CN211717235U - 一种应用于环路热管系统的金属-非金属复合毛细芯 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于环路热管系统的金属‑非金属复合毛细芯，其为由非金属粉末颗粒和金属粉末颗粒复合而成的双孔径结构，包括非金属粉末颗粒、金属粉末颗粒、小孔径孔隙和大孔径孔隙；非金属粉末颗粒形成非金属粉末微团，金属粉末颗粒填充于非金属粉末微团之间，非金属粉末颗粒之间形成小孔径孔隙，金属粉末颗粒之间以及金属粉末颗粒与非金属微团之间形成大孔径孔隙。本实用新型针对现有技术中传统单孔径毛细芯存在抽吸力不足或流动阻力过大的问题、双孔径金属毛细芯热导率大以及蒸发区易形成整体汽膜恶化传热的问题，提出了金属‑非金属颗粒的组合，有助于解决毛细芯在运行中存在漏热严重、相界面向液体侧迁移恶化传热等问题。

Description

一种应用于环路热管系统的金属-非金属复合毛细芯

技术领域

本实用新型涉及环路热管技术领域，更具体地说，涉及一种应用于环路热管系统的金属-非金属复合毛细芯。

背景技术

环路热管(LoopHeatPipe，简写为LHP)是随着空间热控技术发展起来的，是一种优良的传热装置，具有高热流密度、无运动部件、均温性强等优势，可以进行长距离、高热量的传输，具有优异的传热性能。LHP工作原理如附图1所示：在毛细芯内液态工质吸热蒸发为蒸汽，蒸汽在相变驱动下经蒸汽管道4流向冷凝器1，进入冷凝器1的蒸汽经冷凝放热，冷凝成液态，冷凝后的液态工质在毛细驱动的作用下经液体管道2进入蒸发器3内的补偿腔，为毛细芯内相变界面供液态工质，从而完成工质循环，达到散热目的。LHP工作时，液态工质在其内部的毛细芯内蒸发形成气-液相变界面，提供毛细抽吸力，为整个循环系统提供所需要的动力。由以上所述可知，LHP在运行时，系统不需要外力就可以正常工作，系统循环所需驱动力均由毛细抽吸力提供。

毛细芯是LHP运行的核心部件。LHP的运行性能主要取决于毛细芯的传热传质性能。蒸发器在工作时内部相界面位置的变化，蒸发区域的大小以及整体汽膜的形成，都是影响蒸发器性能的重要因素。毛细芯在工作过程中需要提供足够大的毛细抽吸力，来克服工质流动过程中产生的流动阻力，使液态工质及时充满毛细芯，为蒸发界面提供足够的液态工质，防止气-液蒸发界面向液体侧迁移，从而可以使整个LHP系统正常运行。

传统单孔径毛细芯，如附图2所示，毛细芯孔径单一，内部结构局限性大。若孔径太大，虽然能够提供较大的蒸发界面以及有利于蒸汽的脱离，但是不能为LHP的正常运行提供足够的毛细抽吸力，系统在工作中会出现弯液面倒退的现象；若孔径太小，虽然增加了毛细抽吸力，但会使毛细芯内液体工质流动阻力太大，不能使工质及时填充毛细芯，影响向蒸发界面提供蒸发所需要的液态工质。可见，这两种孔径在选择上存在矛盾。目前的双孔径毛细芯如附图3所示，虽然解决了抽吸力与流动阻力的问题，但在高热负荷下，蒸发界面容易形成整体汽膜恶化传热。因此对于高性能毛细芯的研究始终未曾停止。

经检索，关于LHP毛细芯的设计已有专利公开，如中国专利申请号2018208685621，申请日：2018年6月6日，发明创造名称为：一种应用于环路热管的泡沫金属-纤维复合毛细芯，该毛细芯在同一个孔隙空间内形成双孔径结构，增强了毛细芯的毛细抽吸力，减小了液体工质的流动阻力，强化了毛细芯内液体工质的流动，在一定程度上减小了背向漏热，提高了LHP的性能。虽然此方案对毛细芯的构造进行了部分改动，优化了LHP的性能，但毛细芯的性能还有很大的提高空间。

实用新型内容

1.实用新型要解决的技术问题

针对现有技术中传统单孔径毛细芯存在抽吸力不足或流动阻力过大的问题、双孔径金属毛细芯存在热导率大且在蒸发区易形成整体汽膜恶化传热的问题，拟提供一种应用于环路热管系统的金属-非金属复合毛细芯，有助于解决毛细芯在运行中存在漏热严重、相界面向液体侧迁移恶化传热等问题。

