專利名稱：用于環(huán)路熱管具有差異導(dǎo)熱系數(shù)的復(fù)合毛細(xì)芯及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于環(huán)路熱管的具有差異導(dǎo)熱系數(shù)的復(fù)合毛細(xì)芯及其制備方法。
背景技術(shù)：
環(huán)路熱管(Loop Heat Pipe，簡稱LHP)是一種利用工質(zhì)相變換熱實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的高效傳熱裝置，環(huán)路熱管的基本構(gòu)件包括蒸發(fā)器、毛細(xì)芯、補(bǔ)償器、蒸汽管路、液體管路和冷凝器，其工作原理如下蒸發(fā)器外側(cè)施加熱負(fù)荷之后，靠近蒸發(fā)器側(cè)毛細(xì)芯外表面的工質(zhì)首先受熱蒸發(fā)變?yōu)檎羝?，?jīng)蒸汽管路 進(jìn)入冷凝器，釋放熱量后冷凝過冷變?yōu)橐簯B(tài)工質(zhì)，再流經(jīng)液體管路返回補(bǔ)償器，再由補(bǔ)償器向毛細(xì)芯提供液態(tài)工質(zhì)，毛細(xì)芯外側(cè)表面的工質(zhì)再受熱蒸發(fā)變?yōu)檎羝?，開始下一循環(huán)，如此往返實(shí)現(xiàn)熱量從環(huán)路熱管蒸發(fā)器到冷凝器的傳遞。它具有反重力性能好、可靠性好、體積小、結(jié)構(gòu)布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，能在很小溫差下長距離地傳遞很高的傳熱功率?？蓮V泛應(yīng)用于航天器熱控、電子設(shè)備冷卻、節(jié)能等領(lǐng)域。毛細(xì)芯是環(huán)路熱管的關(guān)鍵部件，是一種多孔材料，布置于環(huán)路熱管的蒸發(fā)器內(nèi)。熱量由蒸發(fā)器殼體內(nèi)壁傳給毛細(xì)芯及其外表面的液態(tài)工質(zhì)，并在毛細(xì)芯外表面發(fā)生蒸發(fā)相變，形成汽液分界的彎月面，產(chǎn)生毛細(xì)抽吸力，并藉此驅(qū)動(dòng)工質(zhì)在整個(gè)環(huán)路熱管中的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)熱量傳遞；同時(shí)還必須要防止過多的熱量透過毛細(xì)芯傳至毛細(xì)芯內(nèi)側(cè)的補(bǔ)償器液態(tài)工質(zhì)，以防止在毛細(xì)芯內(nèi)側(cè)產(chǎn)生氣泡，阻塞液體在芯體內(nèi)的濕潤，影響環(huán)路熱管性能，甚至使環(huán)路熱管失效。要進(jìn)一步提高毛細(xì)芯綜合性能，必須毛細(xì)芯在其靠近蒸發(fā)器的外側(cè)和靠近補(bǔ)償器的內(nèi)側(cè)分別體現(xiàn)出不同的導(dǎo)熱屬性。而目前使用最多的毛細(xì)芯是采用單一金屬材料制備的毛細(xì)芯或非金屬材料的毛細(xì)芯，難以滿足上述要求。如采用單一金屬材料燒結(jié)制備的毛細(xì)芯整體具有較高導(dǎo)熱系數(shù)的毛細(xì)芯，不利于減少漏熱發(fā)生；如采用其他纖維或柔性材料等非金屬材料毛細(xì)芯則具有較低導(dǎo)熱系數(shù)，但不利于環(huán)路熱管用于實(shí)現(xiàn)高熱流密度的熱量傳遞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了能夠保證外側(cè)高導(dǎo)熱系數(shù)促進(jìn)蒸發(fā)換熱系數(shù)的同時(shí)，又能有效降低透過毛細(xì)芯的漏熱，提供一種可以用于環(huán)路熱管的具有差異導(dǎo)熱系數(shù)的復(fù)合毛細(xì)芯及其制備方法。