CN109373795A - 利用高温元素蒸发工艺制备具有多孔结构内衬的高换热率传热管件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用高温元素蒸发工艺制备具有多孔结构内衬的高换热率传热管件的方法，本发明公开了一种高换热率传热管的高温元素蒸发的制备方法。采用高温元素蒸发工艺制备热管的多孔毛细芯结构，将含内衬的双层中空管放入到真空热处理炉内进行热处理，在一定温度下保温一段时间，管内衬合金材料中蒸气压较高的金属元素受热将从表面及内部不断被升华或蒸发除掉，最终留下较为稳定的金属元素形成孔洞。本发明所提供的热管多孔结构的制备方法较化学去合金化存在极大的优势，高温元素蒸发工艺有效地解决了电化学和化学去合金中贵贱元素的电位阈值和元素种类的限制，能制备出含有多种元素、孔隙率可调节的多孔材料，其工艺简单，适合规模化生产。

Description

利用高温元素蒸发工艺制备具有多孔结构内衬的高换热率传 热管件的方法

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

热管是一种将沸腾和凝结有机结合的高效传热元件，自问世以来，以其极高的热传导率、优异的均温性能、可异形制作等特点被广泛应用于能源、化工、航空航天、制冷空调等领域。根据热管内工作介质的回流方式，热管可分为无吸液芯的重力式热虹吸管和有吸液芯的依靠毛细力工作的普通热管。吸液芯是普通热管的重要组成部分，其结构与热管的传热性能密切相关。普通热管最大的特点是内壁为多孔结构，孔隙贯穿整个蒸发段与冷凝段。在热管的运行过程中，多孔结构可以加速工作液体蒸发冷凝的循环速度，它的主要作用为：

(1)提供冷凝液从冷凝段回流到蒸发段所需的通道；

(2)汽-液分界面上的表面毛细孔产生的毛细抽吸力可帮助冷凝液回流；

(3)提供管壳内壁与汽-液分界面之间的热流通路。

随着热管技术的不断发展，如何通过改进吸液芯结构来充分发挥热管的最大潜能已成为强化热管传热的一个研究热点。

目前，研究人员已研制出多种形式的热管吸液芯，如金属卷绕丝网吸液芯、轴向槽道吸液芯和烧结金属吸液芯等。金属卷绕丝网吸液芯是最普通的吸液芯，由多层金属丝网卷绕而成，层与层之间相互交错，其结构简单、制造方便、成本低廉，但缺点是这种结构中液体流动阻力与金属丝网卷绕的松紧程度有关，网层间及丝网与管壁之间有间隙，导致热阻较大。槽道式吸液芯，则是利用槽道界面张力的作用使液相工作介质回流从而实现吸液芯的功能。槽道式吸液芯是热管毛细结构中制造比较简单的一种，采用整体成型工艺制造，成本是一般烧结金属吸液芯式热管的2/3。但沟槽式热管具有一个十分明显的缺点，即对沟槽深度和宽度的尺寸要求很高而且方向性很强，当热管本身形状需要大弯折时，沟槽吸液芯的方向性特性就成了致命缺点，其会导致热管传热性能的大幅下降。烧结金属吸液芯是在热管内壁烧结一层金属粉末或金属纤维，即烧结金属粉末吸液芯和烧结金属毡吸液芯。这种吸液芯与热管内壁有良好的接触，因此具有较小的热阻，同时烧结金属的孔比较小，通过控制金属丝的直径与粉末的粒度，可使孔径控制在3-400μm，能够产生较大的毛细压力，但也增加了液体回流的阻力。到目前为止，采用热处理联合元素蒸发方法，制备具有多孔金属层的热管或heat pipe的方法还未见文献报道。

