專利名稱：內(nèi)含碳納米管的管芯及其制造方法和制成的熱管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)含碳納米管的管芯及熱管，尤其是涉及通過改善熱管內(nèi)的管芯構(gòu)造，以增加工作液體的循環(huán)效率及熱傳導率，從而提高熱管功能的內(nèi)含碳納米管的管芯及其制造方法，同時還涉及利用該制造方法的熱管。
背景技術(shù)：
一般熱管具有很高的從高溫處向低溫處傳遞熱交換、熱輸送的能力，因而被應(yīng)用在電子通信設(shè)備及產(chǎn)業(yè)機械等領(lǐng)域，是用于熱交換及熱輸送的傳熱元件。尤其因電子通信設(shè)備及計算機等的芯片設(shè)計和制造技術(shù)的發(fā)展，使線寬縮小及體積減少，這就導致使單位體積或單位面積的發(fā)熱量增大。熱管與帶有空氣冷凝的散熱片相比，因熱處理功能更加優(yōu)秀，從而作為這種裝置 的冷凝元件被廣泛使用，并且隨著單位體積發(fā)熱量的增大，其使用率也越來越高。以往技術(shù)的熱管的結(jié)構(gòu)，如圖I所示，在封閉的管體4內(nèi)真空封存工作液體，并在管體4內(nèi)壁具有毛細管結(jié)構(gòu)的管芯5。熱管是由從高溫段Ia吸收熱的蒸發(fā)段I、向低溫段放出熱的冷凝段3、以及具有蒸汽移動和液體回流作用的絕熱段2來構(gòu)成的。對此，熱管的熱交換、熱輸送的原理為如計算機芯片等，在高溫段Ia產(chǎn)熱及在熱管蒸發(fā)段I吸熱，且使吸收蒸發(fā)潛熱相變?yōu)檎羝墓ぷ饕后w通過內(nèi)部通道6移動至冷凝段3。此外，工作液體在低溫段3a放出冷凝熱凝結(jié)，且使凝結(jié)的工作液體通過毛細管結(jié)構(gòu)的管芯5流回至蒸發(fā)段I。這種變化在管體4內(nèi)連續(xù)發(fā)生，如此循環(huán)不已，熱量由高溫段Ia快速傳至低溫段3a。蒸發(fā)段I與絕熱段2溫度相同，且蒸發(fā)段的溫度高于冷凝段的溫度3。另外，各段的蒸氣壓為飽和狀態(tài)，蒸發(fā)段I與絕熱段2蒸氣壓相同，且絕熱段2的蒸氣壓高于冷凝段3的蒸氣壓。因此，蒸汽由蒸發(fā)段I經(jīng)過絕熱段2傳至冷凝段3。由于這種現(xiàn)象的熱傳導速度接近音速，因此其循環(huán)是快速進行的。如上，熱管的熱處理性能還會受到工作液體的種類及注入量、管體4內(nèi)部的真空度、清潔度、以及管芯5結(jié)構(gòu)的毛細力等的影響。為了提高熱管的熱處理性能，以往技術(shù)的熱管一直尋求增加毛細力作為管芯5結(jié)構(gòu)的研究。另外，為了使上述管體4內(nèi)部的工作液體順利循環(huán)，以往技術(shù)引入了上述管芯5，或者在管體內(nèi)壁加工細槽而形成了毛細管。所述管芯5由篩網(wǎng)、線材、彈簧等材料來構(gòu)成。所述管芯5的材料表面上無需加工處理，并且把表面無加工處理的管芯裝入所述管體4的內(nèi)部。
另外，上述管體4內(nèi)壁的細槽是通過機械加工或多孔燒結(jié)等來形成的。作為上述管芯5的以往技術(shù)，為了提高導熱性能，推出了在管體4內(nèi)壁形成金屬表面，或在管體4內(nèi)壁貼覆由有機或無機物質(zhì)形成表面的金屬膠帶，從而來確保管體4中心的蒸汽通道。另外，作為另一技術(shù)，通過多孔燒結(jié)的管內(nèi)壁和細槽來提高毛細管泵力，使工作液體向圓周方向均勻分配，而有關(guān)這方面的方法等多種技術(shù)已被業(yè)內(nèi)公知。但是，上述多種形式的以往技術(shù)不僅制造工程繁瑣，而且不易小型生產(chǎn)以及制造成本較高，這就導致不易普及，及不便于大量導熱等問題。