2.技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

本实用新型的一种应用于环路热管系统的金属-非金属复合毛细芯，该毛细芯为由非金属粉末颗粒和金属粉末颗粒复合而成的双孔径结构，包括非金属粉末颗粒、金属粉末颗粒、小孔径孔隙和大孔径孔隙；非金属粉末颗粒形成非金属粉末微团，金属粉末颗粒填充于非金属粉末微团之间，非金属粉末颗粒之间形成小孔径孔隙，金属粉末颗粒之间以及金属粉末颗粒与非金属粉末微团之间形成大孔径孔隙。

更进一步地，金属粉末颗粒的粒径为10-100μm。

更进一步地，非金属粉末颗粒的粒径为1-10μm。

更进一步地，非金属粉末微团的直径大于金属粉末颗粒的直径。

更进一步地，非金属粉末颗粒和金属粉末颗粒的总体积之比在0.2-1之间。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本实用新型的一种应用于环路热管系统的金属-非金属复合毛细芯，采用小粒径的非金属粉末颗粒和大粒径的金属粉末颗粒混合而成，制备出一种局部不均匀传热的毛细芯，形成分散的两相蒸发区，不易形成整体汽膜，从而提高其临界热流，质量较传统毛细芯轻，可塑性强，硬度高，孔隙率高，增大了蒸发相界面面积，提高了表面蒸发率和临界热流。

(2)本实用新型的一种应用于环路热管系统的金属-非金属复合毛细芯，在蒸发过程中，非金属粉末颗粒对复合毛细芯蒸发弯液面的拉伸作用，使蒸发界面不易形成整体汽膜，整体蒸发传热系数增大，提高了蒸发传热的临界热流，整体有效导热系数减小，使得背向漏热减小，提高LHP的运行性能。

(3)本实用新型的一种应用于环路热管系统的金属-非金属复合毛细芯，通过金属粉末颗粒形成局部大孔径孔隙，有利于蒸发界面在其内部的扩张，增大了蒸发相变界面面积，提高了表面蒸发率，大孔径内液态工质流动产生较小的流动阻力，使液态工质及时充满毛细芯。非金属粉末颗粒形成的小孔径孔隙为LHP的运行提供足够的毛细抽吸力，为气-液蒸发界面提供足够液态工质，同时其较低的热导率不利于蒸发，从而能够使相变界面维持在蒸发器的内壁面，保证向蒸发界面的供液，防止复合毛细芯蒸发弯液面倒退，减少对蒸发的不利因素。

附图说明

图1为LHP工作过程示意图；

图2为单孔径毛细芯高热负荷下局部工作过程示意图；

图3为双孔径毛细芯高热负荷下局部工作过程示意图；

图4为本实用新型的应用于环路热管系统的金属-非金属复合毛细芯的局部工作示意图。

示意图中的标号说明：

1、冷凝器；2、液体管道；3、蒸发器；4、蒸汽管道；

101、加热壁面；102、单孔径蒸发弯液面；103、单孔径金属颗粒；104、单孔径毛细芯气相；105、单孔径毛细芯液相；106、单孔径毛细芯孔径；

111、双孔径毛细芯弯液面；112、双孔径金属颗粒；113、双孔径毛细芯液相；114、双孔径毛细芯气相；115、双孔径毛细芯大孔径；116、双孔径毛细芯小孔径；

121、非金属粉末颗粒；122、复合毛细芯蒸发弯液面；123、金属粉末颗粒；124、小孔径孔隙；125、复合毛细芯气相；126、大孔径孔隙；127、复合毛细芯液相。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，结合附图对本实用新型作详细描述。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合实施例对本实用新型作进一步的描述。

实施例1

如图2所示为行业内传统单孔径毛细芯高热负荷下局部工作状态图，该毛细芯采用单孔径金属颗粒103制备而成，相邻单孔径金属颗粒103之间形成单孔径毛细芯孔径106，在加热壁面101下，单孔径毛细芯气相104和单孔径毛细芯液相105之间为单孔径蒸发弯液面102，若孔径太大，系统工作中会出现单孔径蒸发弯液面102倒退的现象；若孔径太小，虽然增加了毛细抽吸力，但会使毛细芯内液体工质流动阻力太大，不能使工质及时填充毛细芯，影响向蒸发界面提供蒸发所需要的液态工质，从而影响正常使用性能。

如图3所示为行业内双孔径毛细芯高热负荷下局部工作状态图，该毛细芯为由双孔径金属颗粒112形成的双孔径毛细芯，该金属颗粒形成大小双孔径结构，包括双孔径毛细芯大孔径115和双孔径毛细芯小孔径116；具体地，相邻两个双孔径金属颗粒112之间形成双孔径毛细芯小孔径116，多个双孔径金属颗粒112围成的团形骨架之间形成双孔径毛细芯大孔径115。该毛细芯与单孔径毛细芯相比，解决了抽吸力与流动阻力的问题，但在高热负荷下，如图3所示，双孔径毛细芯气相114与双孔径毛细芯液相113之间的双孔径毛细芯弯液面111容易形成整体汽膜恶化传热，影响正常使用性能。

