CN102192669B - 纳米碳纤维真空超导热管及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种纳米碳纤维真空超导热管，包括真空管和纳米碳纤维制备成的超导介质，真空管由管壳和端盖密封而成，超导介质植入密闭的真空管中。其加工方法是：先机械加工制成真空管的管壳和端盖，并采用纳米碳纤维制成超导介质；再对管壳和端盖、超导介质进行清洗，除污除尘；然后，将超导介质植入管壳中，再加盖端盖；再焊接管壳和端盖，检查真空管是否漏气，并排除真空管中的空气，完成真空管的封接；最后真空烘烤，在高温200±10℃、真空的环境下对热管组件作毛细表面脱水、脱氧处理，即得成品。本发明因传热介质是由纳米碳纤维组成，在外界温差的激发下利用微粒子的高频率振动传递热量，无相变，热阻极小，寿命长。

Description

纳米碳纤维真空超导热管及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种高效热管的技术领域，特别涉及一种纳米碳纤维真空超导热管及其加工方法，可广泛应用于各种传热及相关产品，如太阳能(热水器、采暖设备等)、石油、化工、冶金、电力、电子、建材、再生能源、冻土防治、道路溶雪等。

背景技术

常规热管是由管壳、吸液芯和端盖组成，将管壳内抽到的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后，再加以密封。管壳的一端为蒸发段(加热段)，另一端为冷凝段(冷却段)，根据需要可以在两段中间布置绝热段。常规热管的传热介质大多采用沸点较低的液体，如水或者其他有机物质。常规热管是靠管内介质液态和气态的相变传递热能。

当热管的一端受热时，毛细吸液芯中的液体吸收热量后会迅速沸腾蒸发汽化，在这个转变过程中，吸收了大量热，蒸汽在微小的压差下流向另一端，当这些受热的气体散发到热管的冷凝段，就会释放出大量的热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量就由热管的一端传至另一端。

热管是一种具有极高导热性能的传热元件，常规热管通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结(相变)来传递热量，利用毛细吸液作用等流体原理，起到类似冰箱压缩机制冷的效果。由于传热介质主要成分是液体和添加剂，传热介质受本身的属性限制，且管壳受到温度和循环相变速度的限制，所以，常规热管的导热效率仅略大于60％，热损高，热管非常容易疲劳，管壁容易腐蚀，寿命也不长。大多数热管在使用一两年后，传热效率会明显下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米碳纤维真空超导热管及其加工方法，其传热介质是由纳米碳纤维组成，在外界温差的激发下利用微粒子的高频率振动传递热量，无相变，热阻极小，寿命长。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种纳米碳纤维真空超导热管，包括真空管和纳米碳纤维制备成的超导介质，真空管由管壳和端盖密封而成，超导介质植入密闭的真空管中。

所述的纳米碳纤维是指纤维直径在50～200nm的实心结构的碳纤维。

所述的真空管采用金属、非金属或板状材料制成。

所述的金属为铜、碳钢或不锈钢。

所述的非金属为玻璃或陶瓷。

所述热管结构为“n”型、“∏”型、“H”型或“一”型。

一种纳米碳纤维真空超导热管的加工方法，其步骤如下：

第一步，机械加工制成真空管的管壳和端盖，并采用纳米碳纤维制成超导介质；

第二步，对管壳和端盖、超导介质进行清洗，除污除尘；

第三步，将超导介质植入管壳中，再加盖端盖；

第四步，焊接管壳和端盖，检查真空管是否漏气，并排除真空管中的空气，完成真空管的封接；

第五步，真空烘烤，在高温200±10℃、真空的环境下对热管组件作毛细表面脱水、脱氧处理，即得成品。

所述第四步是在焊接前先要进行真空处理，采用加热驱出(液态)、气态液化(气态)、真空补汞等方式排除真空管中的空气，并且采用钨电极纯气熔接封口。

采用上述方案后，本发明超导热管又称介质导热管，“纳米碳纤维真空超导热管技术”是真空热管技术的升级，将纳米碳纤维这种新型材料运用于超导传热和高效换热技术，是一种新型热传导元件。它打破了传统的以水等液体为介质的传热方式，传热不需工作介质相变，靠晶格结构的振动所产生的弹性波，来可将大量热量通过极小的截面积实现远距离快速传输，能够在传热过程中实现高效和低能耗。其原理是将纳米碳纤维制备成超导介质，植入密闭的真空管中，真空管的两端(分别是加热段和冷凝段)一旦具有温度差，超导介质即可被激化，以超音速传递热能。换言之，即通过原子、分子在其平衡位置附近的振动传热)、传热快、传热效率高。传热过程中热阻很小，传热效率高达98％～99％，而且由于纳米碳纤维结构稳定的分子特性，这种超导热管不会发生疲劳现象，传热效率在热管不泄露的状态下永远不会下降。

