一种基于液态金属混合工质的脉动热管制造技术

本实用新型专利技术提供一种基于液态金属混合工质的脉动热管，包括三通充液口和集成加热段、绝热段、冷凝段的毛细通道阵列，所述三通充液口的两个水平方向上的通口与毛细通道阵列的两个端口相连接，所述毛细通道阵列的内表面具有由表面改性技术处理得到的微结构表面，所述毛细通道阵列内的工质是主要由液态金属及与液态金属兼容的兼容流体组成的混合工质，所述兼容流体在微结构表面上形成汽垫和涡流。本实用新型专利技术的微结构表面上形成的细薄膜蒸发能显著强化蒸发速率；液态金属具有高效导热特性，能显著提升工质吸放热速度；兼容流体在微结构表面形成汽垫以及涡流，有效降低工质的流动阻力，提升流动速度并强化对流换热。本实用新型专利技术具有结构新颖、传热系数高等优点。

A pulsating heat pipe based on liquid metal mixture

【技术实现步骤摘要】
一种基于液态金属混合工质的脉动热管
本技术所述的基于液态金属混合工质的脉动热管，涉及一种传热元件，具体为由具有微结构表面的脉动热管及其内部的液态金属及兼容流体工质组成的基于液态金属混合工质的脉动热管。
技术介绍
现代高新科技与应用的创新已把着眼点放在了微纳米尺度上，如超大规模集成电路与芯片、高功率激光器以及微能量系统等。微电子系统和设备的速度越来越快，同时体积也越来越小，导致局部热产急剧升高。现有用以提高散热效率的传统方法已几乎达到极限，缺乏新的有效散热方法已经成为制约新技术发展的主要瓶颈之一。因此，开展高热流密度下的高效散热技术研究是非常紧迫和必要的。脉动热管作为热管家族的特殊一员，有着与普通热管完全不同的工作机制，具有众多独特的优点，已经成为未来高热流密度下散热问题最具前景的技术解决方案之一。研究表明脉动热管主要靠显热传热，这就意味着若要大幅提升脉动热管的传热性能，主要还是要依靠脉动速度的提升，这也是脉动热管随着加热功率的升高而热阻大幅降低的主要原因。但随着脉动速度的增加，必将面临如下几个关键问题：(1)若液柱的导热能力较差，则液柱在放热端来不及放热或者释放很少的热量后就返回加热段，传热性能将无法提升，甚至停止工作；(2)在脉动速度提升后，管内流动阻力将增大，导致所需驱动力增加，即吸热端温度显著上升，导致传热性能恶化；(3)脉动速度提升时，吸热端的蒸发速度要足够快，即热流密度高，以满足快速驱动的要求。众所周知，液态金属具有较高的导热系数，高出普通液体1个甚至2个数量级，如水的导热系数为0.65W/mK左右，而镓铟锡液态合金可达40W/mK左右。为解决上述问题，大幅提升脉动热管的传热性能，有效解决高热流密度下的传热问题，因此，专利技术一种基于液态金属混合工质的脉动热管，将为解决高热流密度下的快速传热问题提供一种新的思路与高效方案，同时为高效脉动热管的研究开辟新的方向。
技术实现思路
根据上述提出的现有技术中脉动热管在高热流密度下难以快速传热的技术问题，而提供一种基于液态金属混合工质的脉动热管。本技术主要利用脉动热管内制作的微结构表面，兼容流体工质在微结构表面细薄膜蒸发大幅提升热流密度，显著强化吸热端的蒸发速度；利用液态金属高效导热的特性，可以显著提升吸放热速度；利用兼容流体在微结构表面形成汽垫和涡流，有效降低工质流动阻力，提升流动速度并强化对流换热；通过将液态金属的高效导热、汽垫减阻下快速脉动流动的强化对流传热、局部涡流强化换热以及细薄膜蒸发的快速相变传热有机的结合起来，提高脉动热管在高热流密度下的高效传热能力。本技术采用的技术手段如下：一种基于液态金属混合工质的脉动热管，包括三通充液口和集成加热段、绝热段、冷凝段的毛细通道阵列，所述三通充液口的两个水平方向上的通口和毛细通道阵列的两个端口相连接，所述毛细通道阵列的内表面具有由表面改性技术处理得到的微结构表面，所述毛细通道阵列内的工质是主要由液态金属及与所述液态金属兼容的兼容流体组成的混合工质。进一步地，在吸热条件下，所述兼容流体在微结构表面上形成汽垫和涡流；工作过程中，加热段的微结构表面中的兼容流体在吸热的条件下蒸发，在液态金属和微结构表面之间形成一层薄薄的汽垫，并随着液柱的流动形成局部涡流，在冷凝段的微结构表面内也随着液柱的流动产生局部涡流；兼容流体受热蒸发可驱动液态金属在脉动热管内脉动，结合液态金属的高导热特性，可以提升脉动热管在高热流密度时工质吸放热能力；兼容流体在微结构表面上形成的细薄膜蒸发大幅提升热流密度，显著强化吸热端的蒸发速度；液态金属及与液态金属兼容的兼容流体在汽垫和涡流的作用下可有效降低液态金属和兼容流体的流动阻力，提升流动速度及强化对流传热，可以增强脉动热管在超高热流密度下工作的热传输能力，同时增加工作温度范围。