納米碳纖維真空超導熱管及其加工方法
2023-11-04 18:43:02
專利名稱：納米碳纖維真空超導熱管及其加工方法
技術領域：
本發明涉及一種高效熱管的技術領域，特別涉及一種納米碳纖維真空超導熱管及其加工方法，可廣泛應用於各種傳熱及相關產品，如太陽能(熱水器、採暖設備等)、石油、 化工、冶金、電力、電子、建材、再生能源、凍土防治、道路溶雪等。
背景技術：
常規熱管是由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管殼內抽到的負壓後充以適量的工作液體，使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體後，再加以密封。管殼的一端為蒸發段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據需要可以在兩段中間布置絕熱段。常規熱管的傳熱介質大多採用沸點較低的液體，如水或者其他有機物質。常規熱管是靠管內介質液態和氣態的相變傳遞熱能。當熱管的一端受熱時，毛細吸液芯中的液體吸收熱量後會迅速沸騰蒸發汽化，在這個轉變過程中，吸收了大量熱，蒸汽在微小的壓差下流向另一端，當這些受熱的氣體散發到熱管的冷凝段，就會釋放出大量的熱量，重新凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段。如此循環不已，熱量就由熱管的一端傳至另一端。熱管是一種具有極高導熱性能的傳熱元件，常規熱管通過在全封閉真空管內的液體的蒸發與凝結(相變)來傳遞熱量，利用毛細吸液作用等流體原理，起到類似冰箱壓縮機製冷的效果。由於傳熱介質主要成分是液體和添加劑，傳熱介質受本身的屬性限制，且管殼受到溫度和循環相變速度的限制，所以，常規熱管的導熱效率僅略大於60%，熱損高，熱管非常容易疲勞，管壁容易腐蝕，壽命也不長。大多數熱管在使用一兩年後，傳熱效率會明顯下降。
發明內容
本發明的目的在於提供一種納米碳纖維真空超導熱管及其加工方法，其傳熱介質是由納米碳纖維組成，在外界溫差的激發下利用微粒子的高頻率振動傳遞熱量，無相變，熱阻極小，壽命長。為了實現上述目的，本發明的技術方案為—種納米碳纖維真空超導熱管，包括真空管和納米碳纖維製備成的超導介質，真空管由管殼和端蓋密封而成，超導介質植入密閉的真空管中。所述的納米碳纖維是指纖維直徑在50 200nm的實心結構的碳纖維。所述的真空管採用金屬、非金屬或板狀材料製成。所述的金屬為銅、碳鋼或不鏽鋼。所述的非金屬為玻璃或陶瓷。所述熱管結構為「η」型、「Π」型、「H」型或「一」型。一種納米碳纖維真空超導熱管的加工方法，其步驟如下第一步，機械加工製成真空管的管殼和端蓋，並採用納米碳纖維製成超導介質；
第二步，對管殼和端蓋、超導介質進行清洗，除汙除塵；第三步，將超導介質植入管殼中，再加蓋端蓋；第四步，焊接管殼和端蓋，檢查真空管是否漏氣，並排除真空管中的空氣，完成真空管的封接；第五步，真空烘烤，在高溫200士 10°C、真空的環境下對熱管組件作毛細表面脫水、 脫氧處理，即得成品。所述第四步是在焊接前先要進行真空處理，採用加熱驅出(液態)、氣態液化(氣態)、真空補汞等方式排除真空管中的空氣，並且採用鎢電極純氣熔接封口。採用上述方案後，本發明超導熱管又稱介質導熱管，「納米碳纖維真空超導熱管技術」是真空熱管技術的升級，將納米碳纖維這種新型材料運用於超導傳熱和高效換熱技術， 是一種新型熱傳導元件。