本发明涉及传热装置，具体涉及一种双管嵌套式热管及其制造方法。
背景技术：
热管是依靠自身内部工质相变来实现传热的传热元件，其不需借助外力，也不需要大的截面积，就能进行长距离、高效率的热量传输。与其他传统导热元件相比，热管具有传热能力大、等温性好和可变热流密度等优点，因而，在许多传热元件中，热管被称为最有效的传热元件，被广泛应用于电子散热领域，成为高功率、高热流密度芯片散热装置普遍采用的核心部件。
但是，热管的传热能力不是无限大的，其工作温度范围及传热性能与内部的相变工质有很大关系，不同工质的工作温度差异较大，且液体传输系数随温度影响也较大，因此在头尾两端温差很大(＞100℃)的情况下，所选用的工质往往无法达到最优的液体传输系数，影响传热效率。
在航天、超低温光学以及内燃机的燃油加热等领域，常常面临着在温差巨大(几十度到几百度)的环境下应用热管传热的情形。如在月面探测光学设备中，热管将面临-180℃到+90℃的巨大温差工作环境；在内燃机冬季启动过程中，热管需要将200℃左右的尾气中的热量导入到0℃以下的燃油中。对于这种情况，传统的解决方案是使用单一的一种工作范围较大的物质作为热管工作，然而，巨大的温差无疑会影响工质的液体传输系数，进而影响热管的传输能力。
另外，热管的导热速度快、热容小，非常契合电动汽车电池组件的降温和升温需求，但汽车所要求的工作温度范围，与现有热管很难匹配。例如：汽车部件的工作环境需要在-40-120℃，而内部充水的热管虽然性能最好，但工作温度在30-250℃，其中-40-30℃的温度范围不能覆盖。因而，没有合适的相变工质既满足性能需求，又满足工作环境的要求。如果采用不同工质的热管进行组合来工作，又遇到系统复杂度、成本、安装空间的限制。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提供一种双管嵌套式热管及其制造方法，该热管能在大温差环境下运行，同时可以在最大程度上保证热管传热性能不受温差变化影响，散热功率高、传输距离远，能够解决恶劣环境、温差变化极大的场合传热需求。
本发明所采用的技术方案是：一种双管嵌套式热管，包括内热管和外热管；所述内热管套设于所述外热管中；所述内热管的内壁上设有第一毛细结构层，所述内热管内具有第一密封腔，所述第一密封腔内填充有第一工作介质；所述外热管与所述内热管之间设置有第二毛细结构层和第二密封腔，所述第二密封腔沿所述外热管的轴向贯通设置，所述第二密封腔内填充有第二工作介质，所述第二工作介质的沸点低于所述第一工作介质的沸点。
根据本发明一具体实施例，所述内热管和/或所述外热管为圆形管、椭圆形管、方形管或矩形管。
根据本发明一具体实施例，所述第一毛细结构层和/或所述第二毛细结构层为烧结金属粉末、凹凸形沟槽或金属网。
根据本发明一具体实施例，所述内热管和所述外热管同轴心设置。
本发明还提供了以上双管嵌套式热管的制造方法，具体包括以下步骤：
1)制造内热管：包括取第一中空管体，在所述第一中空管体的内壁上设置第一毛细结构层，将所述第一中空管体的一端封口；
2)制造外热管：包括取第二中空管体，将经步骤1)加工后的第一中空管体插入所述第二中空管体内部，在第一中空管体和第二中空管体之间设置第二毛细结构层和沿第二中空管体轴向贯通的腔体；将所述第二中空管体的一端封口；
3)填充工作介质：包括向所述第一中空管体内填充第一工作介质，抽真空、密封；向所述第二中空管体和第一中空管体之间的腔体内填充第二工作介质，抽真空、密封。
根据本发明一具体实施例，在步骤1)中，在所述第一中空管体的内壁上设置第一毛细结构层，包括以下步骤：
s11：取一与所述第一中空管体相适配的中心棒，将所述中心棒插入所述第一中空管体内；
s12：取毛细结构原料填充于所述中心棒与所述第一中空管体之间的间隙内；
s13：烧结所述第一中空管体直至所述毛细结构原料与所述第一中空管体的内壁烧结成一体；
s14：取出所述中心棒，在所述第一中空管体内壁上形成第一毛细结构层。
根据本发明一具体实施例，在步骤2)中，在第一中空管体和第二中空管体之间设置第二毛细结构层和沿第二中空管体轴向贯通的腔体，包括以下步骤：
s21：取中心棒，将所述中心棒插入所述第一中空管体和所述第二中空管体之间的空隙内；
