专利名称：以水基碳纳米管悬浮液为工质的两相闭式热虹吸管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种两相闭式热虹吸管，具体涉及一种以水基碳纳米管悬浮液为工质的两相闭式热虹吸管。属于热交换技术和电子元器件冷却技术领域。
背景技术：
两相闭式热虹吸管是一种高效传热元件，在当今能源领域以及电力电子热管领域应用广泛。热虹吸管结构简单，制造加工方便，生产成本低廉，容易实现工业化。热虹吸管通过内部工质的相变换热实现热量的传递，因此传热速率快，效率高，热阻小。但热虹吸管的传热能力仍然受到一定的限制，存在沸腾极限，携带极限，干涸极限等，上述各种极限的最小值决定了热虹吸管的传热能力。
针对两相闭式热虹吸管传热极限的限制，国内外许多研究人员根据热虹吸管的工作特点提出了许多提高热虹吸管传热能力的具体措施。
热虹吸管的蒸发段内同心放置开孔抑泡管。
在热虹吸管冷凝段内设置溢流同心导管。
槽道内壁面热虹吸管内壁加工成轴向槽道表面。
内置热管在热虹吸管蒸发段内插入同心的热虹吸管。
内置分流管在热虹吸管内插入一根同轴多孔管——流动分离器(分流管)。
上述方法都是在结构上改进热虹吸管的工作性能。如果在热管循环工质中加入各类金属或金属氧化物纳米颗粒，可以改变循环工质的结构和物性，增强内部能量的传递过程、增大纳米流体的换热系数，使加热器温度场更加均匀，换热功率更大。因此，纳米流体(纳米粒子悬浮液)作为一种新型的强化传热工质有着广阔的应用前景。
碳纳米管悬浮液是一种新型的纳米流体，和传统的纳米流体相比有一些独特的优点。最大的特点是碳纳米管本身的导热系数非常大，达到3000w/m.k的数量级。因此碳纳米管悬浮液有比一般纳米流体更好的换热性能，其强化传热特性已为许多基础研究所证实。
至今尚没有人提出采用碳纳米管悬浮液作为热虹吸管内的工质来强化热管换热性能。使用碳纳米管悬浮液作为工质的热管在电子、微电子设备冷却等领域方面具有独特的发展潜力，具有广阔的应用前景，也将会产生重要的经济效益和社会效益。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种以水基碳纳米管悬浮液为工质的两相闭式热虹吸管，提高换热性能，降低工作倾角，而且生产工艺简单，设备投资少，容易实现工业化。
为实现这一目的，本发明采用一种新型的换热冷却工质——碳纳米管悬浮液作为两相闭式热虹吸管的工质，来强化热虹吸管的换热性能。悬浮液具有比其基液大得多的有效导热系数，在低压条件下可以有效地提高热管换热特性。
本发明的两相闭式热虹吸热管采用紫铜管加工而成，可分为三个部分，蒸发段，绝热段和冷凝段，蒸发段采用电加热器加热，绝热段外套特氟隆棒保温，冷凝段管内壁加工成轴向槽道表面，尺寸无特定限制，冷凝段外焊接冷却水套，用冷却水冲刷进行冷却。蒸发段内部注入的工质为碳纳米管悬浮液，最佳充液率为蒸发段容积的40-60％，在此范围内，充液量对换热特性基本无影响。所述碳纳米管悬浮液为去离子水与碳纳米管的混合液，悬浮液中碳纳米管的质量浓度为1-2.5％，最佳浓度为2％。
本发明所述的碳纳米管一般可以使用任意的碳纳米管，包括单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)。
本发明的两相闭式热虹吸管运行时，先在低热负荷工况下运行数分钟，使沉降在热管蒸发段底部的碳纳米管重新悬浮，即可正常运行。
使用时，把需要散热的元器件贴附在热管的下端，依靠热虹吸管蒸发段内部的工质蒸发传热，将需要散热的元件的热量经绝热段传递到冷凝段的冷却水中。冷凝段的管内壁的微槽道结构，可以增加传热面，起到强化换热的效果。
本发明利用碳纳米管悬浮液强化热管传热特性，碳纳米管悬浮液浓度对两相闭式热虹吸管的换热特性有明显的影响，在质量浓度为1-2.5％的范围内均可取得强化效果。
压力对使用多壁碳纳米管悬浮液的两相闭式热虹吸管的换热强化率有明显的影响。压力越小，采用悬浮液后的换热强化效果越好。本实验验证范围为7.45kPa到19.97kPa。本发明的强化型热管在低压下(热管运行温度低于80度)使用效果更好。压力由调节冷凝水流量控制。