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，提供一种利用高温元素蒸发工艺制备具有多孔结构内衬的高换热率传热管件的方法，通过高温元素蒸发法制备的热管，在满足传统热管性能条件的前提下，还大大减小了热管内部毛细孔的半径，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，且制备工艺简单，成本较低。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用高温元素蒸发工艺制备具有多孔结构内衬的高换热率传热管件的方法，采用高温元素蒸发法进行制备多孔金属材料，作为热管的多孔结构内衬层，其步骤如下：

a.采用壁厚为40-100mm的中空耐热耐高温的金属管作为管壳，将多孔前驱体合金材料层作为内衬紧贴着管壳内壁设置，对多孔前驱体合金材料层进行挤压，使得前驱体合金材料层与管壳内壁紧密接触，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，并控制前驱体合金材料层的原始厚度为4-10mm，由前驱体合金材料层围合形成管腔，形成由耐热耐高温管壳连同内衬组成的传热管预制体，形成含内衬的双层中空管结构；

作为内衬的上述多孔前驱体合金材料层是优选由在同一温度下的蒸气压和扩散速率不同的至少两种金属元素组成的合金材料制成；作为内衬的上述多孔前驱体合金材料层中的蒸气压较高的金属元素优选采用Zn，其中优选Zn的原子数百分含量不高于75at.％；作为内衬的上述多孔前驱体合金材料层优选采用Zn-Cu、Mg-Cu和Mn-Cu中的任意一种二元合金或者任意几种二元合金材料复合的多元合金制成；上述耐热耐高温的金属管优选采用不锈钢管；

b.将在所述步骤a中制备好的传热管预制体放到热处理炉内，从室温开始加热，控制加热至300-800℃，并进行保温不超过6h，使传热管预制体的内衬前驱体合金材料中的高蒸气压金属元素在高温下挥发，从传热管预制体的前驱体合金材料层中分离出来，并在加热情况下不影响前驱体合金材料层中不易挥发的金属元素，使传热管预制体的前驱体合金材料层中的不易挥发的金属元素继续保留在前驱体合金材料层中形成孔洞，从而堆积形成空间连续的多孔结构，完成高温元素蒸发工艺过程，得到具有多孔毛细孔结构内衬的传热管件；

c.在所述步骤b中的高温元素蒸发工艺过程中，在管内衬合金材料中蒸气压较高的金属元素从表面及内部不断被升华或蒸发除掉后，停止保温后使传热管件随炉冷却，最终在传热管件的管壳内壁上形成一层连续的多孔结构，其中多孔层厚度为50-200μm，微孔的平均孔径大小为2-100μm，得到具有多孔毛细孔结构内衬的传热管件成品。

作为本发明优选的技术方案，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中采用的加热温度及保温时间中的任意几种制备工艺条件进行选择和控制，来调控多孔结构内衬的孔径大小及多孔结构内衬层的厚度。

本发明的机理如下：

本发明采用高温元素蒸发法制备多孔金属，涉及到高蒸气压金属元素的挥发和剩余不易挥发的金属元素的聚集。采用的多孔前驱体合金材料其特征在于至少有一种为高蒸气压元素，且合金元素之间存在较大蒸气压差，在加热条件下能将合金体系中能令高蒸气压元素迅速挥发，而不影响其它元素。最终不会挥发的金属元素将会发生聚集，从而会呈现出连续的多孔结构。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。简言之，就是高蒸气压金属元素的升华和不平衡扩散造成的柯肯达尔孔洞。

本发明提供一种热管多孔毛细芯的新制备方法——高温元素蒸发法。高温元素蒸发法，亦称物理去合金化法，是指在均匀的合金中或固溶体中利用一种或几种元素在同一温度下蒸气压和元素的扩散速率的不同，在持续真空环境中，蒸气压较高的元素从表面以及内部不断被升华或除掉，最终形成孔洞。高温元素蒸发工艺有效地解决了电化学和化学去合金中贵贱元素的电位阈值和元素种类的限制，可以制备出含有多种元素、孔隙率可调节的多孔材料，其工艺简单，适合规模化生产。高温元素蒸发法选取的合金体系范围较广，如Zn-Cu、Mn-Cu、Mn-Fe等合金体系。通常情况下，合金体系中只要有较另一合金元素更易蒸发的元素，那么该合金体系就可以利用高温元素蒸发法制备多孔金属。其原理为扩散理论中的“柯肯达尔效应(Kirkendall效应)”，利用高蒸气压金属元素的升华和不平衡扩散造成的柯肯达尔空洞，获得微米孔金属。