本实施例的金属-非金属复合毛细芯能够解决上述难题，如图4所示，本实施例的一种应用于环路热管系统的金属-非金属复合毛细芯，该毛细芯为由非金属粉末颗粒121和金属粉末颗粒123复合而成的双孔径结构，包括非金属粉末颗粒121、金属粉末颗粒123、小孔径孔隙124和大孔径孔隙126；非金属粉末颗粒121形成非金属粉末微团，金属粉末颗粒123填充于非金属粉末微团之间，非金属粉末颗粒121之间形成小孔径孔隙124，金属粉末颗粒123之间，以及金属粉末颗粒123与非金属粉末微团之间形成大孔径孔隙126。使用时，如图4所示，高热负荷下复合毛细芯气相125和复合毛细芯液相127之间的复合毛细芯蒸发弯液面122呈现出葫芦形。

本实施例中金属粉末颗粒123的粒径为10-100μm，非金属粉末颗粒121的粒径为1-10μm，且非金属粉末微团的直径大于金属粉末颗粒123的直径，非金属粉末颗粒121和金属粉末颗粒123的总体积之比在0.2-1之间。本实施例的毛细芯采用浇注方式制备，其具体制备过程如下：

S1、取非金属和金属材料制备出非金属粉末颗粒121和金属粉末颗粒123；

本实施例中金属材料的选取，选择导热系数大、硬度高、耐高温的金属，如Ti、Cu，Al等金属；非金属材料选取导热系数小、耐高温、可塑性强的非金属材料，如水泥、陶瓷、聚四氟乙烯等非金属，制备的金属粉末颗粒123的粒径为10-100μm，非金属粉末颗粒121的粒径为1-10μm。

S2、将非金属粉末颗粒121与溶剂混合制备成流动状态的非金属粉末微团粉浆；将非金属粉末微团粉浆倒入成型模具中制成非金属微团骨架；

具体地，非金属粉末颗粒121粒径较小，金属粉末颗粒123的粒径较大，首先将小颗粒的非金属粉末颗粒121制成大颗粒的非金属粉末微团，根据非金属材料的性质，选取适应溶剂如水，将小颗粒的非金属粉末颗粒121与适当溶剂混合，并加入适当添加剂，比如粘合剂淀粉或碳酸氢铵等，便于粉浆的形成，制备出非金属粉末微团粉浆，流动状态即可，非金属粉末微团直径为200-800μm，大于金属粉末颗粒123直径，便于后续金属粉末颗粒粉浆的填充；将制备好的非金属粉末微团粉浆倒入制定好尺寸的成型模具中，制备成非金属微团骨架；

S3、将金属粉末颗粒123与溶剂混合制备成流动状态的金属粉末粉浆；

同样地，根据金属粉末颗粒123性质，选取适应溶剂如水，将金属粉末颗粒123于适当溶剂混合，并加入添加剂如NaCl或碳酸氢铵等，制备出流动状态的金属粉末颗粒粉浆，粉浆较稀，便于填充；

S4、将金属粉末粉浆倒入装有非金属粉末微团的成型模具中进行混合，使金属粉末对非金属粉末微团进行填充；

本实施例中非金属粉末颗粒121和金属粉末颗粒123的总体积之比在0.2-1之间，毛细芯蒸发传热性能决定LHP的性能，若非金属所占体积比金属大，毛细芯局部蒸发会减少，蒸发器的蒸发率会减小，LHP性能会降低，因此金属粉末颗粒123的总体积要大于非金属粉末颗粒121体积；若金属总体积过大会导致复合毛细芯的总有效导热率会增大，漏热严重，恶化传热；本实施例通过控制非金属粉末颗粒121与金属粉末颗粒123总体积之比为0.2-1之间，可有有效保障毛细芯质量。

