CN108489311A - 高换热率传热管的去合金化制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高换热率传热管的去合金化制备方法，热管的毛细吸液芯采用去合金化处理进行制备，将电解质溶液注入中空管内，使紧贴管壳内壁的多孔前驱体合金材料发生化学腐蚀从而获得多孔毛细芯的方法。电解质溶液注入中空管内，多孔前驱体合金材料中活泼元素或组元将会与电解质溶液反应而溶解到溶液中，合金中剩余的不活泼元素或组元则会经历扩散+聚集的过程，最终管内壁整体会呈现连续的多孔结构。本发明所提供的热管毛细芯的制备方法较传统方法存在极大的优势。不仅制备工艺简单，成本低且能够获得孔径小，比表面积大的内部互通的多孔毛细芯结构，使得其传热效率大大提高。

Description

高换热率传热管的去合金化制备方法

技术领域

本发明涉及一种传热元件的制备方法，特别是涉及一种高换热率传热管的制备方法，应用于换热元件制备工艺技术领域。

背景技术

在众多的传热元件中，热管是人们所知的最有效的传热元件之一，它可将大量热量通过很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。热管的原理首先由美国的R.S.Gaugler于1944年在美国专利US2350348中提出的，但因故未能付诸实施。直到1963年，G.M.Grover重新独立发明了类似R.S.Gaugler提出的传热元件，并在美国《应用物理》杂志上公开发布了第一篇论文，正式将此传热元件命名为热管“Heat pipe”，并提出它的导热率已远远超过任何一种已知的金属。典型的热管通常由管壳，多孔吸液芯和端盖组成。根据工作要求选择适宜和适量的工作液体，经过抽真空处理后，将工作液体注入管内再进行密封即可获得。热管按运行工况分为蒸发段、绝热段及冷凝段，其运行机理是利用工作液体在冷热两端蒸发冷凝的相变传递过程来实现热量传递。热管内壁附有多孔毛细吸液芯，其贯穿于整个蒸发段与冷凝段。在热管的运行过程中，毛细芯可以加速工作液体蒸发冷凝的循环速度。在蒸发阶段，毛细芯内的工作液体受热陆续蒸发；在冷凝阶段，工作液体首先在毛细结构上冷凝，然后再沿着毛细结构靠毛细力的作用从冷凝段流回蒸发段，如此循环不已，热量将不断由热管的一端传至另一端。热管作为一种高效传热元件，它能及时实现热量传递，减少能量在传输过程中的损失，比其它传热元件更能高效地利用能源。因此，热管广泛应用于太阳能等新能源的开发，电子装置芯片的冷却，电脑笔记本CPU的冷却以及化工、动力、冶金、陶瓷等领域的高效传热设备的开发等。

随着热管研究和应用领域的不断拓宽，热管的传热性能也应不断提高才能满足日益发展的技术要求，而热管传热性能的好坏很大程度上取决于吸液芯毛细结构。目前，已有多种结构和材料的毛细芯投入应用，如丝网、泡沫金属、聚乙烯、陶瓷芯、金属粉末烧结芯等。应用较多的吸液芯毛细结构主要有烧结芯和微沟槽两种，其中烧结芯制造工艺流程相对复杂，微沟槽的加工工艺和加工精度要求较高。尽管烧结芯和微沟槽作为热管吸液芯，极大地改善了热管的传热性能和减小了径向热阻。但由于烧结后得到的多孔结构，其孔径依然较大，所以其比表面积小，传热能力并没有达到很大，还可以得到进一步的改善与提高。所以寻求一种工艺简单、成本更低的高换热率传热管的制备方法，制备孔径更小和比较面积更大的吸液芯材料尤为重要。

去合金化法，亦称选择腐蚀法，是指在合金组元间的电极电位相差较大的情况下，合金中的电化学性质较活泼元素在电解质的作用下选择性地溶解进入电解液而留下电化学性质较稳定元素的腐蚀过程。组元既可以是单相固溶体合金中的一种元素，又可以是多相合金中的某一相。剩余的较为惰性的金属原子经团聚生长最终形成双连续的多孔结构。近年来，关于去合金化制备多孔金属的新合金体系已经逐渐被开发出来，比如Al-Ag、Au-Ag等二元合金体系，也可以是三元合金体系，如Pd-Ni-P。但采用贵重金属制备的热管工艺成本高。去合金化法又称脱合金化法，是指通过化学或是电化学腐蚀过程将合金中的一种或多种组元有选择性的去除的一种方法，主要用于介孔纳米材料和催化剂载体材料制备。

