专利名称：金属铜的内外表面复合网强化传热管和传热板的制造方法
技术领域：
本发明属强化传热过程元件的制造方法。
在不同材质的金属内外表面附有多孔性或其它几何形状的覆盖层是强化传热的有效方法之一，它可以采用多种制造方法获得。
从文献报导可知，目前世界上比较普遍的制造方法多为烧结法、机械加工法、电镀法和火焰喷涂法、其特征主要是1.烧结法据美国专利USP3，384，154和USP3，607，369报导，用有机粘合剂载体将一定颗粒度的铜粉、铝粉或合金粉和低熔点金属粉粘合在处理过的铜管或铝管表面上，在510～850℃的高温下，使粘合剂分解蒸发，而金属粉粒子则与管壁烧结在一起。对于低熔点金属粉采用酸洗法溶解清除。这样，就可得到在铜管或铝管表面上形成厚度小于3毫米，孔隙率为40～60%的多孔层。但其加工工艺复杂，孔隙不规整，连通性差，能耗大，成本高，有三废污染，且在高温下容易产生退火变形。
2.机械加工法据美国专利USP3，696，861和中国专利CN87217208U，CN2047001U及日本众多专利报导，其制造方法是(1)用特殊设计的刀具在专用机床上，在铜、铝及其合金管外表面直接加工出各种形状的翅片、小孔隙及其下面是各种形状的螺旋形隧道。
(2)用轧制(滚压)法在铜、铝及其合金管外表面直接加工出具有低螺纹形翅片，低肋形翅片或各种形状的表面花纹管。
(3)用特种刀具在铜、铝及其合金管内表面拉制出V形等轴向沟槽。
机械加工法成本较低，加工简单。但对管材的原始尺寸公差要求严格，且只适用于软金属管材，制得的多孔层孔隙率仅有30～35%，并且相对其它制造方法成型的多孔层孔径大，在表面张力较小的介质中使用效果不显著。
3.电镀法据美国专利USP4，018，264和USP4，129，181报导，在电镀液中将铜粉镀到铜管外表面，形成0.4毫米厚的孔隙率为40～55%的多孔铜镀层。据日本公开特许报《昭53-138969》、《昭54-76440》和中国专利CN85102762A报导，在电解液中利用晶间和小孔腐蚀原理，将不锈钢外表面和内表面腐蚀出表面多孔层。且多孔层的孔径小，孔分布不均匀，在表面张力较大的介质中使用效果不显著。由于发生晶间腐蚀，使材料的本体强度下降。由于加工工艺复杂、加工周期长，使成本和能耗均较大，并有三废污染。
4.火焰喷涂法据西德专利DT2227747，美国专利USP3，990，862和中国专利CN85100996A报导，采用特殊的火焰喷涂枪，利用特定的火焰将不同粒度的金属粉末(如铝粉、铜粉、不锈钢粉等)和辅助造孔剂的有机高分子材料粉末或低熔点金属粉末混合物，高速地喷射到经处理的，预热的金属管外表面基体上，产生一定的化学冶金结合。然后再用火焰将多余的有机高分子材料粉末烧掉或用酸溶液将低熔点金属溶解清除，从而得到厚度为0.3～0.6毫米、孔隙率为30～45%的金属多孔涂层。
该法可以在碳钢管，铜和铝及其合金管，不锈钢管外表面覆盖上铝、铜、不锈钢等多孔金属层，加工成本有所降低。但是，在管子内表面不能制造出金属多孔层，而多孔层厚度和孔径不均，且存在环境污染，对仅有强化效果的沸腾传热也难以达到优化组合。
本发明的目的是提供一种强化传热过程，减少传热温差，提高临界热负荷并伴有节能效果的具有不同材质的金属多孔性覆盖层的(一层至五层)金属内外表面(一面亦可)复合网强化传热管和传热板的制造方法。
本发明提供的采用压焊技术制造的复合网具有网孔分布均匀，孔间相互连通，致使多孔层中的液膜均匀分布，促进了液膜界面及内部的湍流，从而达到强化传热过程的目的。