S5、填充完成，从模具中取出固态毛细芯坯，清洗去除毛细芯内添加剂，可采用超声波清洗，并进行加热蒸干处理即得。

本实施例的毛细芯采用小粒径的非金属粉末颗粒121和大粒径的金属粉末颗粒123混合而成，制备出一种局部不均匀传热的毛细芯，蒸发界面形成分散的两相蒸发区，不易形成整体汽膜，从而提高其临界热流，质量较传统毛细芯轻，可塑性强，硬度高，孔隙率高，增大了蒸发相界面面积，提高了表面蒸发率和临界热流。由于金属粉末颗粒123的高热导率和金属粉末颗粒123之间形成的局部大孔径孔隙126，有利于蒸发界面在其内部的扩张，增大了蒸发相变界面面积，提高了表面蒸发率，大孔径内液态工质流动产生较小的流动阻力，使液态工质及时充满毛细芯。非金属粉末颗粒121形成的小孔径孔隙124为LHP的运行提供足够的毛细抽吸力，为气-液蒸发界面提供足够液态工质，同时其较低的热导率不利于蒸发，从而能够使相变界面维持在蒸发器的内壁面，保证向蒸发界面的供液，防止复合毛细芯蒸发弯液面122倒退，减少对蒸发的不利因素。另外，在蒸发过程中，非金属粉末颗粒121对复合毛细芯蒸发弯液面122的拉伸作用，使蒸发界面不易形成整体汽膜，蒸发传热系数增大，提高了蒸发传热的临界热流，整体有效导热系数减小，使得背向漏热减小，提高LHP的运行性能。

本实施例的一种应用于环路热管系统的金属-非金属复合毛细芯，与传统单孔毛细芯和现有双孔径毛细芯相比，在LHP工作时有以下优点：

A、相变蒸发界面增大，传热传质效果较好，最大临界热负荷提高：

本实施例的复合毛细芯，蒸发界面面积增大，表面蒸发率增大，蒸发量也随之增大。毛细芯内孔隙接触表面粗糙，对液体工质具有一定拉伸作用，延长了气相、液相和固相三相接触线的长度，优化了蒸发界面环境，局部热导率较高，既可以使气-液蒸发界面局部温度迅速升高，又可以使蒸发界面不易形成整体气膜，加强了蒸发传热传质效果，使得最大临界热负荷提高。

B、大幅度减小背向漏热，降低LHP运行的整体温度：

补偿腔温度决定着LHP的运行温度。本实施例的复合毛细芯，由于低热导率的非金属存在，且占有一定的比例，相比较传统毛细芯，大幅度减小了毛细芯内整体有效导热系数，系统的热负荷主要用于相界面的蒸发，使得热量经毛细芯漏热进入补偿腔的热负荷大量减少，有效减小了背向漏热，补偿腔温度较低，所以，LHP的整体运行温度降低。

C、毛细芯的供液效果好：

较传统单孔毛细芯和现有双孔径毛细芯，本实施例的复合毛细芯，金属粉末颗粒123围绕着由小粒径非金属粉末颗粒121制成的非金属粉末微团，非金属粉末颗粒121间形成的小孔隙为LHP工作提供足够的抽吸力、金属粉末颗粒123间，以及金属粉末颗粒123与非金属粉末微团间形成的大孔径有效减小了液态工质在毛细芯内的流动阻力，使得供液增强。同时，本实施例的复合毛细芯内有效孔径较小，增大了毛细抽吸力，在工作时为气-液界面的蒸发提供足够的液体，防止气-液蒸发界面向液体侧迁移。

D、减小温度波动，加快环路热管的启动性能：

本实施例的复合毛细芯，采用高热导率的金属粉末颗粒123，当向毛细芯上壁面施加热负荷时，由于该金属的导热系数高，所以，可以使毛细芯上壁面局部温度迅速升高，较短时间内，在毛细芯上壁面发生局部有效蒸发，加快了LHP的启动性能。由于毛细芯内整体有效导热系数降低，蒸发器热泄漏降低，补偿腔温度低且波动小，蒸发界面连续产生气体经槽道且及时排出，从而减小了蒸发器的温度波动。

E、制备简单：

本实施例的复合毛细芯，采用浇注的方式进行制备，安全，环保，制备简单、节约资源、减少了成本投入。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种应用于环路热管系统的金属-非金属复合毛细芯，其特征在于：该毛细芯为由非金属粉末颗粒(121)和金属粉末颗粒(123)复合而成的双孔径结构，包括非金属粉末颗粒(121)、金属粉末颗粒(123)、小孔径孔隙(124)和大孔径孔隙(126)；非金属粉末颗粒(121)形成非金属粉末微团，金属粉末颗粒(123)填充于非金属粉末微团之间，非金属粉末颗粒(121)之间形成小孔径孔隙(124)，金属粉末颗粒(123)之间以及金属粉末颗粒(123)与非金属粉末微团之间形成大孔径孔隙(126)。

2.根据权利要求1所述的一种应用于环路热管系统的金属-非金属复合毛细芯，其特征在于：金属粉末颗粒(123)的粒径为10-100μm。

3.根据权利要求1所述的一种应用于环路热管系统的金属-非金属复合毛细芯，其特征在于：非金属粉末颗粒(121)的粒径为1-10μm。

4.根据权利要求1所述的一种应用于环路热管系统的金属-非金属复合毛细芯，其特征在于：非金属粉末微团的直径大于金属粉末颗粒(123)的直径。

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