具有孔密度漸變的通孔金屬泡沫熱管換熱裝置制造方法
【專利摘要】一種利用剛性傳熱體【技術領域】的具有孔密度漸變的通孔金屬泡沫熱管換熱裝置，包括：熱管和泡沫燒結于熱管內(nèi)壁的通孔金屬泡沫，其中：熱管的中部外層設置有絕熱段，兩端分別置于換熱環(huán)境的冷端和熱端；通孔金屬泡沫的結構是：內(nèi)部通孔為稠密程度漸變的結構，即孔隙率相同，孔密度沿熱管壁面垂直方向逐漸增大或減??；或者孔密度相同，孔隙率沿熱管壁面垂直方向逐漸增大或減??；或者孔密度和孔隙率都相同，使用的材質按層變化。本發(fā)明增大了換熱比表面積，有利于因受熱而逐漸膨脹的流體的流動和換熱，增強了毛細力，使得該熱管在換熱效果相同的情況下?lián)Q熱效率更高，金屬耗材更少、體積更小。
【專利說明】具有孔密度漸變的通孔金屬泡沬熱管換熱裝置
本申請為申請?zhí)?201310051621.8，發(fā)明名稱:具有漸變形貌特征的通孔金屬泡沫熱管換熱裝置，申請日:2013/2/17的分案申請。

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種利用剛性傳熱體【技術領域】的裝置，具體是一種具有孔密度漸變的通孔金屬泡沫熱管換熱裝置。

【背景技術】
[0002]熱管是一種把沸騰和凝結兩種換熱方式結合在一起的傳熱元件，被廣泛應用在電子、航空航天等領域。熱管若被應用在太陽能集熱領域，可以改善我們的環(huán)境條件，推動我國節(jié)能減排工作的進度。而如何提高熱管的換熱效率是目前研究工作的重點。通孔金屬泡沫是一種新型的多孔材料，它的換熱比表面積大(2000-10000m2/m3)，相對密度較小(是固體材料的2% -12% )，具有良好的力學和換熱性能。通孔金屬泡沫由金屬骨架和蜿蜒的內(nèi)部連通通道組成。流體在通孔金屬泡沫內(nèi)部流動時，被金屬骨架擾動，又由于換熱比表面積大，流體和金屬泡沫的熱量交換很充分，而具有良好的導熱能力的金屬骨架可以將流體的熱量充分的傳遞出去，所以通孔金屬泡沫是一種性能優(yōu)異的強化換熱材料。
[0003]經(jīng)過對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN101338985，
【公開日】2009_1_7，記載了一種熱管式多孔泡沫金屬換熱器，通過在殼體中的熱管周圍填充多孔泡沫金屬的方法解決了熱管的換熱面積小的問題；中國專利文獻號CN102157468，
【公開日】2011_8_17，記載了一種大功率環(huán)路熱管散熱器及其制作方法，該熱管散熱器的蒸發(fā)器內(nèi)部固定高導熱的金屬粉末或陶瓷粉末，提供了盡可能多的蒸發(fā)面以及液體蒸發(fā)所產(chǎn)生的蒸汽出口，以達到強化蒸發(fā)換熱的目的。但上述現(xiàn)有技術主要針對結構均勻的金屬泡沫或多孔介質，并不能充分利用金屬泡沫的換熱性能，總體換熱效率相對較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種具有孔密度漸變的通孔金屬泡沫熱管換熱裝置，解決了現(xiàn)有熱管換熱效率低、耗材量多、體積大等問題。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括:熱管和泡沫燒結于熱管內(nèi)壁的通孔金屬泡沫，其中:熱管的中部外層設置有絕熱段，兩端分別置于換熱環(huán)境的冷端和熱端;
[0006]通孔金屬泡沫的結構是:內(nèi)部通孔為稠密程度漸變的結構，即孔隙率相同，孔密度沿熱管壁面垂直方向逐漸增大或減??；或者孔密度相同，孔隙率沿熱管壁面垂直方向逐漸增大或減小；或者孔密度和孔隙率都相同，使用的材質按層變化。
[0007]所述的孔密度的變化范圍為3PPI — 130PPI。
[0008]所述的孔隙率的變化范圍為0.88—0.98。
[0009]所述的材質按層變化是指按導熱系數(shù)從高到低排列的多種金屬泡沫。
[0010]所述的通孔金屬泡沫制備方法是通過熔模鑄造法，其具體步驟包括:
