一种孔径自适应调整吸液芯及智能柔性热管

1.本发明涉及柔性热管传热传质技术领域，特别涉及一种孔径自适应调整吸液芯及智能柔性热管。


背景技术：

2.相变传热技术凭借其高传热效率、高稳定性、长寿命和低成本等优势已经成为解决电子器件高热流密度散热难题的首要选择，热管作为常用典型的相变传热元件，从航空航天到地面工业等各个领域的应用得到了高度的认可。当前柔性热管的核心部件吸液芯通常为固定结构，然而，热管工况温度变化对吸液芯所需最优毛细力也发生改变。因而智能化热管概念的提出是提升传热性能的解决方案，重点在于提出一种孔径自适应调整吸液芯。
3.柔性热管依靠内部吸液芯结构提供工质凝结液回流的动力，高孔隙率、高渗透率和高毛细力是衡量吸液芯质量的三个重要标准。常见的吸液芯结构主要有：微槽道型、粉末烧结型、烧结丝网型、泡沫金属型；微槽道型流动阻力小但加工工艺复杂、成本较高；粉末烧结型具备较大毛细力、应用范围广且技术成熟，但液体渗透率较差；烧结丝网型可控制孔隙率并且常应用于柔性热管中，但丝网层与管壁间热阻较大；泡沫金属型价格较低但内部闭孔多且难以控制成型。近年来，复合吸液芯成为研究的重点，可以结合各类吸液芯的优点达到整体最优的设计方案，如多层丝网复合、丝网与粉末复合、粉末与沟槽复合等。但热管实际工作中，不同工况对吸液芯最优毛细力有着不同需求：处于高功率下，蒸发端孔径减小提供强毛细力促进液体回流，冷凝端则增大孔径以减少流动阻力，低功率则相反。
4.为解决上述问题，相关研究提出了复合型渐变式吸液芯结构，通过控制不同段粉末直径、丝网目数、微槽道尺寸等手段设计具有明显孔径变化的结构。通过前期设计优化，渐变式相比于单一孔径吸液芯结构在毛细力、渗透率和孔隙率三者之间能达到更优平衡，单一工况下的热管具备较好的综合性能。但大多数应用场景中，热端功率在较大范围内进行波动，渐变式吸液芯结构的热管在偏离最优工况下传热传质性能明显下降，即无法在低功率和高功率下保持均一性能。
5.因此，有必要开发一种孔径自适应调整吸液芯及智能柔性热管。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种孔径自适应调整吸液芯及智能柔性热管，以此来解决吸液芯结构在毛细力和流动阻力之间的矛盾关系，以及解决当前热管无法根据工况温度对内部吸液芯孔径自适应调整，而造成热阻高、极限功率低等的问题。具备热响应能力的敏感单元和提供毛细力的多孔结构配合组成吸液芯，多孔结构提供液体回流所需毛细力和敏感单元空腔提供蒸汽通道，工作段因温度差引起敏感单元产生不同收缩量从而驱动多孔结构孔径发生改变，吸液芯孔径实现自适应调整。
7.采用具有热响应功能敏感单元配合提供毛细力的多孔结构，通过对骨架敏感单元进行响应温度编程实现自适应调整多孔结构孔径，吸液芯结构在全功率段下智能匹配最优
毛细力、渗透率和孔隙率的三者平衡点。如在低功率下工况温度较低，热端敏感单元收缩/舒张形变量小，吸液芯孔径大允许少量的蒸汽具备较低的传输阻力；在高功率下工况温度高，所引起敏感单元收缩/舒张形变量大，吸液芯孔径小能促进工质液体回流至热端，提高热管极限功率。同时，利用热响应敏感单元作为吸液芯的支撑和驱动结构，在保证蒸汽通道通畅外，实现刚性材料应用于柔性热管中。
8.为了实现以上目的，本发明的技术方案之一为：一种孔径自适应调整吸液芯，包括热响应能力敏感单元、多孔结构和固定端，所述热响应能力敏感单元设置于多孔结构中，多孔结构两端与热响应能力敏感单元两端相齐，所述固定端设置于热响应能力敏感单元和多孔结构的两端，所述热响应能力敏感单元为记忆合金弹簧、4d打印水凝胶结构、超材料折纸结构中的一种或多种。