s22：取毛细结构原料填充于所述中心棒与第一中空管体、第二中空管体之间的间隙内；
s23：烧结所述第二中空管体直至所述毛细结构原料与所述第二中空管体的内壁、所述第一中空管体的外管壁烧结成一体；
s24：取出所述中心棒，在所述第一中空管体和第二中空管体之间形成第二毛细结构层和沿第二中空管体轴向贯通的腔体。
根据本发明一具体实施例，在步骤s21中，所述中心棒为若干条，且沿所述第一中空管体周向均匀插设于第一中空管体和第二中空管体之间的空隙内。
本发明还提供了一种传热方法，具体包括以下在步骤：
1)通过热源向嵌套式导热结构加热，所述嵌套式导热结构包括第一中空导热部件和第二中空导热部件，所述第一中空导热部件套设于所述第二中空导热部件中，所述第一中空导热部件内具有第一密封腔，所述第一密封腔内填充有第一工作介质；所述第二中空导热部件与所述第一中空导热部件之间设置有第二密封腔，所述第二密封腔沿所述第二中空导热部件的轴向贯通设置，所述第二密封腔内填充有第二工作介质，所述第二工作介质的沸点高于所述第一工作介质；
2)所述嵌套式导热结构的第二中空导热部件吸热后将热量传递至所述第二工作介质，再通过所述第二工作介质将热量传递至所述第一中空导热部件，热量进而传递至所述第一中空导热部件内的第一工作介质，使所述第一工作介质蒸发形成蒸汽，所述蒸汽携带热量在所述第一密封腔内扩散，以同时从内部加热所述第二中空导热部件。
另外，本发明还提供了一种根据以上传热方法进行传热的嵌套式导热结构。
本发明的有益技术效果是：本发明提供一种双管嵌套式热管及其制造方法，该热管采用双管嵌套式结构，内热管与外热管采用不同的工作介质，且内热管中所填充的第一工作介质沸点低于外热管中所填充的第二工作介质沸点，从而能使本发明热管能在大温差环境下运行，同时可以在最大程度上保证热管传热性能不受温差变化影响，散热功率高、传输距离远，能够解决恶劣环境、温差变化极大的场合传热需求。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单说明。
图1是本发明双管嵌套式热管一实施例的结构示意图；
图2是沿图1中ⅱ-ⅱ线的截面结构示意图；
图3是沿图1中ⅲ-ⅲ线的截面放大结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分理解本发明的目的、方案和效果。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对图中本发明各组成部分相互位置关系来说的，而术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，在不冲突的情况下本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请一并参阅图1、图2和图3，图1是本发明双管嵌套式热管一实施例的结构示意图，图2是沿图1中ⅱ-ⅱ线的截面结构示意图，图3是沿图1中ⅲ-ⅲ线的截面放大结构示意图。
如图1、图2和图3所示，本实施例双管嵌套式热管包括内热管10和外热管20，内热管10套设于外热管20中。其中，内热管10和外热管20可由铜、铝等导热性良好的金属材料制成，其具体材质、长度和管壁厚度可视实际要求而定。
在本实施例中，内热管10和外热管20为不同管径、同轴心设置的圆形管。在其他实施中，内热管10和外热管20也可为其他形状，如椭圆形管、方形管或矩形管，且内热管10和外热管20的形状可相同，也可不相同，本申请对于内热管10和外热管20的形状不作具体限定。此外，内热管10和外热管20也异轴心设置。
为了便于加工，如图2所示，在本实施例中，内热管10的两端密封，其中一端呈圆柱体，另一端呈漏斗状且伸出外热管20；而外热管20的一端密封且呈漏斗状，另一端呈漏斗状且与伸出的内热管10配合密封连接。
内热管10内具有第一密封腔12，主要作为蒸汽扩散通道。第一密封腔12内填充有第一工作介质，第一密封腔12内通常被抽成真空或接近真空，以利于第一工作介质的受热蒸发，第一工作介质可以为甲醇、氨水、氟利昂等低沸点的液体。内热管10的内壁上设置有第一毛细结构层14，第一毛细结构层14主要作为第一工作介质液体的流动通道。第一毛细结构层14可为烧结金属粉末(如烧结铜粉)、凹凸形沟槽或金属网(如铜网、不锈钢网或复合金属材料束线编织而成的网等)。