它打破了傳統的以水等液體為介質的傳熱方式，傳熱不需工作介質相變，靠晶格結構的振動所產生的彈性波，來可將大量熱量通過極小的截面積實現遠距離快速傳輸，能夠在傳熱過程中實現高效和低能耗。其原理是將納米碳纖維製備成超導介質，植入密閉的真空管中，真空管的兩端(分別是加熱段和冷凝段)一旦具有溫度差，超導介質即可被激化，以超音速傳遞熱能。換言之，即通過原子、分子在其平衡位置附近的振動傳熱)、傳熱快、傳熱效率高。傳熱過程中熱阻很小，傳熱效率高達98% 99%，而且由於納米碳纖維結構穩定的分子特性，這種超導熱管不會發生疲勞現象，傳熱效率在熱管不洩露的狀態下永遠不會下降。本發明採用納米碳纖維作為導熱介質，主要具有以下優點一、啟動迅速、傳熱速度快熱量自熱管元件的加熱段傳遞到冷凝段只需數秒鐘即可完成。二、熱阻小、均溫性好納米碳纖維高效熱管主要是通過密封腔體內部的納米碳纖維介質來實現熱量傳遞過程，傳熱能力遠遠高於金屬材料，沿高效熱管軸向溫差趨近於零，從而使高效熱管的表面溫度趨於一致。三、導熱係數高，傳熱能力大當量導熱係數為20MW/m · °C，是純銀的4. 6萬倍。四、零下40度的低溫環境下不結冰，沒有凍結隱患。常規熱管的傳熱介質容易在低溫下結冰，特別是採用水作為傳熱介質的常規熱管。五、適用溫度範圍廣介質適用溫度範圍-；35 1000°C。六、工作壓力低工作時納米碳纖維高效熱管內腔壓力低，不會發生高溫爆管。常規熱管腔體內有氣壓，在高溫下容易爆炸。七、相容性好納米碳纖維高效熱管介質與常用金屬材料不發生化學反應。常規熱管的傳熱介質主要是有機元素，與腔體的金屬材料容易發生化學反應。八、長效壽命納米碳纖維高效熱管介質自身消降速率持續10萬小時，可使納米碳纖維高效熱管長期穩定運行。經大量實踐證明，納米碳纖維高效熱管介質與多種金屬如銅、鋁、碳鋼和不鏽鋼及非金屬具有良好的相容性，使用壽命長。九、安全可靠納米碳纖維高效熱管介質由納米碳纖維構成，介質本身無毒、無汙染、無腐蝕性。十、納米碳纖維高效熱管，無論在受熱激發狀態或靜止狀態，均不會產生任何有害人體的放射性物質。
圖1為本發明的結構示意圖；圖2為本發明的流程示意圖。以下結合附圖對本發明作進一步說明
具體實施例方式如圖1所示，本發明揭示的一種納米碳纖維真空超導熱管，包括真空管1和納米碳纖維製備成的超導介質2。其中，真空管1由管殼和端蓋密封而成，可採用銅、碳鋼、不鏽鋼等金屬或玻璃、陶瓷等非金屬管狀或板狀材料製成；超導介質2是納米碳纖維的混合物，將超導介質2注入到真空管1內，經密封成型後即形成高效熱管。該超導熱管的具體加工時，如圖2所示，先通過機械加工製成真空管的管殼和端蓋，管殼材料的選擇要注意熱傳導性、真空維持度、耐壓、流體相容性(腐蝕、化學反應)等特性，並採用納米碳纖維製成超導介質；然後，對管殼和端蓋、超導介質進行清洗，除汙除塵；再將超導介質植入管殼中，再加蓋端蓋；接著，焊接管殼和端蓋，檢查真空管是否漏氣， 並排除真空管中的空氣，完成真空管的封接，具體操作是在焊接前先要進行真空處理，採用加熱驅出(液態)、氣態液化(氣態)、真空補汞等方式排除真空管中的空氣，並且採用鎢電極純氣熔接封口 ；再真空烘烤，在高溫200士 10°C、真空的環境下對熱管組件作毛細表面脫水、脫氧處理，烘乾真空管毛管上的清洗液，使管壁不留雜質和水印，杜絕了脫膜、真空度降低等隱患，最後即得成品。碳纖維是一種具有耐熱性好、質量輕、強度高及高模量的高性能纖維，已廣泛用於航天、運動器材用品、醫療器材及紡織等各領域。碳纖維的發展最早開始於1959年，是由美國聯合碳化物公司所生產。碳纖維直徑一般在7 20mm的範圍。