本發(fā)明采取的技術(shù)方案為一種用于環(huán)路熱管具有差異導(dǎo)熱系數(shù)的復(fù)合毛細(xì)芯，所述復(fù)合毛細(xì)芯靠近環(huán)路熱管的蒸發(fā)器側(cè)的導(dǎo)熱系數(shù)高于靠近環(huán)路熱管的補(bǔ)償器液體側(cè)的導(dǎo)熱系數(shù)。所述復(fù)合毛細(xì)芯由基體金屬和與其有限固溶或無限固溶的從屬金屬共同燒結(jié)生成，且復(fù)合毛細(xì)芯中由靠近環(huán)路熱管的蒸發(fā)器側(cè)到靠近環(huán)路熱管的補(bǔ)償器液體側(cè)的基體金屬含量逐漸降低，從屬金屬含量則逐漸增加。所述復(fù)合毛細(xì)芯中靠近環(huán)路熱管的蒸發(fā)器側(cè)表層的基體金屬含量為100%。所述復(fù)合毛細(xì)芯中靠近環(huán)路熱管的補(bǔ)償器液體側(cè)表層的基體金屬含量降低，從屬金屬含量增加，但從屬金屬總含量不能超過其與基體金屬生成金屬固溶體所對應(yīng)的從屬金屬最高含量，也不能超過此所述金屬固溶體的導(dǎo)熱系數(shù)極小值對應(yīng)的從屬金屬含量。所述基體金屬為鎳、銅或鈦，從屬金屬為銅、鎳或不銹鋼。一種上述復(fù)合毛細(xì)芯的制備方法，其步驟如下(I)混粉選取毛細(xì)芯燒結(jié)金屬原料基體金屬粉末，在基體金屬粉末中均勻混入與基體金屬粉末能夠固溶的從屬金屬粉末，配置多種具有不同質(zhì)量配比的粉末混合物；(2)制作毛細(xì)芯燒結(jié)型坯在毛細(xì)芯的冷壓模具中填粉，逐層放入不同質(zhì)量配比的粉末混合物，將全部填粉完成后的粉末混合物冷壓成型成毛細(xì)芯所需要形狀和尺寸；(3)燒結(jié)將成型的毛細(xì)芯燒結(jié)型坯置于石墨坩堝內(nèi)，放在燒結(jié)爐中在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行燒結(jié)，獲得用于環(huán)路熱管的毛細(xì)芯?！?br> 上述步驟(I)中所述的燒結(jié)基體金屬粉末為鎳粉，從屬金屬粉末為鈦粉、銅粉或不銹鋼粉精細(xì)粉末，混合粉末中的兩種金屬粉末須具有有限固溶或無限固溶特性，燒結(jié)可生成固溶體。上述步驟(2)中，所述的填粉，逐層加入不同質(zhì)量配比的粉末混合物，應(yīng)在底層首先放置基體金屬的純金屬粉末在底層，再逐層加入基體金屬粉末和從屬金屬粉末的混合物，隨著層數(shù)增加，從屬金屬粉末的質(zhì)量配比要逐漸增加，但其最高質(zhì)量配比不能超過混合粉末燒結(jié)所成固溶體的導(dǎo)熱系數(shù)的極小值所對應(yīng)的金屬粉末質(zhì)量配比；應(yīng)避免填粉中間階段的加壓，以防止制成的毛細(xì)芯出現(xiàn)分層現(xiàn)象，影響毛細(xì)芯的整體強(qiáng)度；在填完所有粉末之后，再對其進(jìn)行整體加壓成型，壓力應(yīng)控制在300MPa以下。所述的毛細(xì)芯燒結(jié)型坯也可結(jié)合石墨模具通過松散填粉獲得，即將燒結(jié)粉末直接填粉入能夠直接置于燒結(jié)爐的石墨坩堝中，再放入燒結(jié)爐中燒結(jié)制成復(fù)合毛細(xì)芯。上述步驟(3)中所述的燒結(jié)為無壓燒結(jié)，燒結(jié)過程需要根據(jù)粉末熔點(diǎn)控制燒結(jié)溫度，燒結(jié)溫度一般控制在650-850°C ;需要根據(jù)強(qiáng)度和毛細(xì)芯性能需求控制升溫速率和保溫時(shí)間，升溫速率一般控制在10-45°C /min，保溫時(shí)間一般在30_60min ;燒結(jié)保溫后的冷卻方式一般采用惰性氣體保護(hù)下的自然冷卻方式。上述所述的毛細(xì)芯燒結(jié)基體粉末在內(nèi)外側(cè)使用不同精細(xì)顆粒粉末，可在獲得具有差異導(dǎo)熱系數(shù)毛細(xì)芯的同時(shí)，還可在其靠近蒸發(fā)器一側(cè)使用更加精細(xì)的金屬粉末，能獲得更精細(xì)的毛細(xì)芯孔徑和更大毛細(xì)抽力；在靠近補(bǔ)償器液體側(cè)使用稍大顆粒的金屬粉末，能獲得更有利的流體。