一种应用于环路热管的泡沫金属-纤维复合毛细芯的制作方法

本实用新型涉及多孔介质相变与流动技术领域，更具体地说，涉及一种应用于环路热管的泡沫金属-纤维复合毛细芯，可用于电子设备冷却及航空热控等领域。

背景技术：

环路热管(LoopHeatPipe，简称LHP)是一种利用工质相变传递热量的高效被动传热装置，具有无运动部件、传热性能好、传输距离长等优点。环路热管是由蒸发器、蒸发管路、冷凝器、液体管道和补偿腔组成的一种分离式热管。在蒸发器处布置毛细芯，为系统提供动力和相变换热场所。环路热管系统工作过程如附图1所示：散热部件与蒸发器5贴合后，热量通过蒸发器5壁面导入毛细芯10内部，毛细芯10受热后内部工质发生相变，并形成相变界面，蒸汽通过蒸汽管道6进入冷凝器7冷凝成过冷液体，过冷液体经液体管道8回流至补偿腔9，补偿腔9内的液体不断补充毛细芯10内蒸发的液体，这一蒸发-冷凝循环过程将散热部件的热量不断传递至外界。

环路热管系统运行时，相变发生在毛细芯内，同时毛细芯为系统提供毛细抽吸力，也是整个系统唯一动力来源。目前常用的毛细芯主要有单一金属粉末烧结毛细芯，以及在此基础上加入填充剂烧结成双孔径毛细芯，小孔可以增大毛细芯的抽吸力，大孔减小工质流动阻力，有利于蒸汽的脱离和液体的及时补偿，但是这种优势随着填充剂加到一定量后将消失。金属粉末烧结毛细芯常用冷压成型烧结的方法制备，粉末混合后加压，导致毛细芯内部松装孔隙被挤压，挤压的孔隙烧结后形成闭孔或半开孔，使孔道减少，孔隙率降低；若松装烧结，毛细芯内部粉末不易粘结，机械强度较低。

为了加强毛细芯内部工质相变，目前毛细芯常用导热系数较高的金属材料，毛细芯有效导热系数增大，在系统运行时，背向漏热量较大，补偿腔温度升高，系统运行温度升高，同时增加了系统运行的波动性。补偿腔内液体温度升高后发生相变，内部压力增大，系统运行阻力增大。系统运行时随着热负荷增加，工质蒸发速率逐渐增加，工质补充不及时导致相变界面向内部迁移，蒸汽层厚度将增加，毛细芯热阻增大影响系统运行稳定性。为此，设计一种蒸发率高、有效导热系数低且能够稳定蒸发界面的性能优良毛细芯，是目前急需解决的问题。

经检索，关于环路热管的毛细芯设计已有专利公开，如中国专利申请号：2004101030689，申请日：2004年12月30日，发明创造名称为：两相毛细泵环路复合毛细芯及其制备方法，该申请案公开了一种两相毛细泵环路复合毛细芯及其制备方法，复合毛细芯包括一大孔径的内芯，内芯外侧设置小孔径外芯，该申请案的复合结构毛细芯的渗透率有所增加，可研制高效CPL；又如中国专利申请号：2016102861131，申请日：2016年4月28日，发明创造名称为：一种应用于环路热管系统的粉末微纤维复合多孔毛细芯，该毛细芯采用金属粉末和微纤维混合烧结，金属粉末之间通过微纤维连接，实现粉末间微纤维形成的小孔径以及颗粒粉末间形成的大孔径的双孔径多孔介质结构；该毛细芯独特的结构赋予其具有高毛细抽吸力、低流动阻力、高表面蒸发率和低有效热导率的流动传热特性；将其应用于环路热管系统，可以强化内部的传热传质，稳定工质的蒸发相变界面，减小向补偿腔的漏热，消除或削弱系统运行的温度波动，从而提高环路热管的运行性能。以上申请案均对环路热管毛细芯结构做出了优化设计，有助于提高整体运行性能，但其仍有进一步提升的空间。