本发明中的以碳纳米管悬浮液为工质的两相闭式热虹吸管，同之前的以纯水为工质的热管相比，蒸发段换热系数最大可提高1.5倍，而最大散热功率可提高1.2倍。热管的总热阻可降低一半。同时不仅换热性能提高，热管倾斜角也可以大为降低，热管倾斜角达到水平15度后换热性能依然良好。
图1为两相闭式热虹吸管结构图。
图1中，1为冷凝段，2为冷却水套，3为绝热段，4为特氟隆棒，5为碳纳米管悬浮液，6为加热热源，7为蒸发段。
图2为冷凝段管内壁的微槽道结构示意图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例中的参数不构成对本发明的限定。
在本发明的一个实施例中，两相闭式热虹吸管的结构如图1所示，整个热管采用紫铜管加工而成，紫铜管外径8mm，壁厚1mm，总长度为350mm，蒸发段7的长度100mm，绝热段3的长度100mm，冷凝段1的长度150mm。热管尺寸可任意设计。蒸发段7采用电加热器加热，绝热段3外套特氟隆棒4保温，冷凝段1的管内壁加工有均匀排布的轴向微槽道，尺寸无特定限制。建议使用槽深0.8mm，槽宽0.5mm的微槽道，冷凝段1外围焊接冷却水套2，用冷却水冲刷进行冷却，冷却水从水套下部进入，上部流出。蒸发段7内部注入的工质为碳纳米管悬浮液5，最佳充液率为蒸发段容积的40-60％，在此范围内，充液量对换热特性基本无影响，6为电加热器产生的热源。
本发明所述的碳纳米管悬浮液为去离子水与碳纳米管的混合液，悬浮液中碳纳米管的质量浓度为1-2.5％。
本发明所述的碳纳米管一般可以使用任意的碳纳米管，建议使用如下的多壁碳纳米管(MWNT)深圳纳米巷科技有限公司的产品，型号L-MWNT-1020。物性参数如下线径10-20nm，长度5-15μm，纯度95-98％，表面积40～300m2/g。
本发明冷凝段1管内壁中微槽道的局部放大结构如图2所示，冷凝段内壁表面均匀密布有矩形截面形状的微槽道，每个微槽道槽宽0.5mm，槽深0.8mm，用线切割加工而成。
本发明的两相闭式热虹吸管运行时，先在低热负荷工况下运行数分钟，使沉降在热管蒸发段7底部的碳纳米管重新悬浮，即可正常运行。
本发明采用不同质量浓度的碳纳米管悬浮液为工质的实施例的数据如表1所示表1
表1数据表明，本发明的两相闭式热虹吸管与现有的以纯水为工质的热虹吸管相比，能够十分显著的提高换热特性，降低热管热阻，增加散热功率。在同样压力下，2％为最佳质量浓度，能得到最大的强化效果。同样浓度条件下，压力越低，热管所起到的强化效果越明显。在压力范围为7.2kPa～19.97kPa之间、碳纳米管质量浓度为2％时，和传统的以水为工质的热管相比，蒸发段换热系数最大可提高到1.5倍，而最大散热功率可提高1.2倍。热管的总热阻可降低一半左右。
权利要求
1.一种以水基碳纳米管悬浮液为工质的两相闭式热虹吸管，包括蒸发段，绝热段和冷凝段，其特征在于所述蒸发段内部注入的工质为碳纳米管悬浮液，充液率为蒸发段容积的40-60％；所述碳纳米管悬浮液为去离子水与碳纳米管的混合液，悬浮液中碳纳米管的质量浓度为1-2.5％。
2.根据权利要求1的以水基碳纳米管悬浮液为工质的两相闭式热虹吸管，其特征在于所述碳纳米管为线径10-20nm、长度5-15μm的多壁碳纳米管。
全文摘要
本发明涉及一种以水基碳纳米管悬浮液为工质的两相闭式热虹吸管，由蒸发段，绝热段和冷凝段三部分组成。冷凝段管内壁均匀排布轴向微槽道以增加传热面面积，蒸发段内部注入的工质为碳纳米管悬浮液，充液率为蒸发段容积的40－60％；所述碳纳米管悬浮液为去离子水与碳纳米管的混合液，悬浮液中碳纳米管的质量浓度为1－2.5％。使用时，把需要散热的元器件贴附在热管的下端，依靠热虹吸管蒸发段内部的工质蒸发传热，将需要散热的元件的热量传递到冷凝段的冷却水中。本发明使用水基碳纳米管悬浮液为工质，不仅换热性能提高，热管总热阻降低，热管倾斜角也可以大为降低，热管倾斜角达到水平15度后换热性能依然良好。
文档编号C09K5/00GK101078600SQ20071004343
公开日2007年11月28日 申请日期2007年7月5日 优先权日2007年7月5日
发明者刘振华, 郭广亮, 廖亮, 吕伦春 申请人:上海交通大学