进一步地，所述微结构表面是指在毛细通道阵列内表面圆周方向上设置的微纳米结构Ⅰ。进一步地，所述微结构表面是指在毛细通道阵列内表面圆周方向上设置的微纳米结构Ⅰ与沿通道方向上设置的微纳米结构Ⅱ的复合结构。进一步地，所述微结构表面是由表面改性技术得到的微纳米结构，所述微纳米结构Ⅰ和所述微纳米结构Ⅱ的形状至少为三角沟槽形状、截面锯齿状、矩形状、梯形状或半圆状中的一种，或一种以上的组合形式；所述表面改性技术为机械加工，或化学处理，或电镀，或激光刻蚀，或等离子喷涂。进一步地，所述毛细通道阵列内的工质的体积充液率范围为20％～80％。进一步地，所述混合液中含有10％～90％的液态金属和10％～90％的兼容流体。进一步地，所述液态金属至少为液态汞、镓铟锡合金、镓铟合金或铟铋合金中的一种，或一种以上的组合形式。进一步地，所述兼容流体为水，或氟利昂制冷剂类，或醇类，与液态金属3兼容不反应，且沸点比液态金属低。较现有技术相比，本技术具有以下优点：1、本技术提供的基于液态金属混合工质的脉动热管，利用液态金属及与液态金属3兼容的兼容流体作为基于液态金属混合工质的脉动热管的工质，液态金属具有高效导热特性，热量将在加热段快速吸热，随着液柱的快速脉动流动，热量将在冷凝段得以快速释放，从而大幅提升吸放热速度，在高热流密度下具有良好的传热能力，传热系数高。2、本技术提供的基于液态金属混合工质的脉动热管，将脉动热管内表面利用表面改性技术得到微结构表面，兼容流体在微结构表面形成细薄膜快速蒸发，显著强化了脉动热管内蒸发端工质的蒸发速率，有效增强了工质脉动的驱动力，解决了高热流密度下工质脉动对驱动力的需求。3、本技术提供的基于液态金属混合工质的脉动热管，采用的兼容流体在微结构表面形成汽垫和涡流，有效降低工质流动阻力，提升流动速度并强化对流换热，增强脉动热管在高热流密度下的适应性，增大脉动热管的温度使用范围。4、本技术提供的基于液态金属混合工质的脉动热管，具有结构新颖、成本低、质量轻、易加工、传热系数高和使用范围广等优点，其大批量投入市场必将产生积极的社会效益和显著的经济效益。综上，应用本技术的技术方案能够解决现有技术中脉动热管在高热流密度下难以快速传热的问题。基于上述理由本技术可在使用脉动热管传热的航空、军工等领域广泛推广。附图说明为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本技术的结构示意图。图2为本技术A处的结构示意图。图3为本技术B处的结构示意图。图4为本技术B处复合结构的结构示意图。图中：1、三通充液口；2、毛细通道阵列；3、液态金属；4、兼容流体；5.微结构表面；6、汽垫和涡流；7、微纳米结构Ⅰ；8、微纳米结构Ⅱ。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于液态金属混合工质的脉动热管，包括三通充液口(1)和集成加热段、绝热段、冷凝段的毛细通道阵列(2)，所述三通充液口(1)的两个水平方向上的通口与毛细通道阵列(2)的两个端口相连接，其特征在于，所述毛细通道阵列(2)的内表面具有由表面改性技术处理得到的微结构表面(5)，所述毛细通道阵列(2)内的工质是主要由液态金属(3)及与所述液态金属(3)兼容的兼容流体(4)组成的混合工质。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于液态金属混合工质的脉动热管，包括三通充液口(1)和集成加热段、绝热段、冷凝段的毛细通道阵列(2)，所述三通充液口(1)的两个水平方向上的通口与毛细通道阵列(2)的两个端口相连接，其特征在于，所述毛细通道阵列(2)的内表面具有由表面改性技术处理得到的微结构表面(5)，所述毛细通道阵列(2)内的工质是主要由液态金属(3)及与所述液态金属(3)兼容的兼容流体(4)组成的混合工质。


2.根据权利要求1所述的基于液态金属混合工质的脉动热管，其特征在于，在吸热条件下，所述兼容流体(4)在微结构表面(5)上形成汽垫和涡流(6)。


3.根据权利要求1所述的基于液态金属混合工质的脉动热管，其特征在于，所述微结构表面(5)是指在毛细通道阵列(2)内表面圆周方向上设置的微纳米结构Ⅰ(7)。


4.根据权利要求1所述的基于液态金属混合工质的脉动热管，其特征在于，所述微结构表面(5)是指在毛细通道阵列(2)内表面圆周方向上设置的微纳米结构Ⅰ(7)与沿通道方向上设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪玉龙，庾春荣，褚李林，肖秀，马鸿斌，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：新型
国别省市：辽宁;21