[發(fā)明專利]高性能吸液芯

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200980122698.1
• 申請日: 2009-05-05
• 公開（公告）號: CN102065984A
• 公開（公告）日: 2011-05-18
• 發(fā)明（設計）人: 亞伯拉罕·D.·斯托克;托拜厄斯·威爾
• 申請（專利權）人: 康奈爾大學
• 主分類號: B01D61/00
• 分類號: B01D61/00
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 謝順星

技術領域

本發(fā)明一般涉及液體吸液芯領域，更具體地說，涉及能在較大負壓下泵送液體的微流體吸液芯。

背景技術

應用于飛行器以及其他動態(tài)環(huán)境中的熱傳遞系統(tǒng)設計方案對重量、形狀系數(shù)、操作條件寬度以及操作穩(wěn)定性具有嚴格限制。基于對流熱傳遞的傳統(tǒng)熱交換器在這些應用中面臨眾多挑戰(zhàn)：需要專用的有源泵來驅動流動；因固有的顯熱交換效率不良而需要大量的工作流體；和需要較大的溫度差來驅動有效的傳遞率。

熱管是傳統(tǒng)熱交換器的具有吸引力的替代品。通過蒸發(fā)和冷凝工作流體，熱管采用蒸發(fā)冷卻來從熱源向散熱器傳遞熱能。較之顯熱冷卻(例如，循環(huán)冷卻劑回路)除去的等體積液體的熱能，蒸發(fā)冷卻有能力除去高達10倍的熱能。常用熱管包括含有一定量工作流體的密封管和沿著所述管的內壁布置的毛細管吸液芯。由于熱管的一端暴露于熱源，所以該端部內的工作流體從熱源吸收熱能并蒸發(fā)，升高該管件內的局部蒸汽壓力。工作流體蒸發(fā)所吸收的蒸發(fā)潛熱降低了該管熱端的溫度。該管熱源一側的工作流體上的蒸汽壓力高于該管較冷一端的冷凝工作流體上的平衡蒸汽壓力，并且這種壓力差將向冷凝端驅動迅速的質量傳遞，過多的蒸汽在冷凝端冷凝，釋放其潛熱并使該管的較冷端暖熱。冷凝的工作流體現(xiàn)在是液體，將借助毛細管吸液芯轉移回到熱源。

熱管制造領域最近的發(fā)展已經(jīng)為非常小的應用場合，諸如用于冷卻微電子件，帶來了微流體熱管。輕薄、平坦的熱管已經(jīng)出現(xiàn)，作為冷卻電路板、便攜式電腦或者其他高度受限的應用的先進技術。在一種示例中，微流體熱管結構利用傳統(tǒng)微晶片制造技術蝕刻到硅晶片中。蝕刻到該結構中的毛細管道利用吸液材料進行擴充，從而提供使冷凝的工作流體返回蒸發(fā)器的方法。

其他熱管結構包括設置在蒸發(fā)器的液體/蒸汽界面之間的多孔性閥金屬。多孔性閥，通常以燒結的粉末金屬制成，具有填隙空位，隨著工作流體蒸發(fā)，所述添隙空位用作毛細管來吸引工作流體通過所述多孔性金屬。

熱管設計者所面臨的主要挑戰(zhàn)之一是保證吸液芯提供從冷凝器區(qū)域到蒸發(fā)器區(qū)域的正向液體流。吸液芯的泵送能力受到高度(抵抗重力的操作)和長度(質量流阻)的不利影響。必須對經(jīng)由蒸發(fā)冷卻所除去的熱量以及保證工作流體充足地供應給出仔細的設計考慮，以實現(xiàn)除熱效果。在微流體熱管應用中，毛細管道和吸液結構通常用于實現(xiàn)這一目的。但是，吸液結構必須產生足夠的毛細管力以保證正向液體流。

目前熱管中發(fā)現(xiàn)的一個缺點是毛細管或者吸液材料中的毛細管吸液力并不能總是充分地克服可以引入所述系統(tǒng)中的動態(tài)力。目前的吸液芯僅產生一個不到一個大氣壓(＜1atm)的泵送壓力。這種小的壓力差容易被重力或慣性力(例如，沿著吸液芯軸線的加速度)所壓制。在存在這些外力的情況下，熱管容易因蒸發(fā)器干燒而失效。例如，航天應用中的熱管結構的設計方案特別具有挑戰(zhàn)性。對于合適的熱能差，蒸發(fā)器和冷凝器部分可能需要隔開超過1米。此外，飛行器可能產生超過重力3倍的動態(tài)加速度力(3g)。在極端情況下，諸如在航天器在太空邊緣或接近太空邊緣航行時，動態(tài)載荷可能高達重力的10倍(10g)。在這些情況下，要求吸液結構克服超過1個大氣壓(0.1兆帕)的壓位差。現(xiàn)在并不存在能產生足夠的吸液力以克服該量值的靜態(tài)和動態(tài)載荷的已知吸液結構。

發(fā)明內容

因此，在這種背景下，本發(fā)明的目的是提供一種通過在大負壓下操作而克服外界影響諸如重力、慣性力以及粘性流動阻力的吸液裝置。簡單地說，一種吸液裝置包括復合冷凝器膜，所述復合冷凝器膜包括基材層、蒸汽入口端、液體排出端、設置在所述基材層中并將所述蒸汽入口端流體耦接到所述液體排出端的多個腔體、和設置在所述多個腔體中的納米孔填料。所述納米孔填料具有多個第一開放孔，所述第一開放孔的最大直徑處于0.2到200納米范圍內。所述吸液裝置進一步包括具有第一端和第二端的液體導管。所述液體導管的所述第一端流體耦接到所述復合冷凝器膜的所述液體排出端。所述吸液裝置進一步包括復合蒸發(fā)器膜，所述復合蒸發(fā)器膜包括基材層、液體入口端、蒸汽排出端、設置在所述基材層中并將所述液體入口端流體耦接到所述液體導管的所述第二端的多個腔體、和設置在所述多個腔體中的納米孔填料。所述納米孔填料具有多個第二開放孔，所述第二開放孔的最大直徑處于0.2到200納米范圍內。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供一種吸液裝置，其中所述復合冷凝器膜的所述基材層和所述復合蒸發(fā)器膜的所述基材層中的至少一個是多孔性的。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供一種吸液裝置，其中所述多孔性的基材層包括單晶多孔硅。

根據(jù)本發(fā)明的實施方式，設置在至少所述復合蒸發(fā)器膜的腔體內的所述納米孔填料包括分子凝膠。