9.在本发明一较佳实施方式中，所述固定端通过焊接、胶粘、机械固定等一种或多种方式，实现多孔结构与热响应能力敏感单元的左右两端实现固定，发生热响应位移时能带动多孔结构发生孔径的变化。
10.更进一步的，所述固定端可以为端片、卡簧、挡圈的一种。
11.更进一步的，所述记忆合金弹簧为热收缩弹簧和普通弹簧、热拉伸弹簧和普通弹簧、热收缩弹簧和热拉伸弹簧的一种或多种编程组合。针对热源端和冷凝端采取不同功能的弹簧编程组合。
12.再进一步的，所述热收缩弹簧和热拉伸弹簧为cuznal记忆合金弹簧或tini记忆合金弹簧，在特定温度下不同工作段实现收缩/拉伸效果。记忆合金弹簧相变温度取决于材料选型和弹簧编程组合，收缩时相变温度为70～120℃，拉伸时相变温度为20～40℃。
13.在本发明一较佳实施方式中，所述多孔结构为编织金属网、泡沫金属网、3d打印水凝胶多孔结构等其中的一种或多种。
14.更进一步的，所述编织金属网为金属丝通过丝网编织工艺形成横截面为圆形的丝网；所述金属丝材料为铝合金、不锈钢、紫铜等其中的一种或多种；所述编织金属网具有明显孔径，其孔径尺寸为100～400目。
15.为了实现以上目的，本发明的技术方案之二为：一种含有孔径自适应调整吸液芯的智能柔性热管。
16.孔径自适应调整吸液芯用于提供蒸汽通道和液体回流毛细力，热管工况温度变化引起热响应敏感单元发生收缩/拉伸并实现多孔材料孔径结构的自适应调整。
17.在本发明一较佳实施方式中，所述智能柔性热管包括外壳和孔径自适应调整吸液芯。
18.在本发明一较佳实施方式中，所述外壳通过焊接提供密封空间保证工作所需真空度。
19.更进一步的，所述真空度通过相关机器抽取排出内部空气并再焊接实现，所述真空度数值为4～6kpa。
20.在本发明一较佳实施方式中，所述外壳材料为金属薄膜、聚合物薄膜、聚合物-金属复合膜等高柔性薄膜的一种，其厚度在0.05～0.2mm之间。
21.更进一步的，所述金属薄膜材料为铜、铝、不锈钢等其中一种；所述聚合物薄膜材料为pp(聚丙烯)、pe(聚乙烯)、pet(低密度聚对苯二甲酸乙二醇酯)等其中一种或多种。
22.在本发明一较佳实施方式中，所述外壳的焊接工艺为热压焊接、低温扩散焊、超声波焊接等焊接工艺的一种或多种。
23.智能柔性热管注液端的工作液为无水乙醇、去离子水、丙酮等其中的一种。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
25.1、本发明采用热响应弹簧、编织金属网和端片实现了一种具有自适应调整孔径尺寸大小的吸液芯结构；其中编织金属网提供液体回流所需毛细力和弹簧空腔提供蒸汽通道，工作段因温度差引起弹簧产生不同收缩量从而驱动编织金属网孔径发生改变，吸液芯孔径实现自适应调整；
26.2、本发明采用柔性薄膜作为热管外壳材料，内部吸液芯的骨架和驱动采用热响应弹簧材料，刚性弹簧提供热管工作所需蒸汽空间的同时具备全段柔性能力，因此在大角度、小半径、多次数下弯折后仍能保持较低热阻和较优传热性能。
27.3、本发明自适应调整吸液芯具备感知、响应和反馈的智能结构，其中热响应敏感单元具备感知工况变化引起的温度波动，根据编程组合发生热收缩/拉伸的响应，引起多孔结构吸液芯调整孔径提高传热效率并随之降低温度波动。
附图说明
28.图1为本发明的含有孔径自适应调整吸液芯的智能柔性热管的整体结构示意图，
29.图中：1-外壳、2-孔径自适应调整吸液芯；
30.图2为本发明的孔径自适应调整吸液芯的柔性变形示意图，
31.图中：21-端片、22-热响应弹簧、23-编织金属网；
32.图3为本发明的智能热管注液端方向示意图，
