專利名稱：以水基碳納米管懸浮液為工質(zhì)的兩相閉式熱虹吸管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種兩相閉式熱虹吸管，具體涉及一種以水基碳納米管懸浮液為工質(zhì)的兩相閉式熱虹吸管。屬于熱交換技術(shù)和電子元器件冷卻技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
兩相閉式熱虹吸管是一種高效傳熱元件，在當(dāng)今能源領(lǐng)域以及電力電子熱管領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。熱虹吸管結(jié)構(gòu)簡單，制造加工方便，生產(chǎn)成本低廉，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。熱虹吸管通過內(nèi)部工質(zhì)的相變換熱實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞，因此傳熱速率快，效率高，熱阻小。但熱虹吸管的傳熱能力仍然受到一定的限制，存在沸騰極限，攜帶極限，干涸極限等，上述各種極限的最小值決定了熱虹吸管的傳熱能力。
針對兩相閉式熱虹吸管傳熱極限的限制，國內(nèi)外許多研究人員根據(jù)熱虹吸管的工作特點(diǎn)提出了許多提高熱虹吸管傳熱能力的具體措施。
熱虹吸管的蒸發(fā)段內(nèi)同心放置開孔抑泡管。
在熱虹吸管冷凝段內(nèi)設(shè)置溢流同心導(dǎo)管。
槽道內(nèi)壁面熱虹吸管內(nèi)壁加工成軸向槽道表面。
內(nèi)置熱管在熱虹吸管蒸發(fā)段內(nèi)插入同心的熱虹吸管。
內(nèi)置分流管在熱虹吸管內(nèi)插入一根同軸多孔管——流動分離器(分流管)。
上述方法都是在結(jié)構(gòu)上改進(jìn)熱虹吸管的工作性能。如果在熱管循環(huán)工質(zhì)中加入各類金屬或金屬氧化物納米顆粒，可以改變循環(huán)工質(zhì)的結(jié)構(gòu)和物性，增強(qiáng)內(nèi)部能量的傳遞過程、增大納米流體的換熱系數(shù)，使加熱器溫度場更加均勻，換熱功率更大。因此，納米流體(納米粒子懸浮液)作為一種新型的強(qiáng)化傳熱工質(zhì)有著廣闊的應(yīng)用前景。
碳納米管懸浮液是一種新型的納米流體，和傳統(tǒng)的納米流體相比有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。最大的特點(diǎn)是碳納米管本身的導(dǎo)熱系數(shù)非常大，達(dá)到3000w/m.k的數(shù)量級。因此碳納米管懸浮液有比一般納米流體更好的換熱性能，其強(qiáng)化傳熱特性已為許多基礎(chǔ)研究所證實(shí)。
至今尚沒有人提出采用碳納米管懸浮液作為熱虹吸管內(nèi)的工質(zhì)來強(qiáng)化熱管換熱性能。使用碳納米管懸浮液作為工質(zhì)的熱管在電子、微電子設(shè)備冷卻等領(lǐng)域方面具有獨(dú)特的發(fā)展?jié)摿?，具有廣闊的應(yīng)用前景，也將會產(chǎn)生重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種以水基碳納米管懸浮液為工質(zhì)的兩相閉式熱虹吸管，提高換熱性能，降低工作傾角，而且生產(chǎn)工藝簡單，設(shè)備投資少，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
為實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采用一種新型的換熱冷卻工質(zhì)——碳納米管懸浮液作為兩相閉式熱虹吸管的工質(zhì)，來強(qiáng)化熱虹吸管的換熱性能。懸浮液具有比其基液大得多的有效導(dǎo)熱系數(shù)，在低壓條件下可以有效地提高熱管換熱特性。