采用本发明提供的不同材质的金属内外表面(一面亦可)复合网强化传热管和传热板可用于制造结构紧凑的换热设备，膜式蒸发设备和短程蒸馏设备等。使传热过程得到强化，操作弹性大，更适于化工生产中大量存在的热敏性物料的加工。
本发明的主要特征是将金属丝网用非熔化的压焊方法与相同材质的金属内外表面(一面亦可)的金属管或金属板实现牢固地焊接。并且能保障金属丝网原有的微孔不被破坏，从而可以得到具有高孔隙率的金属多孔性覆盖层。
压焊是在温度低于焊接金属熔点(不用钎料)时，并施加一定外加载荷以使连接处产生必要的塑性变形，使焊接的表面接近到原子间结合力起作用的距离以内，从而使焊接面上的原子之间产生相互扩散(渗透)的过程，以达到产生结合力的方法。并能获得机械性能和物理化学性能优良的接头，尤其是异种金属间的焊接。
本发明的焊接过程是在带有真空系统的真空焊室内进行的。待加工的部件全部或局部处在真空中保护，利用分布在焊接面周围的电炉丝通电加热，使焊接面达到所需温度。对焊接面所施加的外加载荷是通过真空焊室外的液压系统的油缸压杆，经真空密封环后直接作用到焊接工件上的。为防止压杆因热传导而温升过高或与被焊接工件发生焊接粘连，在压杆和焊接工件之间需夹有耐高温陶瓷件，这样，在保持一段时间后金属丝网就和金属管或金属板壁压焊在一起了。根据用途和物料性质，可选用适宜材质的金属管或金属板与相同材质的金属丝网(一层至五层)焊接成所需产品，而多孔层的厚度、孔隙率和孔的结构与形状尺寸则依据不同型号(或目数20～300目)的金属丝网组合排列而成。
实现本发明的方法是一、材料1.金属管和金属板铜、镍、铝、钛、不锈钢等。
2.金属丝网铜、镍、铝、钛、不锈钢等。
二、操作参数1.温度一般为700～1300℃。同种材料的焊接温度通常为金属熔化温度的0.6～0.8，对金属铜的管或板与金属铜的丝网压焊时的温度为800～850℃。上述温度的下限是焊接材料的再结晶温度和原子间扩散的激活温度，上述温度的上限是焊接材料的晶粒开始急剧地增大的温度和使材料软化的温度。
2.压力焊接压力随着被焊接材料的种类不同而不同，一般在1～30MPa的范围之内，大约是焊接材料在焊接温度下的屈服点，并在焊接区内不引起焊接材料形状和尺寸的宏观变形。对金属铜的管或板与金属铜的丝网压焊时的外加载荷为5MPa。
3.时间在给定的温度和压力下，要保证有充分的时间来使焊接面之间的原子扩散过程能进行，一般需要1～30分钟的时间，使焊接接头的机械强度能等于基体金属的机械强度极限就够了。过分地延长焊接时间，会使晶粒长大。通常情况下，焊接时间越短越好。对金属铜的管或板与金属铜的丝网压焊时的时间为20分钟。
4.真空本发明所采用的焊接方法通常要求真空焊室内具有10-1～10-2Pa的真空，以确保材料不受氧化和污染。对金属铜的管或板与金属铜丝网压焊时的真空为10-2Pa。
三、工艺过程1.焊接前表面处理对金属铜的管和板采用丙酮等清洗剂来清除焊接表面的油污。对金属铜的丝网也采取相同的方法清除油污。
2.预热将处理好的焊接件按予定的排列次序立即放在真空焊机内，并对真空室进行密封，然后开始抽真空操作。当真空达到10-2Pa时，开始对焊接件预热升温，在两小时内，将焊接件加热到800～850℃之间。
3.焊接当温度达到焊接温度后，开始施加外加戴荷5MPa，保持20分钟，使原子间的扩散运动能够穿越焊接材料的连接面而得以充分地进行。
4.降温焊接完毕以后，停止加热，焊接件在真空中随炉冷却到150℃以下出炉。
