[发明专利]碱金属热管吸液芯及其制备方法和热管

说明书

本发明公开了碱金属热管吸液芯及其制备方法和热管，碱金属热管吸液芯包括泡沫金属，所述泡沫金属的表面形成有碱金属针状纳米微粒，制备方法：将泡沫金属浸入含有碱金属离子的混合溶液中，然后取出泡沫金属进行高温烘烤。本发明利用氧化还原反应，采用泡沫金属表面复合针状纳米微粒的方法来形成微纳复合毛细结构，进一步减小微孔孔径，同时提升工质与毛细结构微孔的浸润性，减小接触角，有助于提高毛细极限。

技术领域

本发明涉及传热技术领域，具体涉及碱金属热管吸液芯及其制备方法和热管。

背景技术

典型的热管结构如图1所示，热管是一个两端封闭的真空金属管，根据工质流动状态可分为蒸发段、冷凝段和绝热段，其中绝热段可以根据实际情况选择是否需要。一般紧贴热管内壁的是一层或多层充满了工质的多孔介质，称为吸液芯。工质在蒸发段接受从热源传来经过热管壁的热量，逐渐蒸发通过吸液芯的气液交界面进入蒸汽腔，沿绝热段输送，到达冷凝段时在冷凝段处的气液交界面凝结成液体，热量再通过热管壁释放给冷源。变为液体的工质靠毛细力的作用沿吸液芯回流到蒸发段，准备下一次循环。在无重力作用的条件下，毛细力提供了工质在热管内部循环的全部动力，用来克服蒸汽在蒸汽腔内流动和液体在吸液芯内部回流产生的阻力。

碱金属吸液芯热管是以碱金属(钠，钾，锂等)为工作介质的热管，运行温度区间为600K～1400K，可作为高温输热设备用于核反应堆领域、航空航天等特种领域。

碱金属热管依靠物质相变产生的潜热实现热量传递，具有输热效率高、等温性能好、环境适应能力强等优点，但热管存在一系列某温度条件下可以实现的最大输热率限制着热管的输热能力，即热管的传热极限。研究表明，在高功率运行区间时，碱金属热管主要受到毛细传热极限的限制。

而影响碱金属热管毛细极限限值的关键结构是热管内部的吸液芯。优化热管吸液芯结构，可提升热管毛细极限和传热性能。

发明内容

本发明的目的在于提供碱金属热管吸液芯，采用泡沫金属表面复合针状纳米微粒的方法来形成微纳复合毛细结构，进一步减小微孔孔径，同时提升工质与毛细结构微孔的浸润性，减小接触角，以提高毛细极限。

此外，本发明还提供基于包括上述吸液芯的热管，以及上述吸液芯的制备方法

本发明通过下述技术方案实现：

碱金属热管吸液芯，包括泡沫金属，所述泡沫金属的表面形成有碱金属针状纳米微粒。

提升吸液芯毛细力的原理如下：

热管的毛细压差是蒸汽流动的驱动力，它必须足以克服蒸汽流动与液体回流产生的阻力，以保证热管的正常运行，即：

ΔP_cap≥ΔP_v+ΔP_l (1)

式中，ΔP_v为蒸汽流动产生的阻力压降，Pa；ΔP_l为液体回流产生的阻力压降，Pa；ΔP_cap为毛细压差，Pa。

一般而言，ΔP_v和ΔP_l会随着传热量的增加而增加，而ΔP_cap的大小与传热量无关，是由吸液芯的结构决定，故当传热量超过某一限值时，最大毛细压差可能无法满足液体回流的要求，导致蒸发段干涸，此时热管就达到了毛细极限。

关于液体回流，经理论推导可得：

式中，μ_l为液体动力粘度，Pa·s；K为吸液芯的渗透率；A_w为液体回流的通道横截面积，m²；ρ_l为液体密度，kg/m³；h_fg为工质蒸发潜热，kg/J；Q为热管载热功率，W。