本發(fā)明通過控制金屬粉末的混合比例和分布，制造出了可用于環(huán)路熱管的內(nèi)外側(cè)具有差異導(dǎo)熱系數(shù)的復(fù)合毛細(xì)芯；制備過程簡單，可一次燒結(jié)即可制成復(fù)合毛細(xì)芯。本發(fā)明的具有差異導(dǎo)熱系數(shù)的復(fù)合毛細(xì)芯即可以是平板型毛細(xì)芯，也可以是圓柱型毛細(xì)芯。本發(fā)明的具有差異導(dǎo)熱系數(shù)的毛細(xì)芯外側(cè)靠近環(huán)路熱管蒸發(fā)器側(cè)具有高導(dǎo)熱系數(shù)，與蒸發(fā)器內(nèi)壁換熱良好，能夠促進(jìn)此處的蒸發(fā)換熱系數(shù)；毛細(xì)芯內(nèi)側(cè)靠近環(huán)路熱管補(bǔ)償器側(cè)具有低導(dǎo)熱系數(shù)，能夠減少蒸發(fā)表面-毛細(xì)芯內(nèi)部-補(bǔ)償器液體的熱量傳遞，可以減少漏熱，提高環(huán)路熱管的整體傳熱性能。本發(fā)明的復(fù)合毛細(xì)芯具有差異導(dǎo)熱系數(shù)，有利于提高環(huán)路熱管傳熱性能，可用于研制高效環(huán)路熱管，滿足大傳熱功率、長距離輸送的LHP熱控制要求，可應(yīng)用于航空熱控及地面電子設(shè)備冷卻等領(lǐng)域。


圖I為本發(fā)明的環(huán)路熱管蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的毛細(xì)芯燒結(jié)型坯混粉示意圖；圖3為本發(fā)明的毛細(xì)芯燒結(jié)型坯示意圖；圖4為實(shí)施例制得的毛細(xì)芯SEM相貌；其中，I.蒸發(fā)器，2.蒸汽移除通道，3.復(fù)合毛細(xì)芯，4.補(bǔ)償器內(nèi)的液體，5.底座，6.圓筒，7.第一層粉末混合物，8.第二層粉末混合物，9.第三層粉末混合物，10.第四層粉末混合物，11.第五層粉末混合物，12.毛細(xì)芯燒結(jié)型坯。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1，環(huán)路熱管的熱負(fù)荷施加在蒸發(fā)器I固體外表面，蒸發(fā)器內(nèi)表面設(shè)置蒸汽移除通道2，本發(fā)明的具有差異導(dǎo)熱系數(shù)復(fù)合毛細(xì)芯3位于蒸發(fā)器I和補(bǔ)償器內(nèi)的液體4之間。實(shí)施例I :結(jié)合圖2、圖3，本發(fā)明的用于環(huán)路熱管的具有差異導(dǎo)熱系數(shù)的復(fù)合毛細(xì)芯的制備步驟為(I)混粉。選取顆粒度均勻的精細(xì)鎳粉作為燒結(jié)的基體金屬粉末，細(xì)銅粉作為從屬金屬粉末，取銅粉質(zhì)量比分別為0%，10%, 20%, 30%和40%，制取均勻的第一層粉末混合物7、第二次粉末混合物8、第三層粉末混合物9、第四層粉末混合物10和第五層粉末混合物11 ；(2)制作毛細(xì)芯燒結(jié)型坯。放好冷壓模具(底座5，圓筒6)后，按順序?qū)⒍康牡谝粚臃勰┗旌衔?、第二次粉末混合物8、第三層粉末混合物9、第四層粉末混合物10和第五層粉末混合物11先后放入，之后加壓將粉末壓成所需要的毛細(xì)芯外形和尺寸，制成毛細(xì)芯燒結(jié)型坯12 ;壓力應(yīng)控制在300MPa以下。(3)燒結(jié)。將成型的毛細(xì)芯燒結(jié)型坯置于石墨坩堝內(nèi)，放在燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，整個(gè)過程通入氬氣保護(hù)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度最高750°C，升溫速率控制在25°C /min，保溫時(shí)間30min，燒結(jié)后冷卻采用通氬氣保護(hù)的自然冷卻方式冷卻，完成復(fù)合毛細(xì)芯的燒結(jié)。