外热管20与内热管10之间设置有第二毛细结构层22和第二密封腔24。其中，第二毛细结构层22也可为烧结金属粉末(如烧结铜粉)、凹凸形沟槽或金属网(如铜网、不锈钢网或复合金属材料束线编织而成的网等)，第二毛细结构层22与第一毛细结构层14的材料结构可相同，也可不同。第二密封腔24沿外热管20的轴向贯通设置，第二密封腔24内填充有第二工作介质，第二密封腔24主要作为第二工作介质的蒸汽扩散通道，第二密封腔24内通常也被抽成真空或接近真空，以利于第二工作介质的受热蒸发。第二工作介质可以为去离子水等低沸点液体，第二工作介质的沸点通常需高于第一工作介质的沸点。
在使用过程中，如果外热管20遇到低温，第二工作介质结冰无法启动工作，当外热管20内的第二工作介质吸收到热源的热量后，对应热源附近的第二工作介质逐渐融化，并将热量传递给内热管10及其中的第一工作介质，第一工作介质沸点较低，内热管10先启动工作，进而同时在内部加热外热管20内的第二工作介质，使其融化，外热管20随即启动工作。从而能实现在大温差环境下运行，同时可以在最大程度上保证热管传热性能不受温差变化影响，散热功率高、传输距离远，能够解决恶劣环境、温差变化极大的场合传热需求。
另外，本发明还提供了以上双管嵌套式热管的制造方法。在一实施例中，具体制造方法包括以下步骤：
1)制造内热管：包括取第一中空管体，去除管体的油污以进一步保证管体的洁净。然后可使用缩管机对第一中空管体的尾端进行缩颈加工，通常制成漏斗状，以便于后续的抽真空操作。再在第一中空管体的内壁上设置第一毛细结构层，随后可使用缩管机将管体头端制成预定形状(如圆形等)，及使用氩弧焊将第一中空管体的头端封口。
其中，第一中空管体可选用由铜、铝等导热性良好的金属材料制成的管体，第一中空管体通常选用圆管，但可根据情况选择方管或其他形状管体。
对于第一毛细结构层的设置，具体地，可包括以下步骤：
s11：取一与第一中空管体相适配的中心棒，将中心棒插入第一中空管体内。中心棒一般为圆形，且通常情况下，中心棒插入时与第一中空管体同轴心；此外，中心棒也可为半圆形、方形等，也可采用与第一中空管体异轴心插入。
s12：取毛细结构原料填充于中心棒与第一中空管体之间的孔隙内。其中，毛细结构原料可为导热性能良好的金属粉末或金属网，如铜粉、铜网等；若填充的毛细结构原料为金属粉末，可借助振粉机，在振粉机上振粉，将毛细结构原料填充到中心棒与第一中空管体之间。
s13：烧结第一中空管体直至毛细结构原料与第一中空管体的内壁烧结成一体。具体地，可使用真空气氛烧结炉在900-1050摄氏度条件下进行烧结。
s14：取出中心棒，在第一中空管体内壁上形成第一毛细结构层。
为了便于中心棒插入管体进行填粉时对中心棒进行定位，对第一中空管体进行缩颈加工时，可将第一中空管体的尾端缩小至可卡住中心棒以阻止其伸出，例如，对于圆形第一中空管体和中心棒，可将第一中空管体的尾端缩小至内径小于或等于中心棒的外径。在其他实施例中，也可取消对第一中空管体尾端的缩颈工序，或者中心棒的定位也可采用其他定位结构过方式。
在其他实施例中，也可预先制好毛细结构，而后通过烧结或其他方式固定至第一中空管体内壁上，以使第一中空管体内壁上形成第一毛细结构层。
2)制造外热管：包括取第二中空管体，去除管体的油污以进一步保证管体的洁净。然后可使用缩管机对第二中空管体的尾端进行缩颈加工，以制成预定形状(如漏斗状)。再将步骤1)加工后的第一中空管体插入第二中空管体内部，通常第一中空管体的尾端伸出第二中空管体，以便于后续的抽真空操作，当然，在加工条件允许情况下，也可不限定第一中空管体的尾端伸出第二中空管体。随后在第一中空管体和第二中空管体之间设置第二毛细结构层和沿第二中空管体轴向贯通的腔体。最后，将第二中空管体的一端封口，具体可使用焊料填充在第二中空管体与第一中空管体尾端之间的空隙中，使用扩散焊接的方法进行封口。为便于后续的抽真空操作，还可使用缩管机对第二中空管体的尾端进行缩颈加工。
其中，第二中空管体通常也选用铜、铝等导热性良好的金属材料制成的圆形管体。当然，也可根据情况选择其他形状或导热材质的管体。通常第一中空管体相对于第二中空管体同轴心插入。在其他实施例中，同样也可取消对第二中空管体的头端的缩颈加工工序。