而納米碳纖維(Carbon nanofibers, CNFs)是指纖維直徑在50 200nm的實心結構的碳纖維。納米碳纖維的長徑比為100 500。它是化學氣象生長碳纖維的一種形式， 由通過裂解氣相碳氫化合物製備的非連續石墨纖維，是構成以富勒(Fullerene)烯(C60) 單壁和多壁納米碳管為一端，以連續碳纖維為另一端，鏈節中的一環。目前不少研究人員把直徑在IOOnm以下的中空纖維稱之為納米碳管，即納米碳纖維的直徑介於納米碳管和氣相生長碳纖維之間，與納米碳管相比納米碳纖維的製備更易於實現工業化生產。它填補了常規碳纖維(直徑為7 10 μ m)和單壁碳納米管(SWNTs)(直徑約為Inm)及多壁碳納米管 (MWNTs)(直徑為1 50nm)尺寸上的缺口，具有較高的強度、模量、長徑比、熱穩定性、化學活性、導電性等特點。碳纖維依所用的原料可分為纖維素基碳纖維、聚丙烯腈基碳纖維及浙青基碳纖維等三大類，都是以溼式紡絲或熔融紡絲法紡制纖維再經穩定化、碳化或石墨化的熱處理過程而獲得。納米碳纖維需要採用氣相成長法、聚合物混摻熔融紡絲法及放電紡絲法等先進位造工藝來生產。例如，氣相成長法，亦稱化學氣相沉積法，在高溫時使烷類氣體在催化劑上進行熱分解即可形成納米碳纖維，這種納米碳纖維具有極低的熱膨脹係數、很高的導熱性能(室溫下其導熱係數可以與鑽石相媲美，約2320W/m · K)以及接近聚丙烯腈系碳纖維的強度模數。在金屬中，導熱係數最高的是銀，約429W/m · K，然後是銅，約401W/m · K，而納米碳纖維的導熱係數是銀的5倍，是水的4300倍(水的導熱係數為0. 54ff/m · K)，是水蒸汽 92800倍，(水蒸汽的導熱係數為0. 0235 0. 025ff/m · K)。因此，納米碳纖維介質是一種節能環保型冷卻、傳熱和儲熱介質。超導熱管與常規導熱管所產生的效果差異主要是由於採用的介質不同所產生不同的傳熱效果。超導熱管與目前市面上的常規熱管完全不同。常規熱管是靠管內介質液態和氣態的相變傳遞熱能，它受到溫度和循環相變速度的限制，有熱損，壽命也不高；而納米碳纖維超導熱管的傳熱介質2是由納米碳纖維組成，在外界溫差的激發下利用微粒子的高頻率振動傳遞熱量，無相變，熱阻極小。高效熱管介質受熱激發後沿腔壁將受加熱段熱能向冷凝段傳遞。元件外表面的均溫性表明元件具有良好的傳熱性能；元件表面均布的溫度測點顯示溫度延軸向表現出正弦波分布的特性。熱管結構可以根據使用條件、相應的機械結構，散熱要求等設計成不同形狀，例如可以製備成「η」型、「Π」型、「H」型、「一」型等形狀。本發明的超導熱管相對於普通熱管的優越性能是1)傳統熱管是採用水或油、乙醇等液態有機化合物作為傳熱介質；由於這些介質的蒸氣壓、工作溫區及介質相容性等一系列問題，使傳統熱管的應用範圍受到很大的限制， 而高效的超導熱管採用奈米材料和固態無機化合物作為傳熱介質，它完全不同於傳統熱管的傳熱介質，具備無汙染，無放射性，無毒，無腐蝕，介質蒸氣壓低，工作溫區寬，使用壽命長，成本低等一系列優點，它具備傳統熱管無可比擬的優良性能。2)由於普通熱管工作時管內產生較大壓強，而壓強的大小又與溫度密切相關，溫度一高就會爆管，此外，還存在高溫下管內發生化學反應生成不凝性氣體，對管壁產生腐蝕性，容易導致普通熱管失效。而超導熱管由於採用奈米材料、無機固態物質及少量液態，管內壓強小，從而使用溫度範圍大，不會發生爆管現象，也不會在管內發生化學反應，而生成不凝性氣體。