實(shí)施例2 與實(shí)施例I不同的是，混粉時(shí)，選取顆粒度均勻的精細(xì)銅粉作為燒結(jié)的基體金屬粉末，細(xì)鎳粉作為從屬金屬粉末；燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)溫度為650°C，升溫速率控制在20°C /min，保溫時(shí)間40min,其余相同，不再贅述。實(shí)施施3 與實(shí)施例I不同的是，混粉時(shí)，選取顆粒度均勻的精細(xì)鈦粉作為燒結(jié)的基體金屬粉末，細(xì)不銹鋼粉作為從屬金屬粉末；燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)溫度為850°C，升溫速率控制在30°C /min,保溫時(shí)間60min,其余相同，不再贅述。綜合以上三個(gè)實(shí)施例，通過過程工藝參數(shù)控制，本發(fā)明可制成具有差異導(dǎo)熱系數(shù)的復(fù)合毛細(xì)芯，其外側(cè)導(dǎo)熱系數(shù)能夠大于10W/m. K，內(nèi)側(cè)導(dǎo)熱系數(shù)可小于3W/m. K ;所制得的毛細(xì)芯平均孔徑可小于2 μ m,整體孔隙率可以控制在50%-75%范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于環(huán)路熱管具有差異導(dǎo)熱系數(shù)的復(fù)合毛細(xì)芯，其特征是，所述復(fù)合毛細(xì)芯靠近環(huán)路熱管的蒸發(fā)器側(cè)的導(dǎo)熱系數(shù)高于靠近環(huán)路熱管的補(bǔ)償器液體側(cè)的導(dǎo)熱系數(shù)。
2.如權(quán)利要求I所述的復(fù)合毛細(xì)芯，其特征是，所述復(fù)合毛細(xì)芯由基體金屬和與其有限固溶或無限固溶的從屬金屬共同燒結(jié)生成，且復(fù)合毛細(xì)芯中由靠近環(huán)路熱管的蒸發(fā)器側(cè)到靠近環(huán)路熱管的補(bǔ)償器液體側(cè)的基體金屬含量逐漸降低，從屬金屬含量則逐漸增加。
3.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合毛細(xì)芯，其特征是，所述復(fù)合毛細(xì)芯中靠近環(huán)路熱管的蒸發(fā)器側(cè)表層的基體金屬含量為100%。
4.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合毛細(xì)芯，其特征是，所述復(fù)合毛細(xì)芯中靠近環(huán)路熱管的補(bǔ)償器液體側(cè)表層的基體金屬含量降低，從屬金屬含量增加，但從屬金屬總含量不能超過其與基體金屬生成金屬固溶體所對應(yīng)的從屬金屬最高含量，也不能超過所述金屬固溶體的導(dǎo)熱系數(shù)極小值對應(yīng)的從屬金屬含量。
5.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合毛細(xì)芯，其特征是，所述基體金屬為鎳、銅或鈦，從屬金屬為銅、鎳或不銹鋼。
6.如權(quán)利要求I所述的復(fù)合毛細(xì)芯，其特征是，所述復(fù)合毛細(xì)芯為平板型毛細(xì)芯或圓柱型毛細(xì)芯。