对于第二毛细结构层的设置，具体地，可包括以下步骤：
s21：取中心棒，将中心棒插入第一中空管体和第二中空管体之间的空隙内；其中，中心棒可为圆形、半圆形、方形等，其条数可根据具体情况而定，可选用一条或多条(如2条、4条、5条、8条等)，若采用多条中心棒，通常沿第一中空管体周向均匀插设于第一中空管体和第二中空管体之间的间隙内。
s22：取毛细结构原料填充于中心棒与第一中空管体、第二中空管体之间的间隙内；其中，毛细结构原料可为金属粉末或金属网等，如铜粉或铜网等。
s23：烧结第二中空管体直至毛细结构原料与第二中空管体的内壁、第一中空管体的外管壁烧结成一体；具体地，可使用真空气氛烧结炉在900-1050摄氏度条件下进行烧结。
s24：取出中心棒，在第一中空管体和第二中空管体之间形成第二毛细结构层和沿第二中空管体轴向贯通的腔体。
3)填充工作介质：包括通过第一中空管体的尾端向第一中空管体内填充第一工作介质，抽真空、密封；通过第二中空管体的头端向第二中空管体内填充第二工作介质，抽真空、密封，进而制得成品双管嵌套式热管，其中，第一中空管体即为内热管，第二中空管体为外热管，且分别通过中心棒形成第一密封腔、第二密封腔。
其中，第一工作介质和第二工作介质可选用去离子水、甲醇、氨水、氟利昂等低沸点的液体，但第一工作介质的沸点需低于第二工作介质的沸点。另外，向第一中空管体和第二中空管体填充工作介质的顺序可根据具体情况而定，一般而言，两者填充先后顺序不作要求。
以上关于第一中空管体和第二中空管体的头端、尾端的描述，主要为了进行区分和解释说明，以便于理解，不具有实质性的限定作用。
通过以上方法所制得的双管嵌套式热管，能在大温差环境下运行，同时可以在最大程度上保证热管传热性能不受温差变化影响，散热功率高、传输距离远，能够解决恶劣环境、温差变化极大的场合传热需求。
本发明还提供了一种传热方法，具体包括以下步骤：
1)通过热源向嵌套式导热结构加热，其中，嵌套式导热结构包括第一中空导热部件和第二中空导热部件，第一中空导热部件套设于第二中空导热部件中，第一中空导热部件内具有第一密封腔，第一密封腔内填充有第一工作介质；第二中空导热部件与第一中空导热部件之间设置有第二密封腔，第二密封腔沿第二中空导热部件的轴向贯通设置，第二密封腔内填充有第二工作介质，第一工作介质和第二工作介质均为低沸点液体，且第一工作介质的沸点低于第一工作介质的沸点；
2)嵌套式导热结构的第二中空导热部件吸热后将热量传递至第二工作介质，再通过第二工作介质将热量传递至第一中空导热部件，热量进而传递至第一中空导热部件内的第一工作介质，使第一工作介质蒸发形成蒸汽，第一工作介质蒸汽携带热量在第一密封腔内扩散，以同时从内部加热第二中空导热部件。
以上实施例中的双管嵌套式热管也是采用类似以上传热方法进行传热，利用以上传热方式，可最大程度地减小环境温差变化的影响，传热功效高、传输距离远，解决恶劣环境、温差变化大的场合传热需求。
此外，本发明还提供一种采用以上传热方法进行传热的嵌套式导热结构，该嵌套式导热结构包括第一中空导热部件和第二中空导热部件，第一中空导热部件套设于第二中空导热部件中，第一中空导热部件内具有第一密封腔，第一密封腔内填充有第一工作介质；第二中空导热部件与第一中空导热部件之间设置有第二密封腔，第二密封腔沿第二中空导热部件的轴向贯通设置，第二密封腔内填充有第二工作介质；第一工作介质和第二工作介质均为低沸点液体，且第一工作介质的沸点低于第二工作介质的沸点。
其中，第一中空导热部件和第二中空导热部件具体可为中空导热管体，第一中空导热部件的内壁上还可设置第一毛细结构层，第二中空导热部件与第一中空导热部件之间还可设置第二毛细结构层，通过以上结构设置则可构成类似于以上实施例的双管嵌套式热管。
本发明嵌套式导热结构通过采用以上传热方式，可最大程度地减小环境温差变化的影响，传热功效高、传输距离远，解决恶劣环境、温差变化大的场合传热需求。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所述权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。