另外，在工作液體中混合碳納米管雖然導熱效果較佳，但其分散過程難度增加，不僅費用較高，而且高溫加熱反復(fù)過程使分散的納米管聚到一起，形成防止導熱的污垢，這就導致導熱性能喪失，或降低熱效率等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，提供內(nèi)含碳納米管的管芯及其制造方法，同時提供利用該制造方法的熱管，通過提供內(nèi)含碳納米管的管芯，使熱管既具有良好的導熱性能，又具有理想的放熱效果。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下一種內(nèi)含碳納米管的管芯，所述管芯設(shè)置在熱管的管體內(nèi)部，所述管芯含有碳納米管。進一步，所述管芯包括棒狀的壓縮多孔天然纖維；圍繞所述多孔天然纖維的外周形成的不織布，所述多孔天然纖維和所述不織布里含有碳納米管。本發(fā)明還提供一種解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下一種內(nèi)含碳納米管的管芯的制造方法，所述管芯的制造方法包括將多孔天然纖維壓縮成棒狀，再將不織布圍繞在多孔天然纖維的表面，接著將碳納米管放入水中分散后，將所述多孔天然纖維和不織布形成的組合體浸至所述碳納米管水劑中，經(jīng)烘干，即可制成在所述管芯內(nèi)外含有碳納米管的管
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Λ ο另外，本發(fā)明還提供另外一種解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下一種熱管包括一端連接于熱源上及與其相對的另一端封閉且在內(nèi)部填充工作液體的中空形狀的管體；所述管體的內(nèi)部裝入桿狀的管芯，所述管芯含有碳納米管。進一步，所述管芯包括棒狀的多孔天然纖維；圍繞所述多孔天然纖維的外周形成的不織布，所述多孔天然纖維和所述不織布里含有碳納米管。進一步，所述管芯的直徑小于所述管體的內(nèi)徑，且所述管芯并未固定于管體內(nèi)，并在重力的作用下所述管芯配置在所述管體的下方。進一步,所述工作液體的量為所述管芯最大吸收量的100 110%。本發(fā)明的有益效果是提供內(nèi)含碳納米管的管芯及其制造方法，同時提供利用該制造方法的熱管，通過提供內(nèi)含碳納米管的管芯，提高工作液體的循環(huán)效率及導熱效率，使熱管既具有良好的導熱性能，又具有理想的放熱效果。


圖I是一般熱管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例的熱管的結(jié)構(gòu)截面 圖3是本發(fā)明實施例的管芯的結(jié)構(gòu)截面 圖4是本發(fā)明實施例的熱管與以往技術(shù)的導熱材料比較熱傳導率的圖面；
圖5是以往技術(shù)的熱管的裝置結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。圖2是本發(fā)明實施例的熱管的結(jié)構(gòu)截面圖；圖3是本發(fā)明實施例的管芯的結(jié)構(gòu)截面圖；圖4是本發(fā)明實施例的熱管與以往技術(shù)的導熱材料比較熱傳導率的圖面；圖5是以往技術(shù)的熱管的裝置結(jié)構(gòu)圖。
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如圖2及圖3所示，本發(fā)明的熱管100包括管體110和管芯120。所述管體110為中空形狀，其一端與另一端封閉，也就是管體110的左右兩端是封閉的，管體Iio的其中一端連接于熱源上，且在管體內(nèi)部充有工作液體。所述管芯120插入所述管體110的內(nèi)部，其外部具有均勻的毛細管結(jié)構(gòu)，以及其內(nèi)部具有強吸入力結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)導致快速傳熱，且使冷凝的工作液體快速回流。如圖3所示，這里，所述管芯120含有碳納米管130。進一步，所述管芯120包括多孔天然纖維121和不織布122。所述多孔天然纖維121以壓縮的圓柱形狀形成，并具有強吸入力。進一步，所述多孔天然纖維121由棉，麻，毛，絹等材質(zhì)制成，且以不同截面的棒狀形成。所述不織布122圍繞所述多孔天然纖維121的外周形成，并具有均勻的毛細管結(jié)構(gòu)。如上，通過所述多孔天然纖維121與不織布122，所述管芯120具有了強吸入力并具備了均勻的毛細管結(jié)構(gòu)，從而使管芯充滿工作液體，又能使工作液體快速回流。由于以往技術(shù)的所述管芯120使用了金屬材料，因此，難以將工作液體的吸入力達到理想的狀態(tài)。