專利名稱：漸變形貌特征的通孔金屬泡沫及其制備方法和換熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種利用剛性傳熱體技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種漸變形貌特征的通孔金屬泡沫及其制備方法和基于該金屬泡沫的換熱裝置。
背景技術(shù)：
管式換熱器用于流經(jīng)管內(nèi)外的流體的換熱，被廣泛應(yīng)用在核電、制冷、煤電等領(lǐng)域。近幾年，隨著國(guó)家和社會(huì)對(duì)節(jié)能減排的重視，如何利用充分利用現(xiàn)有的能源成為當(dāng)務(wù)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(xiàng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。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(duì)密度較小(是固體材料的2%-12%)，具有良好的力學(xué)和換熱性能，可被廣泛應(yīng)用在航空航天、發(fā)電等領(lǐng)域。通孔金屬泡沫由金屬骨架和蜿蜒的內(nèi)部連通通道組成。流體在通孔金屬泡沫內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，被金屬骨架擾動(dòng)，又由于換熱比表面積大，流體和金屬泡沫的熱量交換很充分，而具有良好的導(dǎo)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(yōu)異的強(qiáng)化換熱材料。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)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(nèi)填充有金屬泡沫；中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN101226021，
公開日2008-7-23，記載了一種內(nèi)村泡沫金屬的翅片管式換熱器，泡沫金屬內(nèi)部有供氣體或液體介質(zhì)流通的孔洞。但上述現(xiàn)有技術(shù)主要針對(duì)結(jié)構(gòu)均勻的金屬泡沫，并不能充分利用金屬泡沫的換熱性能，總體換熱效率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種漸變形貌特征的通孔金屬泡沫及其制備方法和換 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(dòng)空間，這樣，流體可以帶走更多的熱量，從而可以大大的增強(qiáng)換熱；特別是在相變換熱領(lǐng)域，可以提高兩相換熱效率，解決了現(xiàn)有換熱設(shè)備換熱效率低下、耗材量多、體積大等問題。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種漸變形貌特征的通孔金屬泡沫，該金屬泡沫的內(nèi)部通孔為稠密程度漸變結(jié)構(gòu)，即孔隙率相同，孔密度沿壁面垂直方向逐漸增大或減??；或者孔密度相同，孔隙率逐漸增大或減?。换蛘呖酌芏群涂紫堵识枷嗤?，構(gòu)成通孔金屬泡沫的材質(zhì)逐漸變化。所述的孔密度的變化范圍為3PPI — 130PPI。所述的孔隙率的變化范圍為O. 88—0. 98。所述的材質(zhì)逐漸變化是指按導(dǎo)熱系數(shù)從高到低排列的多種金屬泡沫。本發(fā)明涉及一種制備上述漸變形貌特征的通孔金屬泡沫的方法，通過熔模鑄造法制備得到，其具體步驟包括第一步、將孔密度變化范圍為3PPI — 130PP1、孔隙率變化范圍為O. 88—0. 98的聚氨酯海綿按層疊加粘合成一個(gè)整體；然后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、在耐火材料硬化后加熱使聚氨酯海綿氣化分解，形成一個(gè)復(fù)制了聚氨酯海綿結(jié)構(gòu)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(nèi)，待金屬或合金凝固后去除耐火材料就可形成具有漸變形貌特征的通孔金屬泡沫；當(dāng)制備材質(zhì)按層變化的漸變金屬泡沫時(shí)，將各層按上述第一步至第三步制備得到的金屬泡沫通過釬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(fā)明涉及一種基于上述金屬泡沫的換熱器，包括換熱壁面和燒結(jié)于其一面的通孔金屬泡沫，其中通孔金屬泡沫的稠密程度沿?fù)Q熱壁面垂直向外方向逐漸減小。本發(fā)明進(jìn)一步涉及另一種基于上述金屬泡沫的換熱器，包括兩個(gè)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(jié)于兩個(gè)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(jié)于兩塊換熱壁面的外側(cè)，該泡沫稠密程度沿?fù)Q熱壁面垂直向外方向逐漸減小。本發(fā)明通過在換熱壁面燒結(jié)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(tǒng)的換熱翅片，增大了換熱比表面積，有利于因受熱而逐漸膨脹的流體的流動(dòng)和換熱，使得該換熱器在換熱效果相同的情況下?lián)Q熱效率更高，金屬耗材更少、體積更小。