技术实现要素：

1.实用新型要解决的技术问题

本实用新型的目的在于克服现有技术中毛细芯结构性能不佳、影响环路热管运行稳定性的不足，提供了一种应用于环路热管的泡沫金属-纤维复合毛细芯，能够充分利用毛细芯内部的孔隙，降低毛细芯的厚度与质量，以泡沫金属为骨架，毛细芯机械强度高且有一定的柔性；在环路热管系统运行时，毛细芯具有较高的表面传热系数，整体有效导热系数较低，保证散热的同时减少背向漏热；在结构方面，毛细芯孔隙较多且孔隙率较大，纤维间形成的小孔使毛细芯有足够的毛细抽吸力，同时为相变界面提供附着面，起到稳定相变界面的作用，泡沫金属骨架形成的大孔径，降低工质流动的阻力，使用时还能够有效减小系统尺寸，增强适用性，进一步提升环路热管的性能；在制备方面，泡沫金属通过机械加工完成，可根据毛细芯所需形状及尺寸制作泡沫金属，烧结不易变形，尺寸和形状可控。

2.技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

本实用新型的一种应用于环路热管系统的泡沫金属-纤维复合毛细芯，该毛细芯为双孔径多孔介质结构，包括：纤维、泡沫金属骨架、纤维孔隙以及泡沫金属骨架孔隙；纤维分布于泡沫金属骨架内部，在纤维间形成小孔径的纤维孔隙，在泡沫金属骨架间形成大孔径的泡沫金属骨架孔隙。

更进一步地，泡沫金属骨架采用热导率超过100W/mK的泡沫金属材料。

更进一步地，泡沫金属骨架采用孔径为50-150um的泡沫金属材料。

更进一步地，纤维采用长径比为5-10，长度10-40um的金属材料。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本实用新型的一种应用于环路热管系统的泡沫金属-纤维复合毛细芯，具有优良的传热传质能力：具体地，具有泡沫金属骨架的大孔径孔隙，又有纤维间形成的小孔径孔隙；工质在毛细芯内部单相流动时，主要在泡沫金属骨架内进行，单相流动阻力较低；纤维为蒸发相变界面提供附着面，且纤维间形成的小孔径孔隙大大增加了毛细芯的毛细抽吸力；在传热方面，以纤维改造泡沫金属骨架制备，大大减小了毛细芯内部半开孔闭孔，所得到毛细芯孔隙率利用率高；同时增强了毛细芯的润湿性，加大了与工质接触面积；纤维结构强化传热，增强了相变界面的蒸发。因此本实用新型的泡沫金属-纤维复合毛细芯是一种高渗透率、高抽吸性、高表面蒸发性的高性能毛细芯。

(2)本实用新型的一种应用于环路热管系统的泡沫金属-纤维复合毛细芯，适用性强，孔隙率高，孔隙利用率大：具体地，以泡沫金属为骨架，泡沫金属可通过机械加工完成，可根据毛细芯所需形状及尺寸制作泡沫金属，烧结不易变形，尺寸和形状可控；可根据所需孔隙率，推算加入纤维量。泡沫金属骨架为支撑，制备出的毛细芯机械强度较高，同时具有一定的柔性，更加适用于环路热管。泡沫金属本身质量轻、孔隙率高，加入一些纤维对其自身具有的大孔进行改造，充分利用泡沫金属内部孔隙，得到可在同一空间内同时存在大孔和小孔的双孔径结构毛细芯。因此本实用新型的毛细芯是一种适用性强、轻质、孔隙利用率大的双孔径毛细芯。

(3)本实用新型的一种应用于环路热管系统的泡沫金属-纤维复合毛细芯，传热面积小，热导率较低，稳定环路热管运行温度：具体地，纤维与泡沫金属骨架接触面积小，烧结后形成的烧结颈小，大大增大了毛细芯的比表面积，增加与工质的换热面积；减小了传热面积，降低毛细芯有效导热系数。加载到蒸发器的热量被毛细芯吸收，传至相变界面，热量被毛细芯内工质发生相变带走；毛细芯有效导热系数较低，减小了背向漏热使补偿腔内的工质温度较低，降低环路热管运行温度，同时减小补偿腔内因气泡生成、破灭带来压力和温度波动。