在多孔天然纖維121及不織布122里含有碳納米管130，以便于提高所述管芯120的導熱及放熱效果。如圖4所示，由于本發(fā)明的熱管100的管芯120內(nèi)含碳納米管130，因此，熱傳導率明顯高于鋁、銅、以及以往技術(shù)的熱管。在所述管芯120內(nèi)含的碳納米管130的直徑為10 20納米，以O(shè). 2 O. 5wt%的碳納米管130放入水中分散后，再將由所述多孔天然纖維121和所述不織布122形成的組合體數(shù)次浸至水劑中，經(jīng)烘干，即可制成在管芯內(nèi)外含有碳納米管的管芯。通過上述工程，管芯120的各個部分都含有碳納米管130，并且具備了毛細管作用與吸收作用的復(fù)合結(jié)構(gòu)性能，從而導致本發(fā)明的管芯的性能明顯高于以往技術(shù)的管芯120。此外，由于圍繞棒狀的所述多孔天然纖維121的外周形成所述不織布122，使管芯的彈性增大，因此不必使用支持所述管芯120的支持棒，并且所述多孔天然纖維121具有耐熱性及耐化學性，所以使管芯在任何條件的溫度下都能發(fā)揮應(yīng)有的作用。接下來，對碳的同素異形體結(jié)合結(jié)構(gòu)作進一步簡單說明。碳原子與其他原子成共價鍵時，在L軌道(2s、2p軌道)存在的4個電子形成雜化軌道，常見的雜化方式包括以I個s軌道和3個P軌道雜化的sp3雜化軌道(C-C鍵)、以I個s軌道和2個P軌道雜化的sp2雜化軌道(C=C鍵)、及以I個s軌道和I個p軌道雜化的sp雜化軌道(C = C鍵)。在Sp3雜化軌道，碳原子的2s、2p軌道的4個電子全部被用于形成4個σ鍵。Sp2雜化軌道的I個2s電子和2個2p電子形成3個σ鍵，而其余I個電子形成 鍵。
Sp雜化軌道的I個2s電子和I個2p電子形成2個σ鍵，而其余2個電子形成2 個π鍵。以sp3雜化軌道形成的典型的碳的同素異形體為金剛石，而以Sp2雜化軌道形成的典型的碳的同素異形體為石墨，且以Sp雜化軌道形成的典型的碳的同素異形體為碳。21世紀3大碳納米材料的碳納米管130 (Carbon Nano Tube)、碳納米纖維(Carbon Nano Fiber)、富勒烯(Fullerene)都具有上述sp2雜化軌道,但是，由于其外形結(jié)構(gòu)不同，而具有不同的名稱，并且在物質(zhì)特性上差別也很大。如上，在所述管芯120內(nèi)含碳納米管130的技術(shù)與在工作液體中分散碳納米管130的技術(shù)相比，避免了使用上的繁瑣及難度，并且解決了因工作液體的長期污垢而導致的效率下降等問題。另外，由于在具有均勻的毛細管壓力和強吸收力的管芯120含有碳納米管130，使導熱速度對比以往技術(shù)的熱管提高了 40%以上，并使熱效率也提高了 30%以上，從而可以有效節(jié)約能源。此外，所述管芯120的直徑小于所述管體110的內(nèi)徑，且所述管芯安裝于所述管體110內(nèi)用于移動，并因自由狀態(tài)下的重力所述管芯120總是配置在所述管體110的下方。也就是說，所述管芯120沒有在所述管體110的內(nèi)部固定結(jié)合，而配置成用于移動，并且總是在所述管體110的下方。另外,在所述管體110內(nèi)部的所述工作液體的量為所述管芯120最大吸收量的100 110%。如果所述工作液體的量比所述管芯120最大吸收量還少時,則所述管芯120變?yōu)楦稍?，而且如果所述管體110的蒸發(fā)段的安裝位置比冷凝段高時，造成工作液體在蒸發(fā)段幾乎消失殆盡等問題。反之,如果所述工作液體的量比所述管芯120最大吸收量還多時,則所述工作液體成為導熱的障礙，使導熱效果明顯降低。本發(fā)明的所述工作液體的充入量是所述管芯120最大吸收量的100 110%。因此，上述工作液體幾乎全部吸收至上述管芯120上。另外,如圖5a所示，因熱虹吸(Thermosyphon)式熱管310需在冷凝段冷凝的工作液體由重力回流至加熱段200，所以連接于熱源的冷凝段部位應(yīng)高于蒸發(fā)段部位約3度以上。