本發(fā)明的兩相閉式熱虹吸熱管采用紫銅管加工而成，可分為三個部分，蒸發(fā)段，絕熱段和冷凝段，蒸發(fā)段采用電加熱器加熱，絕熱段外套特氟隆棒保溫，冷凝段管內(nèi)壁加工成軸向槽道表面，尺寸無特定限制，冷凝段外焊接冷卻水套，用冷卻水沖刷進(jìn)行冷卻。蒸發(fā)段內(nèi)部注入的工質(zhì)為碳納米管懸浮液，最佳充液率為蒸發(fā)段容積的40-60％，在此范圍內(nèi)，充液量對換熱特性基本無影響。所述碳納米管懸浮液為去離子水與碳納米管的混合液，懸浮液中碳納米管的質(zhì)量濃度為1-2.5％，最佳濃度為2％。
本發(fā)明所述的碳納米管一般可以使用任意的碳納米管，包括單壁碳納米管(SWNT)和多壁碳納米管(MWNT)。
本發(fā)明的兩相閉式熱虹吸管運(yùn)行時，先在低熱負(fù)荷工況下運(yùn)行數(shù)分鐘，使沉降在熱管蒸發(fā)段底部的碳納米管重新懸浮，即可正常運(yùn)行。
使用時，把需要散熱的元器件貼附在熱管的下端，依靠熱虹吸管蒸發(fā)段內(nèi)部的工質(zhì)蒸發(fā)傳熱，將需要散熱的元件的熱量經(jīng)絕熱段傳遞到冷凝段的冷卻水中。冷凝段的管內(nèi)壁的微槽道結(jié)構(gòu)，可以增加傳熱面，起到強(qiáng)化換熱的效果。
本發(fā)明利用碳納米管懸浮液強(qiáng)化熱管傳熱特性，碳納米管懸浮液濃度對兩相閉式熱虹吸管的換熱特性有明顯的影響，在質(zhì)量濃度為1-2.5％的范圍內(nèi)均可取得強(qiáng)化效果。
壓力對使用多壁碳納米管懸浮液的兩相閉式熱虹吸管的換熱強(qiáng)化率有明顯的影響。壓力越小，采用懸浮液后的換熱強(qiáng)化效果越好。本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為7.45kPa到19.97kPa。本發(fā)明的強(qiáng)化型熱管在低壓下(熱管運(yùn)行溫度低于80度)使用效果更好。壓力由調(diào)節(jié)冷凝水流量控制。
本發(fā)明中的以碳納米管懸浮液為工質(zhì)的兩相閉式熱虹吸管，同之前的以純水為工質(zhì)的熱管相比，蒸發(fā)段換熱系數(shù)最大可提高1.5倍，而最大散熱功率可提高1.2倍。熱管的總熱阻可降低一半。同時不僅換熱性能提高，熱管傾斜角也可以大為降低，熱管傾斜角達(dá)到水平15度后換熱性能依然良好。


圖1為兩相閉式熱虹吸管結(jié)構(gòu)圖。
圖1中，1為冷凝段，2為冷卻水套，3為絕熱段，4為特氟隆棒，5為碳納米管懸浮液，6為加熱熱源，7為蒸發(fā)段。
圖2為冷凝段管內(nèi)壁的微槽道結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例中的參數(shù)不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，兩相閉式熱虹吸管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個熱管采用紫銅管加工而成，紫銅管外徑8mm，壁厚1mm，總長度為350mm，蒸發(fā)段7的長度100mm，絕熱段3的長度100mm，冷凝段1的長度150mm。熱管尺寸可任意設(shè)計。蒸發(fā)段7采用電加熱器加熱，絕熱段3外套特氟隆棒4保溫，冷凝段1的管內(nèi)壁加工有均勻排布的軸向微槽道，尺寸無特定限制。建議使用槽深0.8mm，槽寬0.5mm的微槽道，冷凝段1外圍焊接冷卻水套2，用冷卻水沖刷進(jìn)行冷卻，冷卻水從水套下部進(jìn)入，上部流出。蒸發(fā)段7內(nèi)部注入的工質(zhì)為碳納米管懸浮液5，最佳充液率為蒸發(fā)段容積的40-60％，在此范圍內(nèi)，充液量對換熱特性基本無影響，6為電加熱器產(chǎn)生的熱源。