(4)本实用新型的一种应用于环路热管系统的泡沫金属-纤维复合毛细芯，有助于加快环路热管启动，稳定相变界面：具体地，泡沫金属选择高导热率的金属材料，毛细芯表面传热系数高，热量传导至毛细芯工质较快吸收蒸发；泡沫金属骨架大大降低了蒸汽逃离的阻力，稳定相变界面；毛细芯整体有效导热系数小，背向漏热较小，热量对补偿腔的温度影响较小，内部压力上升较慢，整个系统很快建立启动运行的压差，加快了系统的启动运行。纤维附着在泡沫金属骨架，为相变界面提供更多的附着面，形成更多的蒸发弯液面，工质蒸发相变得到强化，同时减小弯液面的曲率半径，增强了界面的稳定性。

附图说明

图1为现有技术中环路热管的结构示意图；

图2为本实用新型的一种应用于环路热管的泡沫金属-纤维复合毛细芯的结构示意图；

图3为本实用新型中泡沫金属骨架与填充纤维的泡沫金属骨架相变界面比较示意图，其中(a)为金属骨架相变界面示意图，(b)为填充纤维的金属骨架相变界面示意图。

示意图标号说明：1、纤维；2、泡沫金属骨架；3、纤维孔隙；4、泡沫金属骨架孔隙；5、蒸发器；6、蒸汽管路；7、冷凝器；8、液体管路；9、补偿腔；10、毛细芯；11、泡沫金属骨架相变弯液面；12、填充纤维的泡沫金属相变弯液面。

具体实施方式

为进一步了解本实用新型的内容，结合附图对本实用新型作详细描述。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合实施例对本实用新型作进一步的描述。

实施例1

如图2和图3所示，本实施例的一种应用于环路热管系统的泡沫金属-纤维复合毛细芯，该毛细芯为双孔径多孔介质结构，包括：纤维1、泡沫金属骨架2、纤维孔隙3以及泡沫金属骨架孔隙4；其中纤维1分布于泡沫金属骨架2内部，纤维1对泡沫金属骨架2进行改造，在纤维1间形成小孔径的纤维孔隙3，在泡沫金属骨架2间形成大孔径的泡沫金属骨架孔隙4，即泡沫金属骨架2自身具有大孔径的孔隙，纤维孔隙3存在于泡沫金属骨架孔隙4内部，使毛细芯一个空间内同时表现出大孔径和小孔径共有的工质流动特性，即小孔可以增大毛细芯的抽吸力，大孔减少工质流动阻力。

本实施例中泡沫金属骨架2采用热导率超过100W/mK的泡沫金属材料制成，如泡沫铜、泡沫铝及泡沫银等，泡沫金属的孔径为50um，纤维1则采用长径比为5，长度10um的金属材料；通过泡沫金属与纤维1的配合形成一种适用性强、轻质、高孔隙率、高渗透率、高抽吸性、高表面蒸发率和低有效导热系数的高性能毛细芯，泡沫金属构成毛细芯的骨架，自身具有大孔径孔隙，泡沫金属质量轻、孔隙率高、机械强度高，并且具有一定的柔性；纤维1 对泡沫金属骨架2内大孔进行改造，充分利用毛细芯内部的孔隙，降低毛细芯的厚度与质量，使得毛细芯具有一定的柔性，增强了毛细芯的适用性；其次，毛细芯以泡沫金属为骨架，在制备时不需加压，避免了因加压导致粉末接触较多而生成闭孔和半开孔的风险，同时可根据毛细芯所需抽吸力与孔隙率大小选择纤维1的尺寸与填充量。

本实施例的一种应用于环路热管系统的泡沫金属-纤维复合毛细芯的加工方法，包括如下步骤：

步骤一、准备纤维原料和泡沫金属原料，将泡沫金属置于烧结模具中，将纤维原料与填充剂均匀混合形成粉末，然后将混合后的粉末均匀放入泡沫金属，使混合后的粉末填满泡沫金属孔隙；

具体地，准备孔径为50um的泡沫金属和长径比为5、长度为10um的纤维金属材料，将纤维金属与填充剂均匀混合，填充剂采用NaCl，其中纤维金属原料与填充剂的固体体积比为 1：0.6；泡沫金属原料与纤维金属原料的固体体积比为1：1；通过填充剂来调节毛细芯孔隙率及孔隙率大小，混合后的粉末由于纤维1的长度小于泡沫金属的孔隙孔径，纤维1会填充其孔隙，完全填充后，将模具放入超声波中20-40min(具体本实施例中为30min)使粉末分布均匀；本实施例中各原料的精确配比至关重要，通过严格控制原料配比，使纤维1充分填充，既避免了因纤维1填充过多导致毛细芯孔隙率减小、热导率增大、流动阻力增加、环路热管运行性能降低、背向漏热增大等缺陷；也避免了因纤维1填充过少导致毛细芯孔隙率过大、毛细芯孔道数量减少、毛细芯毛细抽吸力降低、相变界面弯液面数量减少、弯液面曲率半径增大、系统运行稳定性降低等缺陷，全面保障了毛细芯性能。