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.本发明方法将制备好的耐热耐高温管壳连同多孔前驱体合金内衬一同放到热处理炉内从室温开始加热，从而获得多孔结构；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结构，使热管传热效率大大提高；

2.本发明方法采用Zn合金体系，一方面是因为Zn在加热条件下极易挥发，且若成分选取得当，可直接优选采用市售黄铜作为多孔前驱体合金体系，较方便；另一方面，选择Zn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.本发明方法采用高温元素蒸发法，不仅能通过提高多孔结构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为本发明实施例一利用高温元素蒸发工艺制备具有多孔结构内衬的高换热率传热管件的方法的工艺原理图。

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1，一种利用高温元素蒸发工艺制备具有多孔结构内衬的高换热率传热管件的方法，采用高温元素蒸发法进行制备多孔金属材料，作为热管的多孔结构内衬层，其步骤如下：

a.采用壁厚为100mm的中空耐热耐高温的不锈钢金属管作为管壳，将多孔前驱体合金材料层作为内衬紧贴着管壳内壁设置，作为内衬的上述多孔前驱体合金材料层优选采用Zn-Cu合金制成，多孔前驱体合金材料层中的Zn的原子数百分含量为75at.％，对多孔前驱体合金材料层进行挤压，使得前驱体合金材料层与管壳内壁紧密接触，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，并控制前驱体合金材料层的原始厚度为10mm，由前驱体合金材料层围合形成管腔，形成由耐热耐高温管壳连同内衬组成的传热管预制体，形成含内衬的双层中空管结构；作为内衬的上述多孔前驱体合金材料层是由在同一温度下的蒸气压和扩散速率不同的Zn和Cu两种金属元素组成的合金材料制成，Zn在加热条件下极易挥发；

b.将在所述步骤a中制备好的传热管预制体放到热处理炉内，从室温开始加热，控制加热至800℃，并进行保温不超过5h，使传热管预制体的内衬前驱体合金材料中的具有相对较高蒸气压的Zn金属元素在高温下挥发，使Zn元素从传热管预制体的前驱体合金材料层中分离出来，并在加热情况下不影响前驱体合金材料层中不易挥发的Cu金属元素，使传热管预制体的前驱体合金材料层中的不易挥发的Cu金属元素继续保留在前驱体合金材料层中形成孔洞，从而堆积形成空间连续的多孔结构，完成高温元素蒸发工艺过程，得到具有多孔毛细孔结构内衬的传热管件；

c.在所述步骤b中的高温元素蒸发工艺过程中，在管内衬合金材料中具有相对较高蒸气压的Zn金属元素从表面及内部不断被升华或蒸发除掉后，停止保温后使传热管件随炉冷却，最终在传热管件的管壳内壁上形成一层连续的多孔结构，其中多孔层厚度为120-200μm，微孔的平均孔径大小为40-100μm，得到具有多孔毛细孔结构内衬的传热管件成品。

参见图1，本实施例用Zn-Cu合金体系，一方面是因为Zn在加热条件下极易挥发，且若成分选取得当，直接采用市售黄铜作为多孔前驱体合金体系，较方便。另一方面，选择Zn-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，本实施例所述方法能很好地满足此类需求。本实施例将含内衬的双层中空管进行高温热处理从而直接在管内壁获得多孔毛细芯结构，将含内衬的双层中空管放入到真空热处理炉内进行热处理，在一定的温度下保温一段时间，将热处理进行到一定程度，管内衬合金材料中蒸气压较高的金属元素受热将从表面以及内部不断被升华或蒸发除掉，停止保温后随炉冷却，最终留下较为稳定的金属元素形成孔洞，在管壳内壁上形成一层连续的多孔结构。本实施例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结构，使热管传热效率大大提高；本实施例采用高温元素蒸发法，不仅能通过提高多孔结构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。