33.图中：11-外壳、12-注液孔、21-端片。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例对本发明进行更详细地描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。文中相同的附图标记始终代表相同的元件，相似的附图标记代表相似的元件。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“横”、“竖”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图中的立体图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.一种孔径自适应调整吸液芯，包括热响应能力敏感单元、多孔结构和固定端，所述热响应能力敏感单元设置于多孔结构中，多孔结构两端与热响应能力敏感单元两端相齐，所述固定端设置于热响应能力敏感单元和多孔结构的两端，所述热响应能力敏感单元为记忆合金弹簧、4d打印水凝胶结构、超材料折纸结构中的一种或多种。
37.所述固定端通过焊接、胶粘、机械固定等一种或多种方式，实现多孔结构与热响应能力敏感单元的左右两端实现固定，发生热响应位移时能带动多孔结构发生孔径的变化。
38.所述固定端可以为端片、卡簧、挡圈的一种。
39.所述记忆合金弹簧为热收缩弹簧和普通弹簧、热拉伸弹簧和普通弹簧、热收缩弹
簧和热拉伸弹簧的一种或多种编程组合。针对热源端和冷凝端，编程组合采取不同功能的弹簧组合。
40.所述热收缩弹簧和热拉伸弹簧为cuznal记忆合金弹簧或tini记忆合金弹簧，在特定温度下不同工作段实现收缩/拉伸效果。记忆合金弹簧相变温度取决于材料选型和弹簧编程组合，收缩时相变温度为70～120℃，拉伸时相变温度为20～40℃。
41.所述多孔结构为编织金属网、泡沫金属网、3d打印水凝胶多孔结构等其中的一种或多种。
42.所述编织金属网为金属丝通过丝网编织工艺形成横截面为圆形的丝网；所述金属丝材料为铝合金、不锈钢、紫铜等其中的一种或多种；所述编织金属网具有明显孔径，其孔径尺寸为100～400目。
43.一种含有孔径自适应调整吸液芯的智能柔性热管。
44.所述智能柔性热管包括外壳和孔径自适应调整吸液芯。
45.所述外壳通过焊接提供密封空间保证工作所需真空度。
46.所述真空度通过相关机器抽取排出内部空气并再焊接实现，所述真空度数值为4～6kpa。
47.所述外壳材料为金属薄膜、聚合物薄膜、聚合物-金属复合膜等高柔性薄膜的一种，其厚度在0.05～0.2mm之间。
48.所述金属薄膜材料为铜、铝、不锈钢等其中一种；所述聚合物薄膜材料为pp(聚丙烯)、pe(聚乙烯)、pet(低密度聚对苯二甲酸乙二醇酯)等其中一种或多种。
49.所述外壳的焊接工艺为热压焊接、低温扩散焊、超声波焊接等焊接工艺的一种或多种。
50.实施例1
51.一种具有孔径自适应调整吸液芯的智能柔性热管，其整体结构如图1所示，包括外壳1和孔径自适应调整吸液芯2。孔径自适应调整吸液芯如图2所示，包括端片21、热响应弹簧22、编织金属网23，工作段因温度差引起热响应弹簧22产生不同收缩量从而驱动编织金属网23孔径发生改变，吸液芯孔径实现自适应调整，同时能实现大角度、小半径的柔性弯折。智能柔性热管注液端如图3所示，外壳焊接边11在热压焊接工艺下实现密封，热压温度为210℃，施加0.5mpa压力。通过注液孔12给内部密封空间抽至4～6kpa真空度，并注入工作液，工作液为去离子水，充液率为50％。
52.上述含有孔径自适应调整吸液芯的智能柔性热管通过如下实现步骤：
53.(1)前期准备：外壳1薄膜进行适当尺寸的裁剪，热响应弹簧22和编织金属网23按一定结构实现配合组成孔径自适应调整吸液芯2；
