管芯自適應熱管的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種管芯自適應熱管。該管芯自適應熱管包括：管殼，呈中空結構；筒狀管芯，位于管殼內，貼合于管殼的內壁，為由多層絲網卷繞層疊形成的毛細多孔結構，工作液體填充于該毛細多孔結構的網孔中，在該筒狀管芯的內側形成供汽態的工作液體流通的通道；其中，所述絲網采用形狀記憶合金材料加工制備，經過訓練，在相變溫度以上時其網孔尺寸大于在相變溫度以下時其網孔尺寸。本實用新型的熱管能夠自適應高熱流密度和低熱流密度的情況。
【專利說明】管芯自適應熱管
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及散熱器件【技術領域】，尤其涉及一種管芯自適應熱管。
【背景技術】
[0002]熱管是一種具有很高傳熱性能的元件，已經被廣泛應用于電力電子、航空航天等領域，擔負高效快速傳熱的角色。
[0003]圖1為熱管的剖面示意圖。請參照圖1，熱管是由管殼100、管芯200和工作液體組成。熱管的一端為蒸發段，另一端為冷凝段，蒸發段和冷凝段之間的部分為輸送段。
[0004]目前，管芯200普遍采用毛細多孔材料的多層網芯。該多層網芯采用銅、不銹鋼等材料制備，一般為2?4層或者更多，層與層之間緊密貼合，并且其最外側一層與管殼100的內壁也盡量貼合良好，從而形成較大的毛細抽吸力。
[0005]在熱管制備過程中，將管芯200伸入管殼100中，管殼內的空氣排出，工作液體填充于管芯的毛細多孔材料的微孔中，管殼的兩端密封。
[0006]在熱管工作過程中，當蒸發段受熱時，毛細多孔材料中的工作液體蒸發，蒸汽流向冷凝段；在冷凝段凝結成液體，液體在毛細多孔材料中靠毛細力的作用流回蒸發段，如此反復循環，熱量由熱管的蒸發段傳至冷凝段。當熱流密度較小時，主要通過管芯表面的液膜蒸發，帶走發熱體的熱量，如圖2A所示。當熱流密度增加時，工作液體發生沸騰，在管殼內壁的受熱面上產生汽泡，汽泡不斷上升，在管芯中形成通道，連續上升到液面上并進入蒸汽空間，如圖2B所示。
[0007]由此可見，熱管內工作液體的相變可能是表面蒸發，也可能是液體內部沸騰，如果形成的汽泡不能順利的通過管芯運動到液體表面，蒸發段管芯內的蒸汽壓會過度增高，阻礙液體的回流，就可能產生壁面過熱，以致破壞熱管的正常工作。
[0008]對于采用多層網芯的熱管而言，由于管芯為多層，液體流通截面積大，阻力小，但徑向熱阻大，可以通過采用網孔較小的細網，增加毛細抽吸力，從而形成更多的蒸發薄液膜區域，提高換熱強度。但是這種設計方案在較高的熱流密度條件下不利于蒸汽的溢出，容易導致蒸發段的干涸，而使熱管失效。如果網芯采用網孔較大的粗網，雖然在高熱流密度條件下，蒸汽的溢出相對容易，但是在蒸發起主導作用的較低的熱流密度條件下，管芯形成的毛細力較小，不利于液膜的形成，回流的液體積聚，形成液泛現象，不利于蒸汽從管芯表面的蒸發。
實用新型內容
[0009](一 )要解決的技術問題
[0010]鑒于上述技術問題，本實用新型提供了一種管芯自適應熱管，以使熱管能夠自適應高熱流密度和低熱流密度的情況。
[0011](二)技術方案
[0012]本實用新型管芯自適應熱管包括:管殼，呈中空結構；筒狀管芯，位于管殼內，貼合于管殼的內壁，為由多層絲網卷繞層疊形成的毛細多孔結構，工作液體填充于該毛細多孔結構的網孔中，在該筒狀管芯的內側形成供汽態的工作液體流通的空間；其中，絲網采用形狀記憶合金材料加工制備，經過訓練，在相變溫度以上時其網孔尺寸大于在相變溫度以下時其網孔尺寸。
[0013]優選地，本實用新型管芯自適應熱管中，在相變溫度以上時，絲網的網孔尺寸的最大值為相變溫度以下時絲網的網孔尺寸的110%?130%。
[0014]優選地，本實用新型管芯自適應熱管中，相變溫度的取值介于50°C?100°C之間。
[0015]優選地，本實用新型管芯自適應熱管中，絲網由形狀記憶合金絲編織而成或由形狀記憶合金粉末燒結鑄造而成。
