用于散热时，水凝胶薄膜23从管壁微槽道22中吸收传热工质24，在热端吸热蒸发为气体，传热工质24在热管空腔中从热端扩散到冷端，在冷端放热冷凝成为液体，通过回流入口进入管壁微槽道22内，然后重新被水凝胶薄膜23提供的驱动力泵送至热端，再次参与水凝胶薄膜23吸水蒸发的循环过程，散热过程中仅存在水凝胶薄膜23提供的驱动力，不存在拉普拉斯力。
本实施例中，采用长宽2.5cm、厚1mm的玻璃片作为热管腔体管壁21，采用厚200μm的聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶作为水凝胶薄膜23，管壁微槽道22为形成在热管腔体管壁21下壁内表面上的一条长1m、水力直径40μm的流道，整个热管20宽2.5cm、厚3mm。对该热管20采用不同功率热源加热热端，冷端用20摄氏度的循环水冷却，可以透过玻璃观察到水在玻璃壁面凝结成液珠，液珠逐渐汇聚成液滴，滴落到冷端，重新由水凝胶提供的驱动力泵送回热端参与吸热蒸发，表明水凝胶薄膜23可以用于热管20中驱动长达1米的微流道。与之相比，当将水凝胶薄膜23移除，热端受热时仅通过管壁微槽道22(毛细结构)提供的拉普拉斯力只能使水从冷端向着热端移动1cm，此后水再无法克服回流流阻流动到热端，热端会烧干。
<实施例三>
如图4所示，本实施例三所提供的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件30包括基底31、微槽群32、水凝胶薄膜33。微槽群32形成在基底31上，从冷端向热端延伸，包括多根相互平行的细长槽道，微槽群32位于冷端的回流入口处与传热工质34(水)连通。水凝胶薄膜33覆盖除回流入口以外的所有微槽群32，并和基底31上槽道外的其他部分(外表面)紧密贴合。
将该蒸发相变传热构件30用于散热时，水凝胶薄膜33从微槽群32中吸水34，水34主要在热端吸热蒸发到环境中，然后水蒸气在冷端凝结成液体，再通过微槽群32重新被水凝胶薄膜33提供的驱动力泵送至热端，继续通过相变的方式带走热量，散热过程中仅存在水凝胶薄膜33提供的驱动力，不存在拉普拉斯力。
本实施例中，采用钛片作为基底31，采用形成在钛片上的多条长6cm、宽50μm、深30μm的槽道作为微槽群32，采用厚200μm的聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶作为水凝胶薄膜33，用不同功率热源加热热端，冷端补充室温水，分别测量冷热端温度，得到数据如图5所示，本实施例贴有水凝胶薄膜33的蒸发相变传热构件30在3W加热功率下能让热源温度降低21.6℃。而移除水凝胶薄膜33后，在3W加热功率下只能让热源温度降低9.4℃。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件及其应用并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件，其特征在于，包括：
毛细材料层，提供传热工质的运输通道；和
表面凝胶薄膜层，作为传热介质蒸发界面，贴合设置在所述毛细材料层的外表面上但不填充所述运输通道，用于吸收、传送和驱动传热工质，使传热工质沿着运输通道被驱动输送至热端。
2.根据权利要求1所述的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件，其特征在于：
其中，所述表面凝胶薄膜层将位于热端侧的所述毛细材料层外表面全覆盖，并在冷端侧的所述毛细材料层的外表面处保留一定的开口区域作为传热工质回流入口。
3.根据权利要求1所述的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件，其特征在于：
其中，所述表面凝胶薄膜层的杨氏模量大于1MPa。
4.根据权利要求1所述的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件，其特征在于：
其中，所述表面凝胶薄膜层为可吸收传热工质且传热工质能够在其表面蒸发的聚合物网络结构。
5.根据权利要求4所述的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件，其特征在于：
其中，所述传热工质为可发生蒸发相变的水或者有机工质，相应的所述表面凝胶薄膜层为水凝胶或者亲有机工质凝胶。
6.根据权利要求1所述的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件，其特征在于：
其中，所述凝胶通过化学交联或物理粘贴的方式与所述毛细材料层的外表面相贴合。
7.根据权利要求1所述的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件，其特征在于：
其中，所述毛细材料层的毛细结构为槽道结构、各向同性或者各项异性孔隙结构中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件，其特征在于：
其中，所述毛细材料层包括但不限于具有所述毛细结构的金属氧化物、玻璃、硅片、金属、陶瓷中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的基于凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件，其特征在于：
其中，所述毛细材料层为具有所述毛细结构的柔性、可折叠或可弯曲的材料。
10.权利要求1至9中任意一项所述的凝胶解耦驱动的蒸发相变传热构件在散热领域的应用。
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