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，一种利用高温元素蒸发工艺制备具有多孔结构内衬的高换热率传热管件的方法，采用高温元素蒸发法进行制备多孔金属材料，作为热管的多孔结构内衬层，其步骤如下：

a.采用壁厚为40mm的中空耐热耐高温的不锈钢金属管作为管壳，将多孔前驱体合金材料层作为内衬紧贴着管壳内壁设置，作为内衬的上述多孔前驱体合金材料层优选采用Mg-Cu合金制成，多孔前驱体合金材料层中的Mg的原子数百分含量为75at.％，对多孔前驱体合金材料层进行挤压，使得前驱体合金材料层与管壳内壁紧密接触，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，并控制前驱体合金材料层的原始厚度为4mm，由前驱体合金材料层围合形成管腔，形成由耐热耐高温管壳连同内衬组成的传热管预制体，形成含内衬的双层中空管结构；作为内衬的上述多孔前驱体合金材料层是由在同一温度下的蒸气压和扩散速率不同的Mg和Cu两种金属元素组成的合金材料制成，Mg在加热条件下极易挥发；

b.将在所述步骤a中制备好的传热管预制体放到热处理炉内，从室温开始加热，控制加热至300℃，并进行保温不超过2h，使传热管预制体的内衬前驱体合金材料中的具有相对较高蒸气压的Mg金属元素在较高温下挥发，使Mg元素从传热管预制体的前驱体合金材料层中分离出来，并在加热情况下不影响前驱体合金材料层中不易挥发的Cu金属元素，使传热管预制体的前驱体合金材料层中的不易挥发的Cu金属元素继续保留在前驱体合金材料层中形成孔洞，从而堆积形成空间连续的多孔结构，完成高温元素蒸发工艺过程，得到具有多孔毛细孔结构内衬的传热管件；

c.在所述步骤b中的高温元素蒸发工艺过程中，在管内衬合金材料中具有相对较高蒸气压的Mg金属元素从表面及内部不断被升华或蒸发除掉后，停止保温后使传热管件随炉冷却，最终在传热管件的管壳内壁上形成一层连续的多孔结构，其中多孔层厚度为50-120μm，微孔的平均孔径大小为2-40μm，得到具有多孔毛细孔结构内衬的传热管件成品。

本实施例将含内衬的双层中空管进行高温热处理从而直接在管内壁获得多孔毛细芯结构，将含内衬的双层中空管放入到真空热处理炉内进行热处理，在一定的温度下保温一段时间，将热处理进行到一定程度，管内衬合金材料中蒸气压较高的金属元素受热将从表面以及内部不断被升华或蒸发除掉，停止保温后随炉冷却，最终留下较为稳定的金属元素形成孔洞，在管壳内壁上形成一层连续的多孔结构。本实施例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结构，使热管传热效率大大提高；本实施例采用高温元素蒸发法，不仅能通过提高多孔结构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。

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，一种利用高温元素蒸发工艺制备具有多孔结构内衬的高换热率传热管件的方法，采用高温元素蒸发法进行制备多孔金属材料，作为热管的多孔结构内衬层，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中采用的加热温度及保温时间中的任意几种制备工艺条件进行选择和控制，来调控多孔结构内衬的孔径大小及多孔结构内衬层的厚度。

本实施例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，满足多样化的需要，本实施例的高温元素蒸发法不仅能通过提高多孔结构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。