步骤二、将烧结模具放入真空炉中烧结30min；具体地，烧结温度为纤维原料熔点的 40-50％；更具体地，先将整个模具放入真空炉中预加热至350-400℃(具体在本实施例中为 350℃)，保温30-40min(具体在本实施例中为30min)后继续加热至纤维原料熔点的40-50％，并保温30-40min(具体在本实施例中为30min)，使纤维1之间、纤维1与泡沫金属骨架2相粘结；当温度达到纤维原料熔点的40％时，粉末接触部位开始熔合，在温度达到50％时出现粉末烧结颈现象，使毛细芯具有一定的强度，本实施例严格控制烧结温度，保障毛细芯内部结构烧结质量，保障内部孔隙数量。

步骤三、烧结结束后将毛细芯随炉冷却至100℃以下后取出脱模，并用去离子水采用超声波清洗2小时，直至填充剂被清洗干净，然后放入烘干箱在100℃温度下烘干3小时，制得毛细芯样品。

本实施例的毛细芯在系统中工作时，热量由蒸发器5加载到毛细芯10内部，工质在毛细芯10内形成气液界面，纤维1和泡沫金属骨架2为气液界面提供附着面，且纤维孔隙3孔径较小，增强了界面的稳定性，同时增大了换热面积，有利于加热工质，促进蒸发相变带走热量，减少背向漏热。如图3对比所示，图(a)中相变界面单纯附着于泡沫金属骨架2上，泡沫金属骨架孔隙4孔径较大，所能提供的毛细抽吸力以及泡沫金属骨架相变弯液面11的数量较少；图(b)中纤维1对泡沫金属骨架2内部孔径进行改造，相变界面附着于泡沫金属骨架 2和纤维1之间，形成的小孔径能够提供更大的毛细抽吸力，同时纤维1的存在为其提供更多的附着面，形成较多的填充纤维的泡沫金属相变弯液面12，增强了界面的稳定性。

本实施例中环路热管系统运行时，泡沫金属骨架2内部较大的泡沫金属骨架孔隙4有利于工质流动，发生相变的蒸汽很快脱离蒸发器5，有效降低系统阻力，增加系统稳定性；纤维1之间较小的纤维孔隙3增大了毛细芯10的抽吸力，发生相变的工质得到及时补充，相变界面稳定在一定范围内，大大降低毛细芯10相变界面向内部移动较深导致系统无法运行的风险；且该毛细芯10蒸发率较高，使得电子元件热量大部分因工质相变带走，同时该毛细芯 10有效导热系数较低，有效减少了系统背向漏热，使得系统更加稳定。

需要说明的是，本实施例中的毛细芯10具有优良的传热传质能力，具体分析如下：具有泡沫金属骨架2自身具有的大孔径孔隙，又具有纤维1间形成的小孔径孔隙，工质在毛细芯 10内部单相流动时，主要在泡沫金属骨架2内进行，单相流动阻力较低，纤维1为蒸发相变界面提供附着面，且纤维1间的小孔径孔隙大大增加了毛细芯10的毛细抽吸力；在传热方面，以纤维1改造泡沫金属骨架2，大大减小了毛细芯10内部的半开孔、闭孔，使得毛细芯10 的孔隙率、利用率较高，同时增强了毛细芯10的润湿性，加大了与工质接触面积；而纤维1 的结构又有助于强化传热，增强了相变界面的蒸发；因此，本实施例的泡沫金属-纤维复合毛细芯是高渗透率、高抽吸性、高表面蒸发性的高性能毛细芯。