[0016]優選地，本實用新型管芯自適應熱管中，絲網由形狀記憶合金絲編織而成，網孔呈正方形,在相變溫度以下時,正方形的邊長的取值介于ΙΟμ--?200μπ?之間。
[0017]優選地，本實用新型管芯自適應熱管中，形狀記憶合金材料為以下材料中的一種:鎳鈦系形狀記憶合金、鐵系形狀記憶合金、銅鎳系形狀記憶合金、銅鋁系形狀記憶合金和銅鋅系形狀記憶合金。優選地，形狀記憶合金材料為鎳鈦系形狀記憶合金。
[0018]優選地，本實用新型管芯自適應熱管中，筒狀管芯中絲網的層數為2?8層。
[0019]優選地，本實用新型管芯自適應熱管中，管殼呈長條狀中空結構，其剖面為橢圓形或長方形，其材料為銅、鋁、銀或不銹鋼。最優地，管殼的剖面為圓形，其材料為銅。
[0020]優選地，本實用新型管芯自適應熱管中，工作液體為水、乙醇、甲醇或丙酮。
[0021](三)有益效果
[0022]從上述技術方案可以看出，本實用新型熱管采用形狀記憶合金材料制備的多層管芯，組成該管芯的絲網經過訓練，其網孔尺寸可以隨溫度的變換而自動調整，從而使熱管能夠自適應高熱流密度和低熱流密度的情況。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為熱管的剖面示意圖；
[0024]圖2Α和圖2Β分別為圖1所示熱管的工作過程中蒸發段局部在熱流密度較小和較大時的放大示意圖；
[0025]圖3為根據本實用新型第一實施例管芯自適應熱管中層疊形成筒狀管芯的絲網的不意圖；
[0026]圖4Α和圖4Β為根據本實用新型第二實施例管芯自適應熱管中層疊形成筒狀管芯的絲網在25°C和80°C條件下的平面展開圖。
[0027]【主要元件】
[0028]100-管殼； 200-管芯。
【具體實施方式】
[0029]為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本實用新型進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示范，但應了解，參數無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本實用新型的保護范圍。
[0030]本實用新型是根據形狀記憶合金經過訓練后，在達到一定的溫度條件時，可改變原有形狀的記憶效應原理，而提出的一種網孔尺寸可以根據熱流密度的變化自動調節的管芯，進而制備了一種能夠自適應高熱流密度和低熱流密度情況的熱管。
[0031]在本實用新型的一個示例性實施例中，提供了一種管芯自適應熱管。同樣請參照圖1、圖2A和圖2B，該管芯自適應熱管包括:
[0032]管殼100，呈長條狀中空結構；
[0033]筒狀管芯200，位于管殼100內，貼合于管殼的內壁，為由多層絲網卷繞層疊形成的毛細多孔結構，工作液體填充于該毛細多孔結構的網孔中，在該筒狀管芯200的內側形成供汽態的工作液體流通的通道。
[0034]其中，上述絲網采用形狀記憶合金材料加工制備，經過訓練，在相變溫度以上時其網孔尺寸大于在相變溫度以下時其網孔尺寸。
[0035]以下對本實施例管芯自適應熱管的各個組成部分進行詳細說明。
[0036]本實施例中，管殼呈長條狀中空結構，其剖面呈圓形，由銅材料制備而成，但本實用新型并不以此為限。管殼的剖面還可以為長方形或橢圓形(圓形為橢圓形的一種特殊情況)等各種形狀，其還可以由鋁、銀、不銹鋼等具有較高導熱系數的金屬材料制成。
[0037]本實施例中，在蒸發段的管殼長條狀中空結構的內部，貼合管殼內壁設置多層絲網層疊形成的毛細多孔結構的筒狀網芯。一般情況下，該同軸網芯中絲網的層數為2?8層。絲網由鎳鈦系形狀記憶合金合金絲編織而成，相變溫度以下網孔尺寸w為ΙΟΟμπι，如圖3所示。
[0038]本實施例中，形狀記憶合金采用鎳鈦系形狀記憶合金，但本實用新型并不以此為限，該形狀記憶合金還可以采用鎳鈦系形狀記憶合金、鐵系形狀記憶合金、銅鎳系形狀記憶合金、銅鋁系形狀記憶合金、銅鋅系形狀記憶合金。其中，對于上述形狀記憶合金的每一種，合金中相應組分和含量均為已知的。由于本實用新型只是涉及利用形狀記憶合金來加工管芯，而未涉及形狀記憶合金材料的任何改變，此處不再對各種形狀記憶合金材料的成分進行詳細說明。
