漸變形貌特徵的通孔金屬泡沫及其製備方法和換熱裝置的製作方法
2023-05-18 05:46:51
專利名稱：漸變形貌特徵的通孔金屬泡沫及其製備方法和換熱裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種利用剛性傳熱體技術領域的裝置，具體是一種漸變形貌特徵的通孔金屬泡沫及其製備方法和基於該金屬泡沫的換熱裝置。
背景技術：
管式換熱器用於流經管內外的流體的換熱，被廣泛應用在核電、製冷、煤電等領域。近幾年，隨著國家和社會對節能減排的重視，如何利用充分利用現有的能源成為當務之急。而提高管式換熱器的換熱效率，減小管式換熱器的體積是其中一項關鍵環節。通孔金屬泡沫是一種新型的多孔材料，它的換熱比表面積大(2000-10000m2/m3)，相對密度較小(是固體材料的2%-12%)，具有良好的力學和換熱性能，可被廣泛應用在航空航天、發電等領域。通孔金屬泡沫由金屬骨架和蜿蜒的內部連通通道組成。流體在通孔金屬泡沫內部流動時，被金屬骨架擾動，又由於換熱比表面積大，流體和金屬泡沫的熱量交換很充分，而具有良好的導熱能力的金屬骨架可以將流體的熱量充分的傳遞出去，所以通孔金屬泡沫是一種性能優異的強化換熱材料。經過對現有技術的檢索發現，中國專利文獻號CN1948885，
公開日2007_4_18，記載了一種套管式金屬泡沫換熱器，外管內填充有金屬泡沫；中國專利文獻號CN101226021，
公開日2008-7-23，記載了一種內村泡沫金屬的翅片管式換熱器，泡沫金屬內部有供氣體或液體介質流通的孔洞。但上述現有技術主要針對結構均勻的金屬泡沫，並不能充分利用金屬泡沫的換熱性能，總體換熱效率較低。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種漸變形貌特徵的通孔金屬泡沫及其製備方法和換 熱裝置，可以合理的利用金屬骨架和流體的換熱遞變性能，為受熱膨脹的流體提供合適的流動空間，這樣，流體可以帶走更多的熱量，從而可以大大的增強換熱；特別是在相變換熱領域，可以提高兩相換熱效率，解決了現有換熱設備換熱效率低下、耗材量多、體積大等問題。本發明是通過以下技術方案實現的本發明涉及一種漸變形貌特徵的通孔金屬泡沫，該金屬泡沫的內部通孔為稠密程度漸變結構，即孔隙率相同，孔密度沿壁面垂直方向逐漸增大或減小；或者孔密度相同，孔隙率逐漸增大或減小；或者孔密度和孔隙率都相同，構成通孔金屬泡沫的材質逐漸變化。所述的孔密度的變化範圍為3PPI — 130PPI。所述的孔隙率的變化範圍為O. 88—0. 98。所述的材質逐漸變化是指按導熱係數從高到低排列的多種金屬泡沫。本發明涉及一種製備上述漸變形貌特徵的通孔金屬泡沫的方法，通過熔模鑄造法製備得到，其具體步驟包括第一步、將孔密度變化範圍為3PPI — 130PP1、孔隙率變化範圍為O. 88—0. 98的聚氨酯海綿按層疊加粘合成一個整體；然後將其浸入到液體耐火材料中，使耐火材料充滿其空隙；第二步、在耐火材料硬化後加熱使聚氨酯海綿氣化分解，形成一個複製了聚氨酯海綿結構的三維骨架空間；第三步、將金屬或合金熔融液澆注到此鑄型內，待金屬或合金凝固後去除耐火材料就可形成具有漸變形貌特徵的通孔金屬泡沫；當製備材質按層變化的漸變金屬泡沫時，將各層按上述第一步至第三步製備得到的金屬泡沫通過釺焊的方法焊接在一起即得。所述的耐火材料是指酚醛樹脂、莫來石或石膏。所述的金屬是指鋁、銅或鎳。本發明涉及一種基於上述金屬泡沫的換熱器，包括換熱壁面和燒結於其一面的通孔金屬泡沫，其中通孔金屬泡沫的稠密程度沿換熱壁面垂直向外方向逐漸減小。本發明進一步涉及另一種基於上述金屬泡沫的換熱器，包括兩個換熱壁面、第一通孔金屬泡沫和兩塊第二通孔金屬泡沫，其中第一通孔金屬泡沫燒結於兩個換熱壁面的中間，該泡沫的稠密程度為中間大兩邊小，兩塊第二通孔金屬泡沫分別燒結於兩塊換熱壁面的外側，該泡沫稠密程度沿換熱壁面垂直向外方向逐漸減小。本發明通過在換熱壁面燒結的稠密程度逐漸變化的金屬骨架的方法提高了換熱器的換熱性能，替代了傳統的換熱翅片，增大了換熱比表面積，有利於因受熱而逐漸膨脹的流體的流動和換熱，使得該換熱器在換熱效果相同的情況下換熱效率更高，金屬耗材更少、體積更小。