54.(2)加工制备：在模具限定下，布置外管道，外壳1和吸液芯通过热压焊接工艺实现密封，抽真空、灌工质、再密封等工艺流程后完成智能柔性热管样品的制备；
55.(3)样品测试：热管一端布置点热源，样品等间距布置热电偶，在阶梯式热负荷输入下测试热管温度分布规律；热管一端固定、另一端自由，在测试装置运行下测试0
°
到90
°
、弯折半径为5mm的弯折寿命。柔性热管经过30000次以上自由弯折后，外壳1薄膜并未出现破损，并且内部真空度没出现明显下降。
56.在低功率下工况温度较低，热端弹簧收缩/舒张形变量小，吸液芯孔径大允许少量
的蒸汽具备较低的传输阻力；在高功率下工况温度高，所引起弹簧收缩/舒张形变量大，吸液芯孔径小能促进工质液体回流至热端，提高热管极限功率。
57.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种孔径自适应调整吸液芯，其特征在于，包括热响应能力敏感单元、多孔结构和固定端，所述热响应能力敏感单元设置于多孔结构中，多孔结构两端与热响应能力敏感单元两端相齐，所述固定端设置于热响应能力敏感单元和多孔结构的两端，所述热响应能力敏感单元为记忆合金弹簧、4d打印水凝胶结构、超材料折纸结构中的一种或多种。2.如权利要求1所述的孔径自适应调整吸液芯，其特征在于，所述记忆合金弹簧为热收缩弹簧和普通弹簧、热拉伸弹簧和普通弹簧、热收缩弹簧和热拉伸弹簧的一种或多种编程组合。3.如权利要求2所述的孔径自适应调整吸液芯，其特征在于，所述热收缩弹簧和热拉伸弹簧为cuznal记忆合金弹簧或tini记忆合金弹簧。4.如权利要求1所述的孔径自适应调整吸液芯，其特征在于，所述多孔结构为编织金属网、泡沫金属网、3d打印水凝胶多孔结构中的一种或多种。5.如权利要求4所述的孔径自适应调整吸液芯，其特征在于，所述编织金属网为金属丝通过丝网编织工艺形成横截面为圆形的丝网；所述金属丝材料为铝合金、不锈钢、紫铜中的一种或多种；所述编织金属网孔径尺寸为100～400目。6.一种含有如权利要求1-5任一项所述的孔径自适应调整吸液芯的智能柔性热管。7.如权利要求6所述的智能柔性热管，其特征在于，包括外壳和孔径自适应调整吸液芯。8.如权利要求6所述的智能柔性热管，其特征在于，所述外壳通过焊接提供密封空间保证工作所需真空度，所述真空度数值为4～6kpa，所述外壳材料为高柔性薄膜中的一种，所述薄膜厚度为0.05～0.2mm。9.如权利要求8所述的智能柔性热管，其特征在于，所述高柔性薄膜包括金属薄膜、聚合物薄膜、聚合物-金属复合膜中的一种。10.如权利要求9所述的智能柔性热管，其特征在于，所述金属薄膜的材料为铜、铝、不锈钢中的一种，所述聚合物薄膜材料为pp、pe、pet中的一种或多种。

技术总结
本发明属于柔性热管传热传质技术领域，具体公开了一种孔径自适应调整吸液芯，包括热响应能力敏感单元、多孔结构和固定端，所述热响应能力敏感单元为记忆合金弹簧、4D打印水凝胶结构、超材料折纸结构中的一种或多种，所述多孔结构为编织金属网、泡沫金属网、3D打印水凝胶多孔结构中的一种或多种。本发明采用柔性薄膜作为热管外壳材料，内部吸液芯的骨架和驱动采用热响应弹簧材料，刚性弹簧提供热管工作所需蒸汽空间的同时具备全段柔性能力，因此在大角度、小半径、多次数下弯折后仍能保持较低热阻和较优传热性能。阻和较优传热性能。阻和较优传热性能。


技术研发人员：凌伟淞 崔家荣 周伟 徐文俊 胡展鹏 朱毅
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：2023.08.04
技术公布日：2023/10/15