[0011]第一步、將孔密度變化范圍為3PP1-130PP1、孔隙率變化范圍為0.88—0.98的聚氨酯海綿按層疊加粘合成一個整體；然后將其浸入到液體耐火材料中，使耐火材料充滿其空隙；
[0012]第二步、在耐火材料硬化后加熱使聚氨酯海綿氣化分解，形成一個復制了聚氨酯海綿結構的三維骨架空間；
[0013]第三步、將金屬熔融液澆注到此鑄型內(nèi)，待金屬凝固后去除耐火材料就可形成具有漸變形貌特征的通孔金屬泡沫；
[0014]當制備材質按層變化的漸變金屬泡沫時，將各層按上述第一步至第三步制備得到的金屬泡沫通過釬焊的方法焊接在一起即得。
[0015]所述的耐火材料是指:酚醛樹脂、莫來石或石膏。
[0016]所述的金屬是指:鋁、銅、鎳或其它金屬合金。
[0017]所述的熱管為傾斜設置。
[0018]所述的熱管為圓形或橢圓形。
[0019]本發(fā)明通過在換熱壁面燒結的稠密程度逐漸變化的通孔金屬泡沫的方法提高了熱管的換熱性能，增大了換熱比表面積，有利于因受熱而逐漸膨脹的流體的流動和換熱，增強了毛細力，使得該熱管在換熱效果相同的情況下?lián)Q熱效率更高，金屬耗材更少、體積更小。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明結構示意圖；
[0021]圖2為實施例1的結構示意圖；
[0022]圖3為實施例3的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0023]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0024]如圖1所示，本申請包括:熱管I和泡沫燒結于熱管I內(nèi)壁的通孔金屬泡沫2，其中:熱管I的中部外層設置有絕熱段3，兩端分別置于換熱環(huán)境的冷端和熱端；
[0025]通孔金屬泡沫2的結構是:內(nèi)部通孔為稠密程度漸變的結構，即孔隙率相同，孔密度沿熱管I壁面垂直方向逐漸增大或減??；或者孔密度相同，孔隙率沿熱管I壁面垂直方向逐漸增大或減??；或者孔密度和孔隙率都相同，使用的材質按層變化。
[0026]所述的孔密度的變化范圍為3PPI — 130PPI。
[0027]所述的孔隙率的變化范圍為0.88—0.98。
[0028]所述的材質按層變化是指按導熱系數(shù)從高到低排列的多種金屬泡沫。
[0029]所述的通孔金屬泡沫2制備方法是通過熔模鑄造法，其具體步驟包括:
[0030]第一步、將孔密度變化范圍為3PP1-130PP1、孔隙率變化范圍為0.88—0.98的聚氨酯海綿按層疊加粘合成一個整體；然后將其浸入到液體耐火材料中，使耐火材料充滿其空隙；
[0031]第二步、在耐火材料硬化后加熱使聚氨酯海綿氣化分解，形成一個復制了聚氨酯海綿結構的三維骨架空間；
[0032]第三步、將金屬熔融液澆注到此鑄型內(nèi)，待金屬凝固后去除耐火材料就可形成具有漸變形貌特征的通孔金屬泡沫2 ；
[0033]當制備材質按層變化的漸變金屬泡沫時，將各層按上述第一步至第三步制備得到的金屬泡沫通過釬焊的方法焊接在一起即得。
[0034]所述的耐火材料是指:酚醛樹脂、莫來石或石膏。
[0035]所述的金屬是指:鋁、銅、鎳或其它金屬合金。
[0036]如圖1所示的換熱裝置中，通孔金屬泡沫2稠密度的變化是中間疏，靠近熱管I兩個內(nèi)壁越稠密。這樣可以合理的利用通孔金屬泡沫2和流體的換熱遞變性能，為受熱膨脹的流體提供合適的流動空間。在熱管I的熱端，可以有更多的液體蒸發(fā)；在冷端，則有更多的蒸汽凝結成液體。由于靠近壁面通孔金屬泡沫2非常稠密，毛細力很強，冷凝的液體能快速補充到熱端，從而可以大大的增強換熱。
實施例1
[0037]如圖2所示，本實施例的通孔金屬泡沫2為5層泡沫:第一通孔銅泡沫層4、第二通孔銅泡沫層5、第三通孔銅泡沫層6、第四通孔銅泡沫層7和第五通孔銅泡沫層8。
[0038]第一通孔銅泡沫層4孔密度為40PPI ;第二通孔銅泡沫層5孔密度為30PPI ;第三通孔銅泡沫層6孔密度為20PPI ;第四通孔銅泡沫層7孔密度為10PPI ;第五通孔銅泡沫層8孔密度為5PPI。
[0039]熔模鑄造法具體步驟:
