CN105674780B - 一种反重力热管 - Google Patents

Abstract

一种反重力热管，包括管壳、储液器、形状记忆弹簧、活塞和工作介质，该反重力热管的热端高于冷端，其中：储液器紧邻热端，其为工作介质的一容置空间，用于储存工作介质来冷却热端；形状记忆弹簧一端与热端相连并产生热接触，另一端与活塞相连；以及当热端升温到一阈值时，形状记忆弹簧受热发生形变并驱使活塞推动工作介质，给储液器内补充工作介质；当补充的工作介质使热端冷却到一阈值时，形状记忆弹簧冷却而恢复原来的形态。本发明的反重力热管突破毛细极限，结构较简单，不需设置隔离器、储液器或鼓泡器等其他的辅助设备，无额外耗功，无需外力驱动，热功转换效率高、驱动能力强。

Description

一种反重力热管

技术领域

本发明涉及热管领域，特别是能实现热端在上、冷端在下的高性能传热的反重力热管。

背景技术

热管是一种无需动力驱动、高效快速的传热元件，已经被广泛应用于电力电子、航空航天等领域。热管是由密闭管路充注一定量的液体制成，分为蒸发段、绝热段和冷凝段，有的热管内装有吸液芯。当蒸发段受热时，液体蒸发，蒸汽流向冷凝段，在冷凝段凝结成液体，液体在重力或吸液芯毛细力的作用下流回蒸发段，如此循环，热量由热管的蒸发段传至冷凝段。由于重力影响，热管一般要求加热段在下、冷却段在上，但实际应用中，受结构的限制常常出现加热段在上、冷却段在下的情况，这时，热管的传热效率会大大降低，甚至降低80％以上。另外，对于飞行器设备或车载设备中的热管，随着飞行姿态或加速度的影响，热管的传热性能也大受影响。因此，需要改进热管结构，实现反重力、抗加速度变动的高效散热。

目前对于反重力热管有一些尝试。例如发明专利申请“一种反重力热管及其制造方法”(申请号201410013259.X)提出了一种反重力热管结构，如图1所示。这种结构的热管包括外壳1、外壳内表面吸液芯2，以及吸液芯内侧表面设置的隔层3。热端(蒸发段)在上，冷端(冷凝段)在下，吸液芯冷却段的厚度比加热段的厚度大，吸液芯横截面为锥形或梯形。此结构的热管，在吸液芯2的内侧表面与隔层3之间的腔体内，在相变介质毛细力的作用下，可以补充一定高度的液体；同时冷端较厚的吸液芯可以提供较强的毛细力，实现反重力回液。

毛细泵环路热管具有一定反重力散热能力，但是结构比较复杂。图2为一典型的毛细泵环路反重力热管系统，主要由蒸发器、冷凝器、蒸汽管道、液体管道、储液器、隔离器及控制系统组成。蒸发器在上，内部产生的蒸汽通过蒸汽管道传递到下面的冷凝器，冷凝为液体后，在蒸发器内部的吸液芯的作用下通过液体通道回到蒸发器。隔离器是为了避免蒸汽反流入液体通道；储液器用于蒸发器补液，实现温度调控和蒸发器启动。

发明专利申请“反重力鼓泡式环路热管”(申请号201110425669.1)基于毛细泵环路热管提出了一种新的结构，如图3所示。这种结构的环路热管在补偿器与冷凝器之间增加了一个鼓泡器，正常工作条件下，鼓泡器与补偿器之间形成一段液柱。蒸发器吸热产生的蒸汽在冷凝器中冷凝之后，流入鼓泡器，鼓泡器内部提供热源，使其中的液体沸腾产生高压，在U型管的作用下，液体很难返回到冷凝器，但会驱动鼓泡器与补偿器之间的液柱流入补偿器，实现对蒸发器的补液。

上述单纯利用吸液芯的毛细作用来实现反重力传热，其效果有限，毛细结构、热负荷、冷热端高差等因素会有明显的影响；此外，现有的反重力环路热管结构较复杂，需设置隔离器避免蒸汽逆流入储液器或冷凝器，还需设置储液器对蒸发器补液；而反重力鼓泡式环路热管则不仅结构复杂，需设置补偿器和鼓泡器，且为了产生高压还需要额外耗功，给环路增加了额外的热负荷。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种反重力热管，以克服上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明的反重力热管，包括管壳、储液器、形状记忆弹簧、活塞和工作介质，所述反重力热管的热端高于冷端，其特征在于：