本发明采用纳米碳纤维作为导热介质，主要具有以下优点：

一、启动迅速、传热速度快

热量自热管元件的加热段传递到冷凝段只需数秒钟即可完成。

二、热阻小、均温性好

纳米碳纤维高效热管主要是通过密封腔体内部的纳米碳纤维介质来实现热量传递过程，传热能力远远高于金属材料，沿高效热管轴向温差趋近于零，从而使高效热管的表面温度趋于一致。

三、导热系数高，传热能力大

当量导热系数为20MW/m·℃，是纯银的4.6万倍。

四、零下40度的低温环境下不结冰，没有冻结隐患。常规热管的传热介质容易在低温下结冰，特别是采用水作为传热介质的常规热管。

五、适用温度范围广：介质适用温度范围-35～1000℃。

六、工作压力低

工作时纳米碳纤维高效热管内腔压力低，不会发生高温爆管。常规热管腔体内有气压，在高温下容易爆炸。

七、相容性好

纳米碳纤维高效热管介质与常用金属材料不发生化学反应。常规热管的传热介质主要是有机元素，与腔体的金属材料容易发生化学反应。

八、长效寿命

纳米碳纤维高效热管介质自身消降速率持续10万小时，可使纳米碳纤维高效热管长期稳定运行。经大量实践证明，纳米碳纤维高效热管介质与多种金属如铜、铝、碳钢和不锈钢及非金属具有良好的相容性，使用寿命长。

九、安全可靠

纳米碳纤维高效热管介质由纳米碳纤维构成，介质本身无毒、无污染、无腐蚀性。

十、纳米碳纤维高效热管，无论在受热激发状态或静止状态，均不会产生任何有害人体的放射性物质。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的流程示意图。

以下结合附图对本发明作进一步说明：

具体实施方式

如图1所示，本发明揭示的一种纳米碳纤维真空超导热管，包括真空管1和纳米碳纤维制备成的超导介质2。

其中，真空管1由管壳和端盖密封而成，可采用铜、碳钢、不锈钢等金属或玻璃、陶瓷等非金属管状或板状材料制成；超导介质2是纳米碳纤维的混合物，将超导介质2注入到真空管1内，经密封成型后即形成高效热管。

该超导热管的具体加工时，如图2所示，先通过机械加工制成真空管的管壳和端盖，管壳材料的选择要注意热传导性、真空维持度、耐压、流体相容性(腐蚀、化学反应)等特性，并采用纳米碳纤维制成超导介质；然后，对管壳和端盖、超导介质进行清洗，除污除尘；再将超导介质植入管壳中，再加盖端盖；接着，焊接管壳和端盖，检查真空管是否漏气，并排除真空管中的空气，完成真空管的封接，具体操作是在焊接前先要进行真空处理，采用加热驱出(液态)、气态液化(气态)、真空补汞等方式排除真空管中的空气，并且采用钨电极纯气熔接封口；再真空烘烤，在高温200±10℃、真空的环境下对热管组件作毛细表面脱水、脱氧处理，烘干真空管毛管上的清洗液，使管壁不留杂质和水印，杜绝了脱膜、真空度降低等隐患，最后即得成品。

碳纤维是一种具有耐热性好、质量轻、强度高及高模量的高性能纤维，已广泛用于航天、运动器材用品、医疗器材及纺织等各领域。碳纤维的发展最早开始于1959年，是由美国联合碳化物公司所生产。碳纤维直径一般在7～20mm的范围。

而纳米碳纤维(Carbon nanofibers，CNFs)是指纤维直径在50～200nm的实心结构的碳纤维。纳米碳纤维的长径比为100～500。它是化学气象生长碳纤维的一种形式，由通过裂解气相碳氢化合物制备的非连续石墨纤维，是构成以富勒(Fullerene)烯(C60)单壁和多壁纳米碳管为一端，以连续碳纤维为另一端，链节中的一环。目前不少研究人员把直径在100nm以下的中空纤维称之为纳米碳管，即纳米碳纤维的直径介于纳米碳管和气相生长碳纤维之间，与纳米碳管相比纳米碳纤维的制备更易于实现工业化生产。它填补了常规碳纤维(直径为7～10μm)和单壁碳纳米管(SWNTs)(直径约为1nm)及多壁碳纳米管(MWNTs)(直径为1～50nm)尺寸上的缺口，具有较高的强度、模量、长径比、热稳定性、化学活性、导电性等特点。

碳纤维依所用的原料可分为纤维素基碳纤维、聚丙烯腈基碳纤维及沥青基碳纤维等三大类，都是以湿式纺丝或熔融纺丝法纺制纤维再经稳定化、碳化或石墨化的热处理过程而获得。纳米碳纤维需要采用气相成长法、聚合物混掺熔融纺丝法及放电纺丝法等先进制造工艺来生产。例如，气相成长法，亦称化学气相沉积法，在高温时使烷类气体在催化剂上进行热分解即可形成纳米碳纤维，这种纳米碳纤维具有极低的热膨胀系数、很高的导热性能(室温下其导热系数可以与钻石相媲美，约2320W/m·K)以及接近聚丙烯腈系碳纤维的强度模数。