接下來，在暖炕安裝熱管310時，因熱管310需傾斜配置，則相應(yīng)增加砂漿350，勢必造成整體重量增加，使建筑物承載負重增大，所以若為高層建筑，其設(shè)計變更將不可避免。另外，如圖5b所示，以往技術(shù)的具有管芯的熱管320可以水平安裝，且與熱虹吸式熱管310相比，雖然具有節(jié)省砂漿350的效果，但是，如果冷凝段部位的高度相對偏低，則工作液體向冷凝段方向移動，使蒸發(fā)段部位無法所存工作液體或出現(xiàn)循環(huán)問題，因此需要經(jīng)常使用水平儀測量后進行修補工作。但是，本發(fā)明的熱管100的管芯120在管體110內(nèi)可以移動，所述管芯120由多孔天然纖維121和不織布122來構(gòu)成。由于在管芯120內(nèi)外含有碳納米管130，因此冷凝段部位的高度偏低也不影響熱管發(fā)揮應(yīng)有的作用。也就是說，上述多孔天然纖維121具有強吸入力，并且上述不織布122具有均勻的毛細管，所以即使冷凝段部位的高度偏低，也能使工作液體通過上述多孔天然纖維121和不織布122構(gòu)成的管芯120向蒸發(fā)段順利移動。 另外，由于上述管芯120含有上述碳納米管130，因此在上述加熱段200產(chǎn)生的熱量，通過導熱性能極高的碳納米管130使全部管芯120發(fā)熱，從而使熱管100的熱效率達到理想的效果。因此，若應(yīng)用產(chǎn)品(散熱片、放熱器等)利用上述熱管100，則可以減少容積。另外，由于本發(fā)明的管芯120的制造成本減少至50%以上，不僅易于使用，而且減少應(yīng)用產(chǎn)品的容積而節(jié)儉原材料，開辟了一條經(jīng)濟、實用的途徑。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)含碳納米管的管芯，其特征在于所述管芯設(shè)置在熱管的管體內(nèi)部，所述管芯內(nèi)含碳納米管。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)含碳納米管的管芯，其特征在于，所述內(nèi)含碳納米管的管芯包括棒狀的壓縮多孔天然纖維；圍繞所述多孔天然纖維的外周形成的不織布，所述多孔天然纖維和所述不織布里含有碳納米管。
3.一種內(nèi)含碳納米管的管芯的制造方法，其特征在于所述管芯的制造方法包括將多孔天然纖維壓縮成棒狀，再將不織布圍繞在多孔天然纖維的表面，接著將碳納米管放入水中分散后，將所述多孔天然纖維和不織布形成的組合體浸至所述碳納米管水劑中，經(jīng)烘干，即可制成在所述管芯內(nèi)外含有碳納米管的管芯。
4.一種具有碳納米管涂層的管芯的熱管，其特征在于所述熱管包括一端連接于熱源上及與其相對的另一端封閉且在內(nèi)部填充工作液體的中空形狀的管體；所述管體的內(nèi)部裝入桿狀的管芯，所述管芯內(nèi)含碳納米管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的內(nèi)含碳納米管的管芯的熱管，其特征在于，所述管芯包括棒狀的壓縮多孔天然纖維；圍繞所述多孔天然纖維的外周形成的不織布，所述多孔天然纖維和所述不織布里含有碳納米管。
6.根據(jù)權(quán)利要求4及5所述的內(nèi)含碳納米管的管芯的熱管，其特征在于，所述管芯的直徑小于所述管體的內(nèi)徑，且所述管芯并未固定于管體內(nèi)，并在重力的作用下所述管芯位于所述管體內(nèi)的底部。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的內(nèi)含碳納米管的管芯的熱管，其特征在于，所述工作液體的量為所述管芯最大吸收量的100 110%。
全文摘要
本發(fā)明涉及內(nèi)含碳納米管的管芯及熱管，尤其是涉及通過改善熱管內(nèi)的管芯構(gòu)造，以增加工作液體的循環(huán)效率及熱傳導率，從而提高熱管功能的內(nèi)含碳納米管的管芯及其制造方法，同時還涉及利用該制造方法的熱管。本發(fā)明的內(nèi)含碳納米管的管芯(wick)裝入熱管管體的內(nèi)部,其特征在于，所述管芯內(nèi)含碳納米管。
文檔編號F28F1/00GK102721313SQ201110078578
公開日2012年10月10日 申請日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)明者鄭春植 申請人:青島立德熱能設(shè)備有限公司