[0040]第一步、將孔密度分別為40PP1、30PP1、20PP1、10PPI和5PPI的聚氨酯海綿按層疊加粘合成一個整體；然后將其浸入到液體耐火材料中，使耐火材料充滿其空隙；
[0041]第二步、在耐火材料硬化后加熱使聚氨酯海綿氣化分解，形成一個復制了聚氨酯海綿結構的三維骨架空間；
[0042]第三步、將銅金屬熔融液澆注到此鑄型內(nèi)，待金屬凝固后去除耐火材料就可形成具有漸變形貌特征的通孔金屬泡沫2 ；
[0043]所述的耐火材料是指:酚醛樹脂、莫來石或石膏。
實施例2
[0044]所述的熱管I為傾斜設置?？拷鼰峁躀的通孔金屬泡沫2的孔密度可選擇最高孔密度130PPI，沿壁面垂直向內(nèi)的孔密度變化梯度相對要大一些孔隙率選擇較低的0.88，材質選擇導熱系數(shù)較高的金屬，如純銅，黃銅等，這樣，在熱端，靠近熱管I的通孔金屬泡沫2稠密，汽化核心多，加之稠密程度變化梯度大，更有利于氣體向熱管I中部快速集中上升到冷端；在冷端，更多的蒸汽可以通過靠近熱管I壁的稠密的金屬骨架被外界帶走更多的熱量，冷凝效率更高。若熱管I換熱量小，可根據(jù)相應的降低金屬骨架稠密程度的變化梯度，也可減小熱管I的傾斜程度，減小重力對回流液體的作用。絕熱段3材料可選擇隔熱性能好的陶瓷纖維或玻璃纖維。內(nèi)部燒結有漸變金屬泡沫的傾斜熱管的換熱系數(shù)比普通熱管的高一個數(shù)量級。
實施例3
[0045]如圖3所示，所述的熱管I為圓形或橢圓形。本實施例的優(yōu)點在于，熱端和冷端的氣水交換通過兩側的圓形管進行，相比于單根管，換熱效率更高。而且本實施例冷端在正上方，熱端在正下方，冷凝后的后的回流液體在稠密金屬泡沫毛細力和重力的雙重作用下，回流速度更快。絕熱段3材料可選擇隔熱性能非常好的陶瓷纖維或玻璃纖維。內(nèi)部燒結有漸變金屬泡沫的圓形或橢圓形熱管的換熱系數(shù)比同類型普通熱管的高一個數(shù)量級。
【權利要求】
1.一種具有孔密度漸變的通孔金屬泡沫熱管換熱裝置，其特征在于，包括:熱管和泡沫燒結于熱管內(nèi)壁的通孔金屬泡沫，其中:熱管的中部外層設置有絕熱段，兩端分別置于換熱環(huán)境的冷端和熱端； 通孔金屬泡沫的結構是:內(nèi)部通孔為稠密程度漸變的結構，即孔隙率相同，孔密度沿熱管壁面垂直方向逐漸增大或減小。
2.根據(jù)權利要求1所述的換熱裝置，其特征是，所述的孔密度的變化范圍為3PPI—130PPI。
3.根據(jù)權利要求1所述的換熱裝置，其特征是，所述的孔隙率的變化范圍為0.88—0.98 ο
4.根據(jù)權利要求1所述的換熱裝置，其特征是，所述的材質按層變化是指按導熱系數(shù)從高到低排列的多種金屬泡沫。
5.根據(jù)權利要求1所述的換熱裝置，其特征是，所述的通孔金屬泡沫制備方法是通過熔模鑄造法，其具體步驟包括: 第一步、將孔密度變化范圍為3PP1-130PP1、孔隙率變化范圍為0.88—0.98的聚氨酯海綿按層疊加粘合成一個整體；然后將其浸入到液體耐火材料中，使耐火材料充滿其空隙； 第二步、在耐火材料硬化后加熱使聚氨酯海綿氣化分解，形成一個復制了聚氨酯海綿結構的三維骨架空間； 第三步、將金屬熔融液澆注到此鑄型內(nèi)，待金屬凝固后去除耐火材料就可形成具有漸變形貌特征的通孔金屬泡沫； 當制備材質按層變化的漸變金屬泡沫時，將各層按上述第一步至第三步制備得到的金屬泡沫通過釬焊的方法焊接在一起即得。
6.根據(jù)權利要求5所述的換熱裝置，其特征是，所述的耐火材料是指:酚醛樹脂、莫來石或石骨。
7.根據(jù)權利要求5所述的換熱裝置，其特征是，所述的金屬是指:鋁、銅、鎳或其它金屬I=1-Wl O
8.根據(jù)權利要求1-7任一項所述的換熱裝置，其特征是，所述的熱管為傾斜設置。
9.根據(jù)權利要求1-7任一項所述的換熱裝置，其特征是，所述的熱管為圓形或橢圓形。
【文檔編號】F28D15/04GK104266519SQ201410483506
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年2月17日 優(yōu)先權日:2013年2月17日
【發(fā)明者】徐治國, 趙長穎, 王美琴 申請人:上海交通大學