本发明申请人采用去合金化+多孔毛细结构+热管或dealloy+porous capillarystructure+heat pipe作为关键词检索了美国的《金属文摘》(Metals Abstracts)、美国的《工程文摘索引》(EI)、Sciencedirect科技论文数据库、ISI Web of Science等国外科技数据库、我国的《中国期刊网》和《维普中文期刊数据库》等科技文献索引，均没有查到完全相关文献。申请人还检索了美国专利文摘(USPTO)、欧洲专利文摘(EP—PCT)、《中国专利信息网》以及《中华人民共和国国家知识产权局专利检索》也没有发现同类公开的专利文献。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种高换热率传热管的去合金化制备方法，通过去合金化法制备的热管多孔毛细芯，在满足传统热管性能条件的前提下，还大大减小了毛细孔半径，增大了毛细结构的比表面积，得到一种内部互连的复杂的通孔结构，从而大大提高了热管的传热性能，本发明制备工艺简单，成本较低。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高换热率传热管的去合金化制备方法，采用去合金化方法制备多孔金属材料，作为热管的毛细芯，具有以下工艺过程和步骤：

a.制备壁厚为20-100mm的中空的耐酸碱腐蚀的金属管，作为管壳，将多孔前驱体合金材料紧贴着管壳内壁设置，对多孔前驱体合金材料进行挤压，使得前驱体合金材料与管壳内壁紧密接触，并前驱体合金材料层作为内套嵌合到管壳中形成复合材料壁，并将前驱体合金材料层的原始厚度控制在2-10mm之间，并由前驱体合金材料层围合形成管腔；优选在所述多孔前驱体合金材料中至少包含一种为活泼金属元素和一种不活泼金属元素；所述多孔前驱体合金材料中的活泼金属元素优选采用Cu，优选其中Cu的原子数百分含量不高于75at.％；所述多孔前驱体合金材料优选采用Al-Cu、Mg-Cu、Mn-Cu和Ni-Cu中的任意一种二元合金或者任意几种合金混合的三元或更多元的合金；耐酸腐蚀或耐碱腐蚀的金属管优选采用不锈钢管；

b.用耐腐蚀的材料制成端盖将管壳的一端密封住，将前驱体合金材料层作为内套嵌合到管壳中形成复合材料壁与端盖形成的敞口容器作为反应器，将电解质溶液注入反应器的管腔内，使电解质溶液和前驱体合金材料形成反应物体系，同时对电解质溶液或者前驱体合金材料层进行加热，控制加热至98±2℃并对反应物体系进行保温，使电解质溶液和前驱体合金材料发生选择腐蚀化学反应，使前驱体合金材料中的活泼金属元素在电解质的作用下选择性地溶解进入电解质溶液中，而从前驱体合金材料中分离，并使电解质溶液不影响前驱体合金材料中不活泼金属元素，使前驱体合金材料中的不活泼金属元素继续保留在前驱体合金材料层中，并经团聚生长堆积形成空间连续的多孔结构；电解质溶液优选采用盐酸、硫酸稀酸溶液、磷酸稀酸溶液、草酸稀酸溶液或者氢氧化钠稀碱溶液；电解质溶液优选采用重量百分比浓度不高5wt.％的酸溶液或碱溶液；

c.观察管腔内活泼金属与电解质溶液反应的气泡情况，待无气泡产生时，停止对反应物体系保温后，将电解质溶液从管腔中倒出，最终在管壳内壁上得到一层具有多孔结构的毛细芯层，形成热管结构，其中毛细芯层厚度在10-100μm之间，毛细芯层分布的微孔的平均孔径大小为0.1-100μm。

作为本发明优选的技术方案，通过对在上述步骤a中采用的前驱体合金材料层的原始厚度、前驱体合金材料的元素组成、在上述步骤b中采用的电解质溶液的种类、浓度和反应温度中的任意几种制备工艺条件的选择和控制，来调控所制备的毛细芯层的多孔结构的孔径大小及多孔层的厚度。

本发明的机理如下：

本发明采用去合金化方法制备制备多孔金属，涉及到活泼元素或组元的溶解和剩余惰性组元金属原子的扩散和聚集。采用的多孔前驱体合金材料其特征在于至少有一种为活泼元素，且合金元素或合金组元之间存在电极电位差，电解质溶液能将合金体系中比较活泼的元素或组元溶解，而不影响不活泼组元。前驱体材料中活泼元素或组元将会与电解质溶液反应而溶解到溶液中，合金中剩余的不活泼元素或组元则会经历扩散+聚集的过程，最终会呈现连续的多孔结构。多孔结构的孔径大小及多孔层的厚度可通过原始合金薄片的厚度和加工工艺进行调节。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明方法将电解质溶液注入耐腐蚀材料空管内，使紧贴不管壳内壁的多孔前驱体合金材料与电解质溶液接触发生化学腐蚀，从而获得多孔毛细芯结构，本发明所提供的热管毛细芯的制备方法较传统方法存在极大的优势，不仅制备工艺简单，成本低且能够获得孔径小，比表面积大的内部互通的多孔毛细芯结构，使得其传热效率大大提高；