[0039]需要說明的是，對于形狀記憶合金材料而言，在其成分確定之后，其相變溫度即存在一個范圍。將該形狀記憶合金材料制成相應器件之后，就可以通過訓練，將該形狀記憶合金材料的相變點固定于上述范圍內的其中的一個溫度點，稱之為相變溫度。
[0040]本實施例中，基于鎳鈦系形狀記憶合金自身的特性，對鎳鈦系形狀記憶合金絲編織而成的絲網進行壓縮擴張訓練，使其相變溫度固定于50°C。對于該絲網而言，其具有如下性質:在50°C以下時，絲網的網孔尺寸w基本不發生變化(熱脹冷縮效應所引起的變化較小，可以忽略不計)，均為100 μ m ;在500C以上時，絲網的網孔尺寸開始逐漸增加，在100°C時，絲網的網孔尺寸達到最大值120μπι;而在100°C以上時，絲網的網孔尺寸基本上不發生變化。
[0041]此外，本實施例中的構成管狀管芯的絲網采用鎳鈦系形狀記憶合金絲編織而成，但本實用新型并不以此為限，該絲網還可以是由形狀記憶合金粉末燒結鑄造而成，此類的絲網同樣可以經過訓練而使其在不同溫度條件下具有不同的網孔尺寸。
[0042]在形成上述絲網之后，將該絲網卷繞層疊，從而形成本實施例的筒狀管芯。將該筒狀網芯置于熱管中的蒸發段，注入工作液體，就形成了本實施例的管芯自適應熱管。該工作液體可以為水、乙醇、甲醇、丙酮等。
[0043]根據所處位置的不同，熱管在長度方向上被分為:蒸發段、冷凝段和介于蒸發段和冷凝段之間的傳輸段。本實施例中，筒狀網芯僅位于熱管的蒸發段，而在本實用新型其他實施例中，由訓練后的形狀記憶合金材料的多層網芯還可以位于熱管的冷凝段和/或傳輸段，本實用新型并不對此進行限定。
[0044]對于本實施例的管芯自適應熱管，由于形狀記憶合金絲編織的絲網構成的網芯能夠隨著溫度的變化而改變，因此可以產生如下效果:
[0045](I)當溫度較低時，形狀記憶合金絲編織而成的絲網的網孔尺寸w較小，在10 μ m?200 μ m的范圍內，能夠在管芯的內部形成更大的毛細力，工作液體可在管芯的表面及內部形成更多的薄液膜區域；與之對應的是此時熱管蒸發段的熱流密度較低，蒸汽從管芯表面的蒸發起主導作用，而溫度較低的管芯，網孔的尺寸w較小，能夠在管芯的內部形成更大的毛細力。工作液體能夠在管芯的表面形成更大的表面積，減少液泛影響，有利于低熱流密度條件下，工作液體從管芯表面的蒸發，提高蒸發換熱的強度；
[0046](2)在溫度較高時，工作液體發生沸騰，在管壁受熱面上產生汽泡，汽泡不斷上升，在管芯中形成通道，連續上升到液面上并進入蒸汽空間，此時溫度較高的管芯，形狀記憶合金絲編織而成的絲網的網孔尺寸w變大，相比于相變溫度以下的網孔尺寸增加10%?30%以上，能夠在管芯內形成更大的蒸汽通道，使沸騰汽泡和蒸汽更容易從管芯的網孔中逃出，有效地解決熱管蒸發段在熱流密度較高時，工作液體的蒸汽無法及時從管芯溢出，而導致的蒸發段壓力升高，工作液體無法及時回流，蒸發段發生干涸而導致的熱管失效的問題。
[0047]在本實用新型的另一個示例性實施例中，還提出了一種管芯自適應熱管。在該管芯自適應熱管中，筒狀管芯為由多層絲網卷繞層疊形成的毛細多孔結構。絲網采用形狀記憶合金材料加工制備，經過訓練，壓縮擴張訓練，使其相變溫度固定于60°C。
[0048]圖4A和圖4B為本實用新型第二實施例管芯自適應熱管中層疊形成筒狀管芯的絲網在25°C和80°C條件下的平面展開圖。在25°C?60°C時，本實施例中管芯的絲網網孔呈正方形，其邊長W1為50 μ m，如圖4A所示。在80°C下，本實施例中管芯的絲網網孔呈正方形，其邊長W2為62μπι，如圖4Β所示。此外，在70°C和100°C時，絲網網孔的邊長分別為55 μ m和65μπι。可見，管芯的絲網網孔尺寸的確可以依據溫度的變化而產生變化。
[0049]至此，已經結合附圖對本實用新型兩實施例進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員應當對本實用新型管芯自適應熱管有了清楚的認識。