圖1為實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)2為實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)3為實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)4為實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1如圖1所示，本實(shí)施例包括銅基板I和燒結(jié)于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。采用熔模鑄造法制備好通孔銅泡沫層之后，再將銅泡沫2釬焊到銅基板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(gè)整體；然后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、在耐火材料硬化后加熱使聚氨酯海綿氣化分解，形成一個(gè)復(fù)制了聚氨酯海綿結(jié)構(gòu)的三維骨架空間；第三步、將銅金屬熔融液澆注到此鑄型內(nèi)，待金屬凝固后去除耐火材料就可形成具有漸變形貌特征的通孔金屬泡沫；所述的耐火材料是指酚醛樹脂、莫來石或石膏。
實(shí)施例2如圖2所示，本實(shí)施例包括換熱壁面7和燒結(jié)于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?fù)Q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制備出的最高孔密度130PPI，孔隙率選擇較低的O. 88，材質(zhì)最好選擇導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)高，這樣有利于換熱壁面 7通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞給泡沫更多的熱量。若是單相對(duì)流換熱，可根據(jù)換熱工質(zhì)的隨溫度變化的體積膨脹系數(shù)確定金屬骨架稠密程度的減小趨勢(shì)。若是相變換熱，因換熱工質(zhì)相變后體積變化較大，則金屬骨架稠密程度的減小趨勢(shì)要相對(duì)大一些。本實(shí)施例應(yīng)用于電子芯片散熱的單相或兩相散熱器，單相對(duì)流換熱時(shí)，通孔金屬泡沫8起到加強(qiáng)流體的擾動(dòng)作用；沸騰換熱時(shí)，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(shù)，利于換熱壁面7熱量的傳導(dǎo)和氣泡的大量生成；而遠(yuǎn)離換熱壁面7的大孔徑的金屬泡沫有利于氣泡的逃逸。由于熱傳導(dǎo)能力的增強(qiáng)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(duì)流換熱強(qiáng)化，所以冷卻芯片的效果特別明顯。
實(shí)施例3如圖3所以，本實(shí)施例包括兩個(gè)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(jié)于兩個(gè)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(jié)于兩塊換熱壁面的外側(cè)，該泡沫稠密程度沿?fù)Q熱壁面垂直向外方向逐漸減小。因管內(nèi)是單相流動(dòng)換熱，第一通孔金屬泡沫9的中間部分的稠密程度根據(jù)地?zé)崴倪M(jìn)口溫度、壓力和流量而定，若進(jìn)口溫度、壓力較高，地?zé)崴髁枯^大，則管道中間部分的金屬泡沫的孔密度(大于30PPI)較兩側(cè)相鄰的泡沫層要大一些，相鄰泡沫層的孔密度變化梯度大于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(shí)增加，以便增大強(qiáng)制對(duì)流換熱量。本實(shí)施例應(yīng)用于家用地?zé)嵘崞鹘K端。相對(duì)于光管中間流速過大的情況，本實(shí)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(cè)換熱壁面7的大孔密度的金屬泡沫由于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(dòng)空氣的阻力。
實(shí)施例4