本发明的特点是一、采用压焊方法可在铜、镍、铝、钛、不锈钢等金属管内外表面复合上相同材质的金属丝网而制成金属表面多孔管。通常情况下每焊接一层金属丝网就可以使传热面积比原有光滑表面积增加2倍以上，其孔隙率高达45～75%，平均当量孔径0.005毫米以上可任意选择，孔径分布十分均匀，多孔层厚度也较均匀一致，可在一至五层间任意确定其层数。在多孔层条件下沸腾传热膜系数比光滑管提高10倍以上，传质膜系数比光滑管提高3倍以上。
二、表面多孔层的无数个微小焊接面的机械强度和物理化学性能与基体金属的性能基本相同，从而保证了金属管和金属板在使用过程中的机械强度和耐腐蚀性能。
三、在极薄的表面多孔层内形成的高度均匀而相互连通的毛细管特性，可以使液膜十分均匀地分布在整个极薄的传热传质壁面的内外部，并保证充分润湿，从而1.有效地防止干壁现象，提高了临界热负荷;
2.液体在表面多孔层内具有10倍以上的高循环速度，大大提高了其抗污能力;
3.无数均匀的汽化核心强化了传热传质效果，并使操作弹性大大增加。
四、在极低的传热温差下就可提供大量稳定的汽化核心，从而减少传热的不可逆损失和滞后现象，并使沸腾过热度大大降低。所以特别适合制造处理热敏性物料的膜式传热和传质设备，避免了在高温下容易产生聚合或分解的困难。
五、使用本发明提供的压焊方法制造的金属表面复合网强化传热元件可有多种类型，用它可制造多种设备，且设备简单，操作方便，原材料利用率高，成本较低，无环境污染等。
本发明的实施例如下采用上述方法将4毫米厚的金属铜板的一面焊上三层120目(孔径0.140毫米，丝径0.071毫米)的金属铜丝网，然后把多孔层向内卷焊成内径为300毫米，长为2000毫米的降膜式蒸发器。
经实验测得沸腾给热系数高达1.2×105W/(m2·k)，比光滑管时的7.1×103W/(m2·k)提高近16倍，临界热负荷为1.4×106W/m2，比光滑管时的3.5×105W/m2提高3倍，在0.2～0.3℃的温差下就可维持沸腾传热过程的进行。
权利要求
1.一种强化传热过程元件的制造方法，其特征在于在金属铜管或金属铜板的内外表面(一面亦可)，采用压焊的方法，在真空焊室内真空为10-2Pa，温度为800～850℃，外加载荷为5MPa时，经20分钟将金属铜丝网(20～300目，一层至五层)与金属铜管或金属铜板实现牢固的焊接，制成金属铜的内外表面复合网强化传热管和传热板，
2.根据权利要求1所说的强化传热过程元件的制造方法，其特征在于焊接过程是在带有真空系统的真空焊室内进行的，待加工的部件全部或局部处在真空中保护，利用分布在焊接面周围的电炉丝通电加热，使焊接面达到所需温度，对焊接面所施加的外加载荷是通过真空焊室外的液压系统的油缸压杆，经真空密封环后直接作用到焊接工件上，将金属铜丝网和金属铜管或金属铜板的内外表面(一面亦可)压焊在一起。
全文摘要
本发明提供了一种强化传热过程，减少传热温差，提高临界热负荷并伴有节能效果的金属内外表面复合网强化传热管和传热板的制造方法。本发明的特征是将材质为金属铜的丝网采用压焊方法将其与相同材质的金属铜管或金属铜板的内外表面(一面亦可)实现牢固的焊接。本发明制得的强化传热过程元件，其复合网的孔隙率为45～75％，平均当量孔径大于0.005毫米，层平均厚度大于0.05毫米，沸腾传热膜系数比光滑管提高10倍以上，传质膜系数比光滑管提高3倍以上。可用于制造换热设备，膜式蒸发设备及短程蒸馏设备等。
文档编号F28F1/10GK1089537SQ93112899
公开日1994年7月20日 申请日期1993年12月22日 优先权日1993年12月22日
发明者赵明星, 高励成 申请人:天津大学