总之，本发明上述实施例制备高换热率传热管时，采用高温元素蒸发工艺制备热管的多孔毛细芯结构，将含内衬的双层中空管放入到真空热处理炉内进行热处理，在一定的温度下保温一段时间，管内衬合金材料中蒸气压较高的金属元素受热将从表面以及内部不断被升华或蒸发除掉，最终留下较为稳定的金属元素形成孔洞，多孔结构的孔径大小及多孔层的厚度可通过内衬的厚度和加工工艺进行调节。本发明上述实施例所提供的热管多孔结构的制备方法较化学去合金化法存在极大的优势，采用高温元素蒸发工艺有效地解决了电化学和化学去合金中贵贱元素的电位阈值和元素种类的限制，能制备出含有多种元素、孔隙率可调节的多孔材料，其工艺简单，适合规模化生产。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，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，只要不背离本发明用高温元素蒸发工艺制备具有多孔结构内衬的高换热率传热管件的方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种利用高温元素蒸发工艺制备具有多孔结构内衬的高换热率传热管件的方法，其特征在于，采用高温元素蒸法进行制备多孔金属材料，作为热管的多孔结构内衬层，其步骤如下：

a.采用壁厚为40-100mm的中空耐热耐高温的金属管作为管壳，将多孔前驱体合金材料层作为内衬紧贴着管壳内壁设置，对多孔前驱体合金材料层进行挤压，使得前驱体合金材料层与管壳内壁紧密接触，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，并控制前驱体合金材料层的原始厚度为4-10mm，由前驱体合金材料层围合形成管腔，形成由耐热耐高温管壳连同内衬组成的传热管预制体，形成含内衬的双层中空管结构；

b.将在所述步骤a中制备好的传热管预制体放到热处理炉内，从室温开始加热，控制加热至300-800℃，并进行保温不超过6h，使传热管预制体的内衬前驱体合金材料中的高蒸气压金属元素在高温下挥发，从传热管预制体的前驱体合金材料层中分离出来，并在加热情况下不影响前驱体合金材料层中不易挥发的金属元素，使传热管预制体的前驱体合金材料层中的不易挥发的金属元素继续保留在前驱体合金材料层中形成孔洞，从而堆积形成空间连续的多孔结构，完成高温元素蒸发工艺过程，得到具有多孔毛细孔结构内衬的传热管件；

c.在所述步骤b中的高温元素蒸发工艺过程中，在管内衬合金材料中蒸气压较高的金属元素从表面及内部不断被升华或蒸发除掉后，停止保温后使传热管件随炉冷却，最终在传热管件的管壳内壁上形成一层连续的多孔结构，其中多孔层厚度为50-200μm，微孔的平均孔径大小为2-100μm，得到具有多孔毛细孔结构内衬的传热管件成品。

2.根据权利要求1所述利用高温元素蒸发工艺制备具有多孔结构内衬的高换热率传热管件的方法，其特征在于：在所述步骤a中，作为内衬的所述多孔前驱体合金材料层是由在同一温度下的蒸气压和扩散速率不同的至少两种金属元素组成的合金材料制成。

3.根据权利要求1所述利用高温元素蒸发工艺制备具有多孔结构内衬的高换热率传热管件的方法，其特征在于：在所述步骤a中，作为内衬的所述多孔前驱体合金材料层中的蒸气压较高的金属元素采用Zn，其中Zn的原子数百分含量不高于75at.％。

4.根据权利要求1所述利用高温元素蒸发工艺制备具有多孔结构内衬的高换热率传热管件的方法，其特征在于：在所述步骤a中，作为内衬的所述多孔前驱体合金材料层采用Zn-Cu、Mg-Cu和Mn-Cu中的任意一种二元合金或者任意几种二元合金材料复合的多元合金制成。

5.根据权利要求1所述利用高温元素蒸发工艺制备具有多孔结构内衬的高换热率传热管件的方法，其特征在于：在所述步骤a中，耐热耐高温的金属管采用不锈钢管。

6.根据权利要求1所述利用高温元素蒸发工艺制备具有多孔结构内衬的高换热率传热管件的方法，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中采用的加热温度及保温时间中的任意几种制备工艺条件进行选择和控制，来调控多孔结构内衬的孔径大小及多孔结构内衬层的厚度。