在金属中，导热系数最高的是银，约429W/m·K，然后是铜，约401W/m·K，而纳米碳纤维的导热系数是银的5倍，是水的4300倍(水的导热系数为0.54W/m·K)，是水蒸汽92800倍，(水蒸汽的导热系数为0.0235～0.025W/m·K)。

因此，纳米碳纤维介质是一种节能环保型冷却、传热和储热介质。

超导热管与常规导热管所产生的效果差异主要是由于采用的介质不同所产生不同的传热效果。超导热管与目前市面上的常规热管完全不同。常规热管是靠管内介质液态和气态的相变传递热能，它受到温度和循环相变速度的限制，有热损，寿命也不高；而纳米碳纤维超导热管的传热介质2是由纳米碳纤维组成，在外界温差的激发下利用微粒子的高频率振动传递热量，无相变，热阻极小。

高效热管介质受热激发后沿腔壁将受加热段热能向冷凝段传递。元件外表面的均温性表明元件具有良好的传热性能；元件表面均布的温度测点显示：温度延轴向表现出正弦波分布的特性。

热管结构可以根据使用条件、相应的机械结构，散热要求等设计成不同形状，例如可以制备成“n”型、“∏”型、“H”型、“一”型等形状。

本发明的超导热管相对于普通热管的优越性能是：

1)传统热管是采用水或油、乙醇等液态有机化合物作为传热介质；由于这些介质的蒸气压、工作温区及介质相容性等一系列问题，使传统热管的应用范围受到很大的限制，而高效的超导热管采用奈米材料和固态无机化合物作为传热介质，它完全不同于传统热管的传热介质，具备无污染，无放射性，无毒，无腐蚀，介质蒸气压低，工作温区宽，使用寿命长，成本低等一系列优点，它具备传统热管无可比拟的优良性能。

2)由于普通热管工作时管内产生较大压强，而压强的大小又与温度密切相关，温度一高就会爆管，此外，还存在高温下管内发生化学反应生成不凝性气体，对管壁产生腐蚀性，容易导致普通热管失效。而超导热管由于采用奈米材料、无机固态物质及少量液态，管内压强小，从而使用温度范围大，不会发生爆管现象，也不会在管内发生化学反应，而生成不凝性气体。

3)超导热管的传导速率高金属、非金属材料本身的导热速率取决于材料的导热系数，温度梯度，正交于温度梯度的截面面积，而金属中以银的导热系数最高，其值在415W/MK左右。经实测，超导热管其轴向热流密度为8.4×106W/m²，径向热流密度为4.3×104W/m²，有效导热系数为3.2×106W/M.K，进行对比可知，超导热管的导热速度为白银导热速度的数千倍。

4)超导热管的使用寿命长经过载体材料(金属、非金属)的加速失效实验测定，老化寿命13万小时左右，介质寿命实测为11万小时，同时热管中介质与管壁的相容性好，可以使传热管长期在较高热负荷下稳定工作。

总之，本发明和超导热管具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。

Claims (7)

1.一种纳米碳纤维真空超导热管，其特征在于：包括真空管和纳米碳纤维制备成的超导介质，真空管由管壳和端盖密封而成，超导介质植入密闭的真空管中，所述的纳米碳纤维是指纤维直径在50～200nm的实心结构的碳纤维。

2.如权利要求1所述的一种纳米碳纤维真空超导热管，其特征在于：所述的真空管采用金属、非金属或板状材料制成。

3.如权利要求2所述的一种纳米碳纤维真空超导热管，其特征在于：所述的金属为铜、碳钢或不锈钢。

4.如权利要求2所述的一种纳米碳纤维真空超导热管，其特征在于：所述的非金属为玻璃或陶瓷。

5.如权利要求1所述的一种纳米碳纤维真空超导热管，其特征在于：所述热管结构为“n”型、“∏”型、“H”型或“一”型。

6.如权利要求1所述的一种纳米碳纤维真空超导热管的加工方法，其特征在于：加工步骤如下：

第一步，机械加工制成真空管的管壳和端盖，并采用纳米碳纤维制成超导介质；

第二步，对管壳和端盖、超导介质进行清洗，除污除尘；

第三步，将超导介质植入管壳中，再加盖端盖；

第四步，焊接管壳和端盖，检查真空管是否漏气，并排除真空管中的空气，完成真空管的封接；

第五步，真空烘烤，在高温200±10℃、真空的环境下对热管组件作毛细表面脱水、脱氧处理，即得成品。

7.如权利要求6所述的一种纳米碳纤维真空超导热管的加工方法，其特征在于：所述第四步是在焊接前先要进行真空处理，采用加热驱出、气态液化或真空补汞方式排除真空管中的空气，并且采用钨电极纯气熔接封口。

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