[0050]此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如:
[0051](I)絲網的層數可以根據管殼的內徑，熱效率需求的情況進行調整，而不限于上述的2?8層；
[0052](2)上述兩實施例中，采用形狀記憶合金材料加工制備的絲網在相變溫度以下的網孔尺寸分別為50μπι和ΙΟΟμπι，但本實用新型并不以此為限。在本實用新型的其他實施例中，絲網在相變溫度以下的網孔尺寸可以為介于ΙΟμπι?200μπι的范圍內的任意值；
[0053](3)上述兩實施例中，經由訓練，相變溫度分別為50°C和60°C，但本實用新型并不以此為限。在本實用新型的其他實施例中，該相變溫度可以經由訓練確定于50°C?100°C之間的任意值；
[0054](4)上述實施例中，在相變溫度以上時，絲網的網孔尺寸的最大值為原網孔尺寸(相變溫度以下時的網孔尺寸)的130%，但本實用新型并不以此為限，絲網的網孔尺寸的最大值可以為原網孔尺寸的110%?130%范圍內的任意值。
[0055]綜上所述，本實用新型采用形狀記憶合金材料的管芯，該管芯經過訓練，其網孔尺寸可以隨溫度的升高而增大，因此，采用此類管芯的熱管既可以避免稀疏網孔在小熱流密度下的液泛現象，又可以避免高密度網孔在大熱流下的蒸干現象，顯著增強了熱管的取熱能力和適應熱負荷變化的能力，擴大了工作范圍。
[0056]以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種管芯自適應熱管，其特征在于，包括: 管殼(100)，呈中空結構； 筒狀管芯(200)，位于所述管殼(100)內，貼合于所述管殼的內壁，為由多層絲網卷繞層疊形成的毛細多孔結構，工作液體填充于該毛細多孔結構的網孔中，在該筒狀管芯(200)的內側形成供汽態的工作液體流通的通道； 其中，所述絲網采用形狀記憶合金材料加工制備，經過訓練，在相變溫度以上時其網孔尺寸大于在相變溫度以下時其網孔尺寸。
2.根據權利要求1所述的管芯自適應熱管，其特征在于，在相變溫度以上時，所述絲網的網孔尺寸的最大值為相變溫度以下時絲網的網孔尺寸的110%?130%。
3.根據權利要求1所述的管芯自適應熱管，其特征在于，所述相變溫度的取值介于50°C ?100°C之間。
4.根據權利要求1所述的管芯自適應熱管，其特征在于，所述絲網由形狀記憶合金絲編織而成或由形狀記憶合金粉末燒結鑄造而成。
5.根據權利要求4所述的管芯自適應熱管，其特征在于，所述絲網由形狀記憶合金絲編織而成，網孔呈正方形，在相變溫度以下時，正方形的邊長的取值介于10 μ m?200 μ m之間。
6.根據權利要求1所述的管芯自適應熱管，其特征在于，所述形狀記憶合金材料為以下材料中的一種:鎳鈦系形狀記憶合金、鐵系形狀記憶合金、銅鎳系形狀記憶合金、銅鋁系形狀記憶合金和銅鋅系形狀記憶合金。
7.根據權利要求1所述的管芯自適應熱管，其特征在于，所述形狀記憶合金材料為鎳鈦系形狀記憶合金。
8.根據權利要求1所述的管芯自適應熱管，其特征在于，所述筒狀管芯中，絲網的層數為2?8層。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的管芯自適應熱管，其特征在于，所述管殼呈長條狀中空結構，其剖面為橢圓形或長方形，其材料為銅、鋁、銀或不銹鋼。
10.根據權利要求1至8中任一項所述的管芯自適應熱管，其特征在于，所述工作液體為水、乙醇、甲醇或丙酮。
【文檔編號】H05K7/20GK204085272SQ201420552200
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月24日 優先權日:2014年9月24日
【發明者】姜玉雁, 王濤, 姜海昌, 郭朝紅, 唐大偉, 戎利建 申請人:中國科學院工程熱物理研究所, 中國科學院金屬研究所