其次，本实施例的泡沫金属-纤维复合毛细芯，以泡沫金属为骨架进行制备，泡沫金属可通过机械加工完成，可根据毛细芯10所需形状及尺寸机械加工制作泡沫金属，烧结不易变形，并可根据所需孔隙率计算纤维1的加入量，使得毛细芯10的孔隙率、尺寸及外形都较易控制；其次，以泡沫金属骨架2为支撑，制备出的毛细芯10机械强度较高，并具有一定柔性，更加适合环路热管；再次，泡沫金属本身质量轻、孔隙率高，加入纤维1对其自身具有的大孔隙进行改造，充分利用泡沫金属内部孔隙，最终制备出轻质、高孔隙率的双孔径毛细芯。

再次，本实施例的泡沫金属-纤维复合毛细芯，还具有传热面积小、热导率较低等性能，能稳定环路热管运行温度。具体地，许多学者对环路热管温度波动作了大量研究，认为补偿腔内的压力和温度波动是系统运行温度波动的主要因素；本实施例的泡沫金属-纤维复合毛细芯，纤维1与泡沫金属骨架2接触面积小，烧结后形成的烧结颈小，大大增加了毛细芯10的比表面积，增加与工质的换热面积；同时减小了传热面积，降低了毛细芯10有效导热系数。加载到蒸发器5的热量被毛细芯10吸收，传至相变界面，热量被毛细芯10内工质发生相变带走；毛细芯10有效导热系数的降低，减小了背向漏热使补偿腔9内的工质温度较低，从而降低环路热管运行温度，同时减小补偿腔9内因气泡生成、破灭带来压力和温度波动。

最后，本实施例的泡沫金属-纤维复合毛细芯，还有助于加快环路热管启动，稳定相变界面。具体地，泡沫金属采用高导热率的金属材料，毛细芯10表面传热系数高，热量传至毛细芯10较快吸收蒸发；泡沫金属骨架2大大降低了蒸汽逃离的阻力，稳定相变界面；毛细芯 10整体有效导热系数较小，背向漏热较小，热量对补偿腔9的温度影响较小，内部压力上升较慢，整个系统很快建立启动运行的压差，加快了系统的启动运行；纤维1附着在泡沫金属骨架2上，为相变界面提供更多的附着面，形成更多的蒸发弯液面，工质蒸发相变得到强化，同时减小弯液面的曲率半径，增强了界面的稳定性。

实施例2

本实施例的一种应用于环路热管系统的泡沫金属-纤维复合毛细芯，基本结构同实施例1，所不同的是，本实施例中泡沫金属骨架采用孔径为150um的泡沫金属材料，纤维采用长径比为10，长度为40um的金属材料。

本实施例的一种应用于环路热管系统的泡沫金属-纤维复合毛细芯的加工方法，基本同实施例1，所不同的是：

步骤一中填充剂为Na2CO3，选择孔径为150um的泡沫金属材料，以及长径比为10，长度为40um的纤维金属材料，纤维原料与填充剂的固体体积比为1：1，泡沫金属与纤维原料的固体体积比为1：3；模具中的泡沫金属孔隙被填充后，将模具放入超声波中20min使混合粉末均匀分布；

步骤二中将烧结模具放入真空炉中烧结50min，具体地，先将整个模具放入真空炉中预加热至400℃，保温40min后继续加热至纤维原料熔点的40-50％，并保温40min；

步骤三中采用超声波清洗3小时，并在110℃温度下烘干5小时。

实施例3

本实施例的一种应用于环路热管系统的泡沫金属-纤维复合毛细芯，基本结构同实施例1，所不同的是，本实施例中泡沫金属骨架采用孔径为100um的泡沫金属材料，纤维采用长径比为8，长度为30um的金属材料。

本实施例的一种应用于环路热管系统的泡沫金属-纤维复合毛细芯的加工方法，基本同实施例1，所不同的是：

步骤一中填充剂为尿素，选择孔径为100um的泡沫金属材料，以及长径比为8，长度为 30um的纤维金属材料，纤维原料与填充剂的固体体积比为1：0.8，泡沫金属与纤维原料的固体体积比为1：2；模具中的泡沫金属孔隙被填充后，将模具放入超声波中40min使混合粉末均匀分布；

步骤二中将烧结模具放入真空炉中烧结40min，具体地，先将整个模具放入真空炉中预加热至360℃，保温35min后继续加热至纤维原料熔点的40-50％，并保温35min；

步骤三中采用超声波清洗2.5小时，并在90℃温度下烘干4小时。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。