如圖4所示，與上一實(shí)施例結(jié)構(gòu)相同，本實(shí)施例的管內(nèi)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(jìn)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(duì)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(shí)施例適用于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(xì)力強(qiáng)，對(duì)液相作用力更強(qiáng)。液體在中間流動(dòng)，由于液體溫度相對(duì)較低，但中間的金屬泡沫的換熱比表面積大，換熱量增大。由于中間往外的金屬泡沫孔密度減小，氣體被分在了外層流動(dòng)，而由于剪切力的存在，靠近兩換熱壁面7內(nèi)壁流動(dòng)的仍是液體。相對(duì)于傳統(tǒng)的光管氣相在中間，液相兩邊流動(dòng)的方式，由于靠近管壁的液膜厚度的減小，換熱熱阻減小，增強(qiáng)了換熱能力。兩換熱壁面7外側(cè)的孔密度大，毛細(xì)力強(qiáng)，更容易補(bǔ)充由于在壁面外側(cè)蒸發(fā)而需要補(bǔ)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(quán)利要求
1.一種具有漸變形貌特征的通孔金屬泡沫，其特征在于，該金屬泡沫的內(nèi)部通孔為稠密程度漸變結(jié)構(gòu)，即孔隙率相同，孔密度沿壁面垂直方向逐漸增大或減??；或者孔密度相同，孔隙率逐漸增大或減??；或者孔密度和孔隙率都相同，構(gòu)成通孔金屬泡沫的材質(zhì)逐漸變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通孔金屬泡沫，其特征是，所述的孔密度的變化范圍為3PPI — 130PPI。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通孔金屬泡沫，其特征是，所述的孔隙率的變化范圍為O.88—O. 98 ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通孔金屬泡沫，其特征是，所述的材質(zhì)逐漸變化是指按導(dǎo)熱系數(shù)從高到低排列的多種金屬泡沫。
5.一種制備權(quán)利要求1-4中任一所述漸變形貌特征的通孔金屬泡沫的方法，其特征在于，通過熔模鑄造法制備得到，該方法具體步驟包括第一步、將孔密度變化范圍為3PPI — 130PP1、孔隙率變化范圍為O. 88—0. 98的聚氨酯海綿按層疊加粘合成一個(gè)整體；然后將其浸入到液體耐火材料中，使耐火材料充滿其空第二步、在耐火材料硬化后加熱使聚氨酯海綿氣化分解，形成一個(gè)復(fù)制了聚氨酯海綿結(jié)構(gòu)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(nèi)，待金屬凝固后去除耐火材料就可形成具有漸變形貌特征的通孔金屬泡沫；當(dāng)制備材質(zhì)按層變化的漸變金屬泡沫時(shí)，將各層按上述第一步至第三步制備得到的金屬泡沫通過釬焊的方法焊接在一起即得。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述的耐火材料是指酚醛樹脂、莫來石或石骨。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述的金屬是指鋁、銅或鎳。
8.一種基于權(quán)利要求1-4中任一所述的通孔金屬泡沫,或權(quán)利要求5-7中任一所述方法制備得到的通孔金屬泡沫的用于單相或兩相換熱的換熱器，其特征在于，包括換熱壁面和燒結(jié)于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?fù)Q熱壁面垂直向外方向逐漸減小。
9.一種基于權(quán)利要求1-4中任一所述的通孔金屬泡沫,或權(quán)利要求5-7中任一所述方法制備得到的通孔金屬泡沫的用于單相或兩相換熱的換熱器，其特征在于，包括兩個(gè)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(jié)于兩個(gè)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(jié)于兩塊換熱壁面的外側(cè)，該泡沫稠密程度沿?fù)Q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(shù)領(lǐng)域的漸變形貌特征的通孔金屬泡沫換熱裝置，該金屬泡沫的內(nèi)部通孔為稠密程度漸變結(jié)構(gòu)；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??；或者孔密度相同，孔隙率逐漸增大或減??；或者孔密度和孔隙率都相同，構(gòu)成通孔金屬泡沫的材質(zhì)逐漸變化。本發(fā)明通過在換熱壁面燒結(jié)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(tǒng)的換熱翅片，增大了換熱比表面積，有利于因受熱而逐漸膨脹的流體的流動(dòng)和換熱，使得該換熱器在換熱效果相同的情況下?lián)Q熱效率更高，金屬耗材更少、體積更小。
文檔編號(hào)C22C1/08GK103060592SQ201310011939
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月11日
發(fā)明者徐治國(guó), 趙長(zhǎng)穎, 王美琴 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)