所述储液器紧邻热端，其为工作介质的一容置空间，用于储存工作介质来冷却所述热端；

所述形状记忆弹簧一端与所述热端相连并产生热接触，另一端与活塞相连；以及

当所述热端升温到一阈值时，所述形状记忆弹簧受热发生形变并驱使所述活塞推动所述工作介质，给所述储液器内补充工作介质；当所述补充的工作介质使所述热端冷却到一阈值时，所述形状记忆弹簧冷却而恢复原来的形态。

其中，所述反重力热管为环路热管。

其中，所述反重力热管为具有多个回路的连通管结构。

其中，所述反重力热管为单管结构；以及

所述形状记忆弹簧常温下为伸展状态，达到变形温度时缩短，推动工作介质向所述储液器补液；所述活塞与管壳内表面有间隙，或者采用有微通孔的活塞。

其中，所述形状记忆弹簧的材料选自镍钛形状记忆合金、铜基形状记忆合金或铁基形状记忆合金。

其中，所述形状记忆弹簧为双程记忆合金弹簧。

其中，所述形状记忆弹簧为单向记忆合金弹簧，且在所述活塞相对于所述形状记忆弹簧的另一方向连接有普通弹簧，通过所述普通弹簧使所述形状记忆弹簧在冷却时恢复或部分恢复到原来的形态。

其中，所述形状记忆弹簧在常温下为紧缩状态，在受热形变时所述形状记忆弹簧的长度增加2～8倍。

其中，所述形状记忆弹簧在常温下为伸长状态，在受热形变时所述形状记忆弹簧的长度缩小到原来的八分之一至一半。

其中，所述储液器为容置工作介质的隔板，或者为热端内部固定的多孔高导热系数材料。

其中，所述储液器为泡沫金属。

其中，该反重力热管不包含所述储液器，而通过使热端的加热面低于最高液位而保持浸润；当所述工作介质吸热产生的蒸汽受重力影响无法及时散热而使热端温度升高时，所述记忆合金弹簧受热伸长，推动冷凝液体流入热端，冷却加热面，实现反重力传热。

其中，所述活塞为密封式活塞，或者与所述管壳内表面有间隙，或者所述活塞表面有微通孔。

其中，所述活塞表面的微通孔为单向通孔。

其中，所述微通孔的每一个的底部都有一个翘曲薄片，具有一定的倾斜角度，当所述活塞向下运动推动液态的工作介质流动时，所述薄片在液态的工作介质压力作用下会闭合所述微通孔，防止液体反流；当活塞上表面有过多液态的工作介质流入，可通过所述微通孔顶开闭合薄片，流过活塞，保持液体循环以及活塞上下两个空间压力平衡。

其中，所述管壳的内部填充有吸液芯毛细结构。

本发明基于实现液体的反重力流动需要外力驱动，而形状记忆合金等智能材料可以实现高效率的热功转换，从而为液体流动提供驱动力的思想，利用形状记忆弹簧达到变形温度时会发生伸缩变化的现象来实现热管反重力传热，该方案具有以下优点：

(1)突破毛细极限：单纯利用吸液芯的毛细作用来实现反重力传热，对冷热端高差有强烈的依赖性，其传热作用有限；形状记忆弹簧可以根据加热面的温度改变长度，推动冷流体补液，既能够持续浸润加热面，保持相变吸热不间断，又增加了对流换热作用，反重力传热效果更好，对冷热端高差几乎无要求；

(2)结构较简单：不需设置隔离器、储液器或鼓泡器等其他的辅助设备，结构较简单，热管密闭性更好，更易维护；

(3)无额外耗功：利用形状记忆弹簧自发的形变实现反重力传热，无需鼓泡器等额外加压或加热的耗功部件推动液体流动，不会对管路增加额外负荷；

(4)无需外力驱动，利用形状记忆弹簧自发的形变实现反重力传热，不需要加装泵和马达等驱动装置，结构简单，可靠性好，且具有自适应能力；

(5)热功转换效率高、驱动能力强：将一定量的液体反重力提升1m高度所需的机械能，只占该部分液体蒸发吸热热能的0.002～0.01％左右，远远低于形状记忆合金的热功转换效率，理论上可将足够多的液体提升到很高的高度。

附图说明

图1为现有技术中一种反重力热管的结构示意图；

图2为现有技术的毛细泵环路热管的结构示意图；

图3为现有技术的反重力鼓泡式环路热管的结构示意图；

图4为本发明一实施例的热管结构示意图；

图5为本发明另一实施例的热管结构示意图；

图6为本发明的单向开孔活塞的剖面图；

图7为本发明的单管结构示意图；

图8为本发明的连通管或筒形剖面结构示意图；

图9为本发明的单程记忆反重力热管结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明是在热管内设置形状记忆弹簧，根据形状记忆效应，使形状记忆弹簧受热发生形变，产生驱动力，从而使工作介质克服重力循环流动，实现反重力传热。

