[发明专利]一种液态金属微纳液滴为工质的脉动热管

说明书

本发明提供一种液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，包括脉动热管，所述脉动热管的工质是主要由液态金属和表面活性剂溶液组成的混合工质，所述液态金属被所述表面活性剂包覆，其中，所述脉动热管的蒸发段在加热条件下，产生大量微小气泡，所述液态金属被产生的气泡分散成多个具有微纳尺度的液态金属液滴，所述液态金属液滴分散在所述表面活性剂溶液中，所述液态金属液滴在所述脉动热管运行阶段自发产生；所述液态金属液滴为毫米级液滴、微米级液滴和纳米级液滴。本发明的脉动热管结合液态金属超高热导率和液态金属微纳液滴能产生局部微对流等特性，可显著提高脉动热管的传热性能和承载热负荷的能力。

技术领域

本发明涉及脉动热管研究技术领域，具体而言，尤其涉及一种液态金属微纳液滴为工质的脉动热管,应用于电子元件高效散热、工业余热回收和过程热量交换等技术领域。

背景技术

随着超大规模集成电路的发展，局部热流密度逐渐升高，若不能及时有效散热，则会引起芯片温度过高导致性能下降。因此微小尺寸下高热流密度的散热是制约集成电路发展的主要瓶颈。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，脉动热管耦合了相变传热和对流传热两种传热方式，有效热导率较高，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。

脉动热管的传热方式主要为蒸发段和冷凝段液弹振荡运动的显热传热。脉动热管的工质性质及流动状态显著影响脉动热管的传热性能，选择高热导率的工作介质将显著提高脉动热管的传热性能。液态金属(镓及其合金)是一种兼具金属高热导率和液体流动性的特殊材料，其热导率是水的几十倍，美国国家宇航局(NASA)于2014年将“液态金属冷却”列为未来前沿技术。研究发现使用液态金属和水为工质的脉动热管，脉动热管的传热性能明显提高(参见：Hao等，Journal of Heat Transfer,2019,141(7):071802)。液态金属还具有一独特性质，在气泡和表面活性剂溶液的作用下，液态金属镓能分散成尺寸为几十纳米至几千微米的液态金属液滴，形成一种以液态金属微纳液滴为工质的脉动热管。表面活性剂附着在液态金属液滴表面，使液态金属液滴更加稳定的存在。因此，发明一种液态金属微纳液滴工质的脉动热管将为解决微小尺寸下高热流密度的快速散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。

发明内容

根据上述提出随着超大规模集成电路的发展，局部热流密度逐渐升高，由于不能及时有效散热，引起芯片温度过高导致性能下降，微小尺寸下高热流密度的散热制约了集成电路的发展的技术问题，而提供一种液态金属微纳液滴为工质的脉动热管。本发明主要通过液态金属微纳液滴工质提高脉动热管的传热性能，传统脉动热管的工质主要包括：水、乙醇、丙酮及其混合物和纳米流体等。工质引入液态金属，利用液态金属超高热导率的特点，同时在表面活性剂的作用下，液态金属分散成稳定存在的微纳液滴，利用此液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，从而显著提高脉动热管的传热能力和承载热负荷的能力。

本发明采用的技术手段如下：

一种液态金属微纳液滴为工质的脉动热管，包括脉动热管，所述脉动热管的工质是主要由液态金属和表面活性剂溶液组成的混合工质，所述表面活性剂溶液由表面活性剂和水组成，所述液态金属被所述表面活性剂包覆，其中，所述脉动热管的蒸发段在加热条件下，产生大量微小气泡，所述液态金属被产生的气泡分散成多个具有微纳尺度的液态金属液滴，所述液态金属液滴分散在所述表面活性剂溶液中，所述表面活性剂的存在降低了溶液的表面张力，使液态金属液滴不易合并，形成稳定存在的微纳液滴；所述液态金属液滴在所述脉动热管运行阶段自发产生，脉动热管可使液态金属液滴在相变传热的压力差驱动下实现自发运动；所述液态金属液滴包括毫米级液滴、微米级液滴和纳米级液滴，所述液态金属液滴的尺寸分布从毫米级至纳米级。

进一步地，所述液态金属液滴尺寸具有一定分布范围，所述毫米级液滴、微米级液滴和纳米级液滴同时存在或微米级液滴和纳米级液滴同时存在。