本發(fā)明所述的碳納米管懸浮液為去離子水與碳納米管的混合液，懸浮液中碳納米管的質(zhì)量濃度為1-2.5％。
本發(fā)明所述的碳納米管一般可以使用任意的碳納米管，建議使用如下的多壁碳納米管(MWNT)深圳納米巷科技有限公司的產(chǎn)品，型號L-MWNT-1020。物性參數(shù)如下線徑10-20nm，長度5-15μm，純度95-98％，表面積40～300m2/g。
本發(fā)明冷凝段1管內(nèi)壁中微槽道的局部放大結(jié)構(gòu)如圖2所示，冷凝段內(nèi)壁表面均勻密布有矩形截面形狀的微槽道，每個微槽道槽寬0.5mm，槽深0.8mm，用線切割加工而成。
本發(fā)明的兩相閉式熱虹吸管運(yùn)行時，先在低熱負(fù)荷工況下運(yùn)行數(shù)分鐘，使沉降在熱管蒸發(fā)段7底部的碳納米管重新懸浮，即可正常運(yùn)行。
本發(fā)明采用不同質(zhì)量濃度的碳納米管懸浮液為工質(zhì)的實(shí)施例的數(shù)據(jù)如表1所示表1

表1數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明的兩相閉式熱虹吸管與現(xiàn)有的以純水為工質(zhì)的熱虹吸管相比，能夠十分顯著的提高換熱特性，降低熱管熱阻，增加散熱功率。在同樣壓力下，2％為最佳質(zhì)量濃度，能得到最大的強(qiáng)化效果。同樣濃度條件下，壓力越低，熱管所起到的強(qiáng)化效果越明顯。在壓力范圍為7.2kPa～19.97kPa之間、碳納米管質(zhì)量濃度為2％時，和傳統(tǒng)的以水為工質(zhì)的熱管相比，蒸發(fā)段換熱系數(shù)最大可提高到1.5倍，而最大散熱功率可提高1.2倍。熱管的總熱阻可降低一半左右。
權(quán)利要求
1.一種以水基碳納米管懸浮液為工質(zhì)的兩相閉式熱虹吸管，包括蒸發(fā)段，絕熱段和冷凝段，其特征在于所述蒸發(fā)段內(nèi)部注入的工質(zhì)為碳納米管懸浮液，充液率為蒸發(fā)段容積的40-60％；所述碳納米管懸浮液為去離子水與碳納米管的混合液，懸浮液中碳納米管的質(zhì)量濃度為1-2.5％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的以水基碳納米管懸浮液為工質(zhì)的兩相閉式熱虹吸管，其特征在于所述碳納米管為線徑10-20nm、長度5-15μm的多壁碳納米管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種以水基碳納米管懸浮液為工質(zhì)的兩相閉式熱虹吸管，由蒸發(fā)段，絕熱段和冷凝段三部分組成。冷凝段管內(nèi)壁均勻排布軸向微槽道以增加傳熱面面積，蒸發(fā)段內(nèi)部注入的工質(zhì)為碳納米管懸浮液，充液率為蒸發(fā)段容積的40－60％；所述碳納米管懸浮液為去離子水與碳納米管的混合液，懸浮液中碳納米管的質(zhì)量濃度為1－2.5％。使用時，把需要散熱的元器件貼附在熱管的下端，依靠熱虹吸管蒸發(fā)段內(nèi)部的工質(zhì)蒸發(fā)傳熱，將需要散熱的元件的熱量傳遞到冷凝段的冷卻水中。本發(fā)明使用水基碳納米管懸浮液為工質(zhì)，不僅換熱性能提高，熱管總熱阻降低，熱管傾斜角也可以大為降低，熱管傾斜角達(dá)到水平15度后換熱性能依然良好。
文檔編號C09K5/00GK101078600SQ20071004343
公開日2007年11月28日 申請日期2007年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月5日
發(fā)明者劉振華, 郭廣亮, 廖亮, 呂倫春 申請人:上海交通大學(xué)