圖1為實施例1的結構2為實施例2的結構3為實施例3的結構4為實施例4的結構圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
實施例1如圖1所示，本實施例包括銅基板I和燒結於其一面的第一通孔銅泡沫層2、第二通孔銅泡沫層3、第三通孔銅泡沫層4、第四通孔銅泡沫層5和第五通孔銅泡沫層6。採用熔模鑄造法製備好通孔銅泡沫層之後，再將銅泡沫2釺焊到銅基板I上。第一通孔銅泡沫層2孔密度為40PPI ;第二通孔銅泡沫層3孔密度為30PPI ;第三通孔銅泡沫層4孔密度為20PPI ;第四通孔銅泡沫層5孔密度為10PPI ;第五通孔銅泡沫層6孔密度為5PPI。熔模鑄造法具體步驟
第一步、將孔密度分別為40PP1、30PP1、20PP1、10PPI和5PPI的聚氨酯海綿按層疊加粘合成一個整體；然後將其浸入到液體耐火材料中，使耐火材料充滿其空隙；第二步、在耐火材料硬化後加熱使聚氨酯海綿氣化分解，形成一個複製了聚氨酯海綿結構的三維骨架空間；第三步、將銅金屬熔融液澆注到此鑄型內，待金屬凝固後去除耐火材料就可形成具有漸變形貌特徵的通孔金屬泡沫；所述的耐火材料是指酚醛樹脂、莫來石或石膏。
實施例2如圖2所示，本實施例包括換熱壁面7和燒結於其一面的通孔金屬泡沫8，其中通孔金屬泡沫8的稠密程度沿換熱壁面7垂直向外方向逐漸減小。若換熱壁面7的熱流量非常大，靠近換熱壁面7的金屬泡沫的孔密度可選擇目前可以製備出的最高孔密度130PPI，孔隙率選擇較低的O. 88，材質最好選擇導熱係數較高的金屬，如純銅，黃銅等，因此靠近換熱壁面7的金屬骨架和換熱壁面7的接觸面積就很大，加之金屬骨架的導熱係數高，這樣有利於換熱壁面 7通過熱傳導的方式傳遞給泡沫更多的熱量。若是單相對流換熱，可根據換熱工質的隨溫度變化的體積膨脹係數確定金屬骨架稠密程度的減小趨勢。若是相變換熱，因換熱工質相變後體積變化較大，則金屬骨架稠密程度的減小趨勢要相對大一些。本實施例應用於電子晶片散熱的單相或兩相散熱器，單相對流換熱時，通孔金屬泡沫8起到加強流體的擾動作用；沸騰換熱時，靠近換熱壁面7的稠密金屬泡沫增大了金屬骨架和換熱壁面7的接觸面積，增加了汽化核心數，利於換熱壁面7熱量的傳導和氣泡的大量生成；而遠離換熱壁面7的大孔徑的金屬泡沫有利於氣泡的逃逸。由於熱傳導能力的增強和生成和逃逸的氣泡的總體積增大，加上金屬骨架擾流帶來的對流換熱強化，所以冷卻晶片的效果特別明顯。
實施例3如圖3所以，本實施例包括兩個換熱壁面7、第一通孔金屬泡沫9和兩塊第二通孔金屬泡沫10，其中第一通孔金屬泡沫9燒結於兩個換熱壁面的中間，該泡沫的稠密程度為中間大兩邊小，兩塊第二通孔金屬泡沫10分別燒結於兩塊換熱壁面的外側，該泡沫稠密程度沿換熱壁面垂直向外方向逐漸減小。因管內是單相流動換熱，第一通孔金屬泡沫9的中間部分的稠密程度根據地熱水的進口溫度、壓力和流量而定，若進口溫度、壓力較高，地熱水流量較大，則管道中間部分的金屬泡沫的孔密度(大於30PPI)較兩側相鄰的泡沫層要大一些，相鄰泡沫層的孔密度變化梯度大於10PPI。而第二通孔金屬泡沫10的孔密度變化梯度也要隨之增大，泡沫層總厚度較流量小時增加，以便增大強制對流換熱量。本實施例應用於家用地熱散熱器終端。相對於光管中間流速過大的情況，本實施例第一通孔金屬泡沫9中間孔密度大兩邊孔密度小從而減弱了中間液體的流速。中間大孔密度的金屬泡沫換熱比表面積大，和液體能交換更多熱量，通過兩邊的較粗的金屬骨架傳遞到圓管管壁I上。第二通孔金屬泡沫10靠近兩側換熱壁面7的大孔密度的金屬泡沫由於換熱比表面積大可以帶走管壁更多的熱量，再往外，小孔密度的金屬泡沫減小了流動空氣的阻力。
實施例4