7.—種如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述復(fù)合毛細(xì)芯的制備方法，其特征是，步驟如下 (1)混粉選取毛細(xì)芯燒結(jié)金屬原料基體金屬粉末，在基體金屬粉末中均勻混入與基體金屬粉末能夠固溶的從屬金屬粉末，配置多種具有不同質(zhì)量配比的粉末混合物； (2)制作毛細(xì)芯燒結(jié)型坯在毛細(xì)芯的冷壓模具中填粉，逐層放入不同質(zhì)量配比的粉末混合物，將全部填粉完成后的粉末混合物冷壓成型成毛細(xì)芯所需要形狀和尺寸； (3)燒結(jié)將成型的毛細(xì)芯燒結(jié)型坯置于石墨坩堝內(nèi)，放在燒結(jié)爐中在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行燒結(jié)，獲得用于環(huán)路熱管的毛細(xì)芯。
8.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征是，所述步驟(I)中所述的燒結(jié)基體金屬粉末為鎳粉、銅粉或鈦粉，從屬金屬粉末為銅粉、鎳粉或不銹鋼粉，混合粉末中的兩種金屬粉末須具有有限固溶或無限固溶特性，燒結(jié)能夠生成固溶體。
9.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征是，所述步驟(2)中，所述的填粉，逐層加入不同質(zhì)量配比的粉末混合物，應(yīng)在底層首先放置基體金屬的純金屬粉末在底層，再逐層加入基體金屬粉末和從屬金屬粉末的混合物，隨著層數(shù)增加，從屬金屬粉末的質(zhì)量配比要逐漸增加，但其最高質(zhì)量配比不能超過其與基體金屬生成金屬固溶體所對應(yīng)的從屬金屬最高含量，也不能超過此金屬固溶體的導(dǎo)熱系數(shù)極小值對應(yīng)的從屬金屬含量；應(yīng)避免填粉中間階段的加壓，以防止制成的毛細(xì)芯出現(xiàn)分層現(xiàn)象，影響毛細(xì)芯的整體強(qiáng)度；在填完所有粉末之后，再對其進(jìn)行整體加壓成型，壓力應(yīng)控制在300MPa以下。
10.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征是，上述步驟(3)中所述的燒結(jié)為無壓燒結(jié)，燒結(jié)過程需要根據(jù)粉末熔點(diǎn)控制燒結(jié)溫度，燒結(jié)溫度控制在650-85(TC ;需要根據(jù)強(qiáng)度和毛細(xì)芯性能需求控制升溫速率和保溫時(shí)間，升溫速率控制在10-45°C /min，保溫時(shí)間在30-60min ;燒結(jié)保溫后的冷卻方式采用惰性氣體保護(hù)下的自然冷卻方式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于環(huán)路熱管具有差異導(dǎo)熱系數(shù)的復(fù)合毛細(xì)芯及制備方法。復(fù)合毛細(xì)芯靠近環(huán)路熱管的蒸發(fā)器側(cè)的導(dǎo)熱系數(shù)高于靠近環(huán)路熱管的補(bǔ)償器液體側(cè)的導(dǎo)熱系數(shù)。具有差異導(dǎo)熱系數(shù)的復(fù)合毛細(xì)芯的制備方法為選取具有無限互溶特性的燒結(jié)原料基體金屬粉末，配置具有不同質(zhì)量配比的粉末混合物；在模具中填粉逐層放入混合后的不同質(zhì)量配比的粉末混合物，將填粉后的粉末混合物進(jìn)行冷壓成型成毛細(xì)芯所需要形狀和尺寸；再燒結(jié)可制成具有差異導(dǎo)熱系數(shù)的復(fù)合毛細(xì)芯。本發(fā)明的復(fù)合毛細(xì)芯具有差異導(dǎo)熱系數(shù)，有利于提高環(huán)路熱管傳熱性能，可用于研制高效環(huán)路熱管，滿足大傳熱功率、長距離輸送的LHP熱控制要求，可應(yīng)用于航空熱控及地面電子設(shè)備冷卻等領(lǐng)域。
文檔編號B22F3/16GK102901390SQ201210410979
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者辛公明, 程林 申請人:山東大學(xué)