3)超導熱管的傳導速率高金屬、非金屬材料本身的導熱速率取決於材料的導熱係數，溫度梯度，正交於溫度梯度的截面面積，而金屬中以銀的導熱係數最高，其值在415W/MK 左右。經實測，超導熱管其軸向熱流密度為8. 4X106W/m2，徑向熱流密度為4. 3X104ff/m2, 有效導熱係數為3. 2X106W/M. K，進行對比可知，超導熱管的導熱速度為白銀導熱速度的數千倍。4)超導熱管的使用壽命長經過載體材料(金屬、非金屬)的加速失效實驗測定，老化壽命13萬小時左右，介質壽命實測為11萬小時，同時熱管中介質與管壁的相容性好，可以使傳熱管長期在較高熱負荷下穩定工作。
總之，本發明和超導熱管具有極高的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、可控制溫度等一系列優點，並且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、流體阻損小等優點。
權利要求
1.一種納米碳纖維真空超導熱管，其特徵在於包括真空管和納米碳纖維製備成的超導介質，真空管由管殼和端蓋密封而成，超導介質植入密閉的真空管中。
2.如權利要求1所述的一種納米碳纖維真空超導熱管，其特徵在於所述的納米碳纖維是指纖維直徑在50 200nm的實心結構的碳纖維。
3.如權利要求1所述的一種納米碳纖維真空超導熱管，其特徵在於所述的真空管採用金屬、非金屬或板狀材料製成。
4.如權利要求3所述的一種納米碳纖維真空超導熱管，其特徵在於所述的金屬為銅、 碳鋼或不鏽鋼。
5.如權利要求3所述的一種納米碳纖維真空超導熱管，其特徵在於所述的非金屬為玻璃或陶瓷。
6.如權利要求1所述的一種納米碳纖維真空超導熱管，其特徵在於所述熱管結構為 「 η 」型、「 Π 」型、「 H 」型或「一 」型。
7.如權利要求1所述的一種納米碳纖維真空超導熱管，其特徵在於加工方法如下第一步，機械加工製成真空管的管殼和端蓋，並採用納米碳纖維製成超導介質；第二步，對管殼和端蓋、超導介質進行清洗，除汙除塵；第三步，將超導介質植入管殼中，再加蓋端蓋；第四步，焊接管殼和端蓋，檢查真空管是否漏氣，並排除真空管中的空氣，完成真空管的封接；第五步，真空烘烤，在高溫200士 10°C、真空的環境下對熱管組件作毛細表面脫水、脫氧處理，即得成品。
8.如權利要求7所述的一種納米碳纖維真空超導熱管，其特徵在於所述第四步是在焊接前先要進行真空處理，採用加熱驅出、氣態液化、真空補汞等方式排除真空管中的空氣，並且採用鎢電極純氣熔接封口。
全文摘要
本發明公開一種納米碳纖維真空超導熱管，包括真空管和納米碳纖維製備成的超導介質，真空管由管殼和端蓋密封而成，超導介質植入密閉的真空管中。其加工方法是先機械加工製成真空管的管殼和端蓋，並採用納米碳纖維製成超導介質；再對管殼和端蓋、超導介質進行清洗，除汙除塵；然後，將超導介質植入管殼中，再加蓋端蓋；再焊接管殼和端蓋，檢查真空管是否漏氣，並排除真空管中的空氣，完成真空管的封接；最後真空烘烤，在高溫200±10℃、真空的環境下對熱管組件作毛細表面脫水、脫氧處理，即得成品。本發明因傳熱介質是由納米碳纖維組成，在外界溫差的激發下利用微粒子的高頻率振動傳遞熱量，無相變，熱阻極小，壽命長。
文檔編號F28F1/00GK102192669SQ20101012242
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月5日 優先權日2010年3月5日
發明者葉永典, 廖良斌 申請人:廈門格綠能光電有限公司