如圖4所示，與上一實施例結構相同，本實施例的管內金屬骨架稠密程度由中間向兩邊減小，管外沿壁面垂直方向減小。因是兩相換熱，體積變化較大，第一通孔金屬泡沫9和第二通孔金屬泡沫10孔密度變化梯度較上一例大。同上一例，若進口溫度、壓力較高，過熱汽水混合物流量較大，則管道中間部分的金屬泡沫的孔密度要大一些，孔密度變化梯度也要相對較大。而第二通孔金屬泡沫10的孔密度變化梯度也要隨之增大，其厚度也要增加，以便增大噴淋冷卻的熱交換量。本實施例適用於電廠的過熱水汽散熱器，第一通孔金屬泡沫9中央的孔密度大，毛細力強，對液相作用力更強。液體在中間流動，由於液體溫度相對較低，但中間的金屬泡沫的換熱比表面積大，換熱量增大。由於中間往外的金屬泡沫孔密度減小，氣體被分在了外層流動，而由於剪切力的存在，靠近兩換熱壁面7內壁流動的仍是液體。相對於傳統的光管氣相在中間，液相兩邊流動的方式，由於靠近管壁的液膜厚度的減小，換熱熱阻減小，增強了換熱能力。兩換熱壁面7外側的孔密度大，毛細力強，更容易補充由於在壁面外側蒸發而需要補充的新鮮液體。再往外，孔密度減小，氣泡遇到的金屬骨架的逃逸阻力減小，氣泡更容易逃逸出金屬骨架，從而帶走更 多的汽化潛熱，提高了換熱能力。
權利要求
1.一種具有漸變形貌特徵的通孔金屬泡沫，其特徵在於，該金屬泡沫的內部通孔為稠密程度漸變結構，即孔隙率相同，孔密度沿壁面垂直方向逐漸增大或減小；或者孔密度相同，孔隙率逐漸增大或減小；或者孔密度和孔隙率都相同，構成通孔金屬泡沫的材質逐漸變化。
2.根據權利要求1所述的通孔金屬泡沫，其特徵是，所述的孔密度的變化範圍為3PPI — 130PPI。
3.根據權利要求1所述的通孔金屬泡沫，其特徵是，所述的孔隙率的變化範圍為O.88—O. 98 ο
4.根據權利要求1所述的通孔金屬泡沫，其特徵是，所述的材質逐漸變化是指按導熱係數從高到低排列的多種金屬泡沫。
5.一種製備權利要求1-4中任一所述漸變形貌特徵的通孔金屬泡沫的方法，其特徵在於，通過熔模鑄造法製備得到，該方法具體步驟包括第一步、將孔密度變化範圍為3PPI — 130PP1、孔隙率變化範圍為O. 88—0. 98的聚氨酯海綿按層疊加粘合成一個整體；然後將其浸入到液體耐火材料中，使耐火材料充滿其空第二步、在耐火材料硬化後加熱使聚氨酯海綿氣化分解，形成一個複製了聚氨酯海綿結構的三維骨架空間；第三步、將金屬或合金熔融液澆注到此鑄型內，待金屬凝固後去除耐火材料就可形成具有漸變形貌特徵的通孔金屬泡沫；當製備材質按層變化的漸變金屬泡沫時，將各層按上述第一步至第三步製備得到的金屬泡沫通過釺焊的方法焊接在一起即得。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵是，所述的耐火材料是指酚醛樹脂、莫來石或石骨。
7.根據權利要求5所述的方法，其特徵是，所述的金屬是指鋁、銅或鎳。
8.一種基於權利要求1-4中任一所述的通孔金屬泡沫,或權利要求5-7中任一所述方法製備得到的通孔金屬泡沫的用於單相或兩相換熱的換熱器，其特徵在於，包括換熱壁面和燒結於其一面的所述通孔金屬泡沫，其中通孔金屬泡沫的稠密程度沿換熱壁面垂直向外方向逐漸減小。
9.一種基於權利要求1-4中任一所述的通孔金屬泡沫,或權利要求5-7中任一所述方法製備得到的通孔金屬泡沫的用於單相或兩相換熱的換熱器，其特徵在於，包括兩個換熱壁面、第一所述通孔金屬泡沫和兩塊第二所述通孔金屬泡沫，其中第一通孔金屬泡沫燒結於兩個換熱壁面的中間，該泡沫的稠密程度為中間大兩邊小，兩塊第二通孔金屬泡沫分別燒結於兩塊換熱壁面的外側，該泡沫稠密程度沿換熱壁面垂直向外方向逐漸減小。
全文摘要
一種利用剛性傳熱體技術領域的漸變形貌特徵的通孔金屬泡沫換熱裝置，該金屬泡沫的內部通孔為稠密程度漸變結構；所述的稠密程度逐漸變化是指孔隙率相同，孔密度沿壁面垂直方向逐漸增大或減小；或者孔密度相同，孔隙率逐漸增大或減小；或者孔密度和孔隙率都相同，構成通孔金屬泡沫的材質逐漸變化。本發明通過在換熱壁面燒結的稠密程度逐漸變化的金屬骨架的方法提高了換熱器的換熱性能，替代了傳統的換熱翅片，增大了換熱比表面積，有利於因受熱而逐漸膨脹的流體的流動和換熱，使得該換熱器在換熱效果相同的情況下換熱效率更高，金屬耗材更少、體積更小。
文檔編號C22C1/08GK103060592SQ201310011939
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月11日 優先權日2013年1月11日
發明者徐治國, 趙長穎, 王美琴 申請人:上海交通大學