[发明专利]高性能吸液芯

说明书

技术领域

本发明一般涉及液体吸液芯领域，更具体地说，涉及能在较大负压下泵送液体的微流体吸液芯。

背景技术

应用于飞行器以及其他动态环境中的热传递系统设计方案对重量、形状系数、操作条件宽度以及操作稳定性具有严格限制。基于对流热传递的传统热交换器在这些应用中面临众多挑战：需要专用的有源泵来驱动流动；因固有的显热交换效率不良而需要大量的工作流体；和需要较大的温度差来驱动有效的传递率。

热管是传统热交换器的具有吸引力的替代品。通过蒸发和冷凝工作流体，热管采用蒸发冷却来从热源向散热器传递热能。较之显热冷却(例如，循环冷却剂回路)除去的等体积液体的热能，蒸发冷却有能力除去高达10倍的热能。常用热管包括含有一定量工作流体的密封管和沿着所述管的内壁布置的毛细管吸液芯。由于热管的一端暴露于热源，所以该端部内的工作流体从热源吸收热能并蒸发，升高该管件内的局部蒸汽压力。工作流体蒸发所吸收的蒸发潜热降低了该管热端的温度。该管热源一侧的工作流体上的蒸汽压力高于该管较冷一端的冷凝工作流体上的平衡蒸汽压力，并且这种压力差将向冷凝端驱动迅速的质量传递，过多的蒸汽在冷凝端冷凝，释放其潜热并使该管的较冷端暖热。冷凝的工作流体现在是液体，将借助毛细管吸液芯转移回到热源。

热管制造领域最近的发展已经为非常小的应用场合，诸如用于冷却微电子件，带来了微流体热管。轻薄、平坦的热管已经出现，作为冷却电路板、便携式电脑或者其他高度受限的应用的先进技术。在一种示例中，微流体热管结构利用传统微晶片制造技术蚀刻到硅晶片中。蚀刻到该结构中的毛细管道利用吸液材料进行扩充，从而提供使冷凝的工作流体返回蒸发器的方法。

其他热管结构包括设置在蒸发器的液体/蒸汽界面之间的多孔性阀金属。多孔性阀，通常以烧结的粉末金属制成，具有填隙空位，随着工作流体蒸发，所述添隙空位用作毛细管来吸引工作流体通过所述多孔性金属。

热管设计者所面临的主要挑战之一是保证吸液芯提供从冷凝器区域到蒸发器区域的正向液体流。吸液芯的泵送能力受到高度(抵抗重力的操作)和长度(质量流阻)的不利影响。必须对经由蒸发冷却所除去的热量以及保证工作流体充足地供应给出仔细的设计考虑，以实现除热效果。在微流体热管应用中，毛细管道和吸液结构通常用于实现这一目的。但是，吸液结构必须产生足够的毛细管力以保证正向液体流。

目前热管中发现的一个缺点是毛细管或者吸液材料中的毛细管吸液力并不能总是充分地克服可以引入所述系统中的动态力。目前的吸液芯仅产生一个不到一个大气压(＜1atm)的泵送压力。这种小的压力差容易被重力或惯性力(例如，沿着吸液芯轴线的加速度)所压制。在存在这些外力的情况下，热管容易因蒸发器干烧而失效。例如，航天应用中的热管结构的设计方案特别具有挑战性。对于合适的热能差，蒸发器和冷凝器部分可能需要隔开超过1米。此外，飞行器可能产生超过重力3倍的动态加速度力(3g)。在极端情况下，诸如在航天器在太空边缘或接近太空边缘航行时，动态载荷可能高达重力的10倍(10g)。在这些情况下，要求吸液结构克服超过1个大气压(0.1兆帕)的压位差。现在并不存在能产生足够的吸液力以克服该量值的静态和动态载荷的已知吸液结构。

发明内容

因此，在这种背景下，本发明的目的是提供一种通过在大负压下操作而克服外界影响诸如重力、惯性力以及粘性流动阻力的吸液装置。简单地说，一种吸液装置包括复合冷凝器膜，所述复合冷凝器膜包括基材层、蒸汽入口端、液体排出端、设置在所述基材层中并将所述蒸汽入口端流体耦接到所述液体排出端的多个腔体、和设置在所述多个腔体中的纳米孔填料。所述纳米孔填料具有多个第一开放孔，所述第一开放孔的最大直径处于0.2到200纳米范围内。所述吸液装置进一步包括具有第一端和第二端的液体导管。所述液体导管的所述第一端流体耦接到所述复合冷凝器膜的所述液体排出端。所述吸液装置进一步包括复合蒸发器膜，所述复合蒸发器膜包括基材层、液体入口端、蒸汽排出端、设置在所述基材层中并将所述液体入口端流体耦接到所述液体导管的所述第二端的多个腔体、和设置在所述多个腔体中的纳米孔填料。所述纳米孔填料具有多个第二开放孔，所述第二开放孔的最大直径处于0.2到200纳米范围内。

根据本发明的实施方式，提供一种吸液装置，其中所述复合冷凝器膜的所述基材层和所述复合蒸发器膜的所述基材层中的至少一个是多孔性的。

根据本发明的实施方式，提供一种吸液装置，其中所述多孔性的基材层包括单晶多孔硅。

根据本发明的实施方式，设置在至少所述复合蒸发器膜的腔体内的所述纳米孔填料包括分子凝胶。