2.本发明本发明优选用Al-Cu合金体系，一方面是因为Cu是除了Ag以外导热性能最好的金属，且Al的导热性也较高；若去合金化后还留下少量Al元素，对于整体的导热性能也不会有太大影响；另一方面，选择Al-Cu合金体系的目的就在于降低成本；通常对于一般的工业应用，要求在性能满足的前提条件下，尽量采用工艺简单成本较低的结构，本发明方法能很好地满足此类需求；

3.本发明采用去合金化法，不仅能通过提高多孔毛细芯的比表面积来增大热管的传热性能，而且它的操作过程简单，成本低，适合大量制备，易于实现工业化。

附图说明

图1是本发明实施例一制备方法制备的热管构造示意图。

图2是本发明实施例一制备方法制备的热管轴向原理图。

图3是本发明实施例一制备方法制备的热管多孔毛细芯结构。

图4是本发明实施例一将电解质溶液注入不锈钢中空管内的示意图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1-4，一种高换热率传热管的去合金化制备方法，采用去合金化方法制备多孔金属材料，作为热管的毛细芯，具有以下工艺过程和步骤：

a.制备壁厚为100mm的中空的耐酸碱腐蚀的不锈钢管，作为管壳，将Cu原子数百分含量为75at.％的Al-Cu制备成厚度为10mm的多孔前驱体合金薄片，将其紧贴着不锈钢管壳内壁设置，对多孔前驱体合金薄片进行挤压，使得多孔前驱体合金薄片与管壳内壁紧密接触，并使前驱体合金材料层作为内套嵌合到管壳中形成复合材料壁，并由前驱体合金材料层围合形成管腔；

b.用耐腐蚀的材料制成端盖将不锈钢管管壳的一端密封住，将前驱体合金薄片作为内套嵌合到不锈钢管壳中形成复合材料壁与端盖形成的敞口容器作为反应器，采用重量百分比浓度为5wt.％的盐酸水溶液作为电解质溶液，将盐酸水溶液注入反应器的管腔内，使盐酸水溶液和Al-Cu前驱体合金材料形成反应物体系，同时通过对不锈钢管管壳加热，使电解质溶液和前驱体合金材料层热管由室温开始加热至100℃并对反应物体系进行保温，使电解质溶液和前驱体合金材料发生选择腐蚀化学反应，使前驱体合金材料中的活泼金属元素在电解质的作用下选择性地溶解进入电解质溶液中，而从前驱体合金材料中分离，并使电解质溶液不影响前驱体合金材料中不活泼金属元素，使前驱体合金材料中的不活泼金属元素继续保留在前驱体合金材料层中，并经团聚生长堆积形成空间连续的多孔结构；

c.观察管腔内活泼金属与电解质溶液反应的气泡情况，待无气泡产生时，停止对反应物体系保温后，将电解质溶液从管腔中倒出，最终在管壳内壁上得到一层具有多孔结构的毛细芯层，形成热管结构，其中毛细芯层厚度在60μm，毛细芯层分布的微孔的平均孔径大小为20μm。

图1为本实施例制备方法制备的热管构造示意图，图2是本实施例制备方法制备的热管轴向原理图。热管由热管管壳、多孔的毛细芯和端盖组成。管壳材质一般为铜材或铝材，使用铜材质的原因是铜具有较佳传热效果，而使用铝则能降低成本，而本实施例选用不锈钢，它综合了铜和铝材的优势且耐腐蚀，焊接性能好。由图1和图2中可以清晰地看到，当热管在蒸发端受热时，毛细芯中的工作液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向冷凝端，放出热量并凝结成液体，液体再沿着多孔材料在毛细力的作用下流回蒸发端，如此循环不已，热量不断由热管的一端传至另一端。图3是本实施例制备方法制备的热管多孔毛细芯结构。热管中的毛细芯采用一种多孔物质，毛细多孔物质是一种固体，它包含大量的空隙，工作液体浸润毛细芯从而产生毛细力。它既提供毛细力也是液体的回流通道。图3热管内壁面与多孔金属材料形成环形通道，在这种结构中，多孔金属材料与液体结合会提供较大的毛细力和较小的流动阻力。

图4是本实施例将电解质溶液注入不锈钢中空管内的示意图。多孔前驱体合金紧贴热管内壁，当电解质溶液与合金中的活泼元素发生去合金化时，会使最后得到的多孔毛细芯与热管内壁更加紧密贴合。本实施例采用中空不锈钢管，两端均未封口，当注入电解质溶液发生去合金化作用时，采用耐腐蚀的材料封住不锈钢管的底端，待去合金化工作完全完成，再将它拿掉，即可在不锈钢管内壁两侧得到连续的多孔结构。所述多孔前驱体合金材料其特征在于至少有一种为活泼元素，且合金元素或合金组元之间存在电极电位差，本实施例采用Al-Cu合金作为多孔前驱体合金材料，本实施例选用Al-Cu合金体系，一方面是因为Cu是除了Au和Ag以外导热性能最好的金属，且Al的导热性也较高。若去合金化后还留下少量Al元素，对于整体的导热性能也不会有太大影响。另一方面，选择Al-Cu合金体系的目的就在于降低成本。通常对于一般的工业应用，要求在性能满足的前提条件下，尽量采用工艺简单成本较低的结构。本发明提供的去合金化法不仅能通过提高多孔毛细芯的比表面积来增大热管的传热性能，而且它的操作过程简单，成本低，适合大量制备，易于实现工业化。本实施例将电解质溶液注入中空管内，前驱体材料中活泼元素或组元将会与电解质溶液反应而溶解到溶液中，合金中剩余的不活泼元素或组元则会经历扩散+聚集的过程，最终不锈钢管内壁整体会呈现连续的多孔结构。本实施例制备热管的毛细芯，不用传统的方法制备，而是采用去合金化方法进行制备，即用去合金化法制备毛细芯多孔金属材料。不仅制备工艺简单，成本低且能够获得孔径小，比表面积大的内部互通的多孔毛细芯结构，使得其传热效率大大提高。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种高换热率传热管的去合金化制备方法，采用去合金化方法制备多孔金属材料，作为热管的毛细芯，具有以下工艺过程和步骤：

a.制备壁厚为20mm的中空的耐酸碱腐蚀的不锈钢管，作为管壳，将Cu原子数百分含量为75at.％的Al-Cu制备成厚度为2mm的多孔前驱体合金薄片，将其紧贴着不锈钢管壳内壁设置，对多孔前驱体合金薄片进行挤压，使得多孔前驱体合金薄片与管壳内壁紧密接触，并使前驱体合金材料层作为内套嵌合到管壳中形成复合材料壁，并由前驱体合金材料层围合形成管腔；

b.用耐腐蚀的材料制成端盖将不锈钢管管壳的一端密封住，将前驱体合金薄片作为内套嵌合到不锈钢管壳中形成复合材料壁与端盖形成的敞口容器作为反应器，采用重量百分比浓度为5wt.％的盐酸水溶液作为电解质溶液，将盐酸水溶液注入反应器的管腔内，使盐酸水溶液和Al-Cu前驱体合金材料形成反应物体系，同时通过对不锈钢管管壳加热，使电解质溶液和前驱体合金材料层热管由室温开始加热至96℃并对反应物体系进行保温，使电解质溶液和前驱体合金材料发生选择腐蚀化学反应，使前驱体合金材料中的活泼金属元素在电解质的作用下选择性地溶解进入电解质溶液中，而从前驱体合金材料中分离，并使电解质溶液不影响前驱体合金材料中不活泼金属元素，使前驱体合金材料中的不活泼金属元素继续保留在前驱体合金材料层中，并经团聚生长堆积形成空间连续的多孔结构；

c.观察管腔内活泼金属与电解质溶液反应的气泡情况，待无气泡产生时，停止对反应物体系保温后，将电解质溶液从管腔中倒出，最终在管壳内壁上得到一层具有多孔结构的毛细芯层，形成热管结构，其中毛细芯层厚度在8μm，毛细芯层分布的微孔的平均孔径大小为0.8μm。

本实施例热管及其制备方法采用去合金化方法，所制备的热管包括中空不锈钢管、紧贴管壳内壁的毛细吸液芯以及充满吸液芯并密封在管壳内的工作液体。其中热管的毛细吸液芯不用传统方法制备，而是采用去合金化处理进行制备。本实施例将电解质溶液注入不锈钢中空管内，使紧贴不锈钢管壳内壁的多孔前驱体合金材料发生化学腐蚀从而获得多孔毛细芯。电解质溶液注入不锈钢中空管内，多孔前驱体合金材料中活泼元素或组元将会与电解质溶液反应而溶解到溶液中，合金中剩余的不活泼元素或组元则会经历扩散+聚集的过程，最终不锈钢管内壁整体会呈现连续的多孔结构。本实施例热管毛细芯的制备方法较传统方法存在极大的优势。不仅制备工艺简单，成本低且能够获得孔径小，比表面积大的内部互通的多孔毛细芯结构，使得其传热效率大大提高。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种高换热率传热管的去合金化制备方法，采用去合金化方法制备多孔金属材料，作为热管的毛细芯，通过对在上述步骤a中采用的前驱体合金材料层的原始厚度、前驱体合金材料的元素组成、在上述步骤b中采用的电解质溶液的种类、浓度和反应温度中的任意几种制备工艺条件的选择和控制，来调控所制备的毛细芯层的多孔结构的孔径大小及多孔层的厚度。本实施例能通过对制备工艺条件的选择和控制，获得满足各种目标需求的热管，本实施例去合金化法不仅能通过提高多孔毛细芯的比表面积来增大热管的传热性能，而且它的操作过程简单，成本低，适合大量制备，易于实现工业化。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明高换热率传热管的去合金化制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高换热率传热管的去合金化制备方法，其特征在于，采用去合金化方法制备多孔金属材料，作为热管的毛细芯，具有以下工艺过程和步骤：

a.制备壁厚为20-100mm的中空的耐酸碱腐蚀的金属管，作为管壳，将多孔前驱体合金材料紧贴着管壳内壁设置，对多孔前驱体合金材料进行挤压，使得前驱体合金材料与管壳内壁紧密接触，并使前驱体合金材料层作为内套嵌合到管壳中形成复合材料壁，并将前驱体合金材料层的原始厚度控制在2-10mm之间，并由前驱体合金材料层围合形成管腔；

b.用耐腐蚀的材料制成端盖将管壳的一端密封住，将前驱体合金材料层作为内套嵌合到管壳中形成复合材料壁与端盖形成的敞口容器作为反应器，将电解质溶液注入反应器的管腔内，使电解质溶液和前驱体合金材料形成反应物体系，同时对电解质溶液或者前驱体合金材料层进行加热，控制加热至98±2℃并对反应物体系进行保温，使电解质溶液和前驱体合金材料发生选择腐蚀化学反应，使前驱体合金材料中的活泼金属元素在电解质的作用下选择性地溶解进入电解质溶液中，而从前驱体合金材料中分离，并使电解质溶液不影响前驱体合金材料中不活泼金属元素，使前驱体合金材料中的不活泼金属元素继续保留在前驱体合金材料层中，并经团聚生长堆积形成空间连续的多孔结构；

c.观察管腔内活泼金属与电解质溶液反应的气泡情况，待无气泡产生时，停止对反应物体系保温后，将电解质溶液从管腔中倒出，最终在管壳内壁上得到一层具有多孔结构的毛细芯层，形成热管结构，其中毛细芯层厚度在10-100μm之间，毛细芯层分布的微孔的平均孔径大小为0.1-100μm。

2.根据权利要求1所述高换热率传热管的去合金化制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，在所述多孔前驱体合金材料中至少包含一种为活泼金属元素和一种不活泼金属元素。

3.根据权利要求2所述高换热率传热管的去合金化制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，所述多孔前驱体合金材料中的活泼金属元素采用Cu，其中Cu的原子数百分含量不高于75at.％。

4.根据权利要求2或3所述高换热率传热管的去合金化制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，所述多孔前驱体合金材料采用Al-Cu、Mg-Cu、Mn-Cu和Ni-Cu中的任意一种二元合金或者任意几种合金混合的三元或更多元的合金。

5.根据权利要求1所述高换热率传热管的去合金化制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，耐酸腐蚀或耐碱腐蚀的金属管采用不锈钢管。

6.根据权利要求1所述高换热率传热管的去合金化制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，电解质溶液采用盐酸、硫酸稀酸溶液、磷酸稀酸溶液、草酸稀酸溶液或者氢氧化钠稀碱溶液。

7.根据权利要求1所述高换热率传热管的去合金化制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，电解质溶液采用重量百分比浓度不高于5wt.％的酸溶液或碱溶液。

8.根据权利要求1所述高换热率传热管的去合金化制备方法，其特征在于：通过对在所述步骤a中采用的前驱体合金材料层的原始厚度、前驱体合金材料的元素组成、在所述步骤b中采用的电解质溶液的种类、浓度和反应温度中的任意几种制备工艺条件的选择和控制，来调控所制备的毛细芯层的多孔结构的孔径大小及多孔层的厚度。