形状记忆合金是具有一定形状的固体材料(通常是具有热弹性马氏体相变的材料)，在低温条件下进行一定形变量的塑性变形，当合金加热到某一温度时，材料能够恢复到变形前的初始形状。形状记忆弹簧经过训练后，达到一定温度条件时，伴随马氏体到奥氏体的转变形状会发生变化，改变弹簧长度。如果合金具有双程记忆效应，当温度低于一定条件时，奥氏体回复到马氏体，弹簧又恢复原状。本发明是利用形状记忆弹簧的形变实现热管反重力传热，如图4所示，热管包括管壳1、隔板2、形状记忆弹簧3、活塞4、工作介质5、冷凝端6，其中形状记忆弹簧3和隔板2处于加热端。加热端的温度较低时，形状记忆弹簧为收缩状态，热管内部在热端吸热产生蒸汽，流动到冷端放热冷凝；当受重力影响热端无法正常补液、热端温度升高到形状记忆弹簧的变形温度时，弹簧变形伸长，推动底端的活塞运动，驱动冷端的液态介质流动，冷却热端，同时冷凝液补充到隔板中，保证热端有液体浸润，避免热端温度过高，热端冷却后，形状记忆弹簧恢复到紧缩状态。

下面对各部件的功能和作用进行详细的说明：

管壳1：采用具有较高导热系数的铜、铝或不锈钢等热管常用金属材质制成，为相变工作介质内部循环形成密闭的空间。

隔板2：在热管加热段内部形成夹层，用于储存液态介质，确保加热面有液体润湿，避免热端过热。

形状记忆弹簧3：该部件是由形状记忆合金材料(如钛基记忆合金、铜基记忆合金等)加工而成，形成如图4所示的弹簧。在常温下形状记忆弹簧为紧缩状态，对其进行伸缩训练，使其在高温条件下(具体温度范围根据发热部件的工作温度范围而定，一般电力电子器件工作温度范围约为40-100℃)弹簧长度增加约2～8倍。形状记忆弹簧固定在加热端，加热端温度较低时，形状记忆弹簧紧缩，热管内部工作介质的相变流动可以满足传热需求；加热端温度升高到变形温度时，形状记忆弹簧伸长，推动活塞4，驱动冷凝液体流动到热端，冷却加热面，同时对隔板2补液；加热端被冷却后，形状记忆弹簧恢复初始的紧缩状态；如此循环。

活塞4：紧固在形状记忆弹簧3底端，弹簧伸长时可以推动液体流动，对热端补液。

相变介质5：热管的工作介质，通过吸热汽化、放热冷凝来实现热量的传递。

冷凝端6：热管的冷端部分，外部可通过各种散热方式将热管内部工作介质所传输的热量散出。

在上述方案中，形状记忆合金可以是镍钛形状记忆合金，也可以是其他适合于本发明的具有形状记忆功能的合金，如铜基形状记忆合金，铁基形状记忆合金等。

在上述方案中，设置隔板是为了确保加热面被液体浸润，防止干烧。作为一个优选实施例，隔板也可以由其他形式的储液器代替，如在热管加热面内部固定泡沫金属等多孔高导热系数材料，利用毛细作用，可以使液体储存在多孔材料中，为加热面供液。另外，也可以不设置隔板，采用图5所示结构，使加热面低于最高液位，保持浸润。当吸热蒸汽受重力影响无法及时散热而使加热端温度升高时，记忆合金弹簧受热伸长，推动冷凝液体流入加热端，冷却加热面，实现反重力传热。

在上述方案中，热管内的活塞可以是密封式活塞，也可以与管壳内表面有间隙，或者可以采用表面有微通孔的活塞，如多孔材料活塞、表面带有若干个单向通孔的活塞等。作为一个优选实施例，有单向通孔的活塞的剖面图如图6所示，活塞截面11上有若干个通孔12，每个通孔底部都有一个翘曲薄片13，具有一定的倾斜角度，当活塞向下运动推动液体流动时，薄片13在液体压力作用下会闭合通孔12，防止液体反流；当活塞上表面有过多液体流入，可通过通孔12顶开闭合薄片13，流过活塞，保持液体循环以及活塞上下两个空间压力平衡。

作为一个优选实施例，热管管壳内部可以填充吸液芯毛细结构，提升反重力传热性能。

除了图4所示的环形热管之外，还可以采用单管(如图7所示)结构。单管式反重力热管包括管壳1、隔板2、形状记忆弹簧3、活塞4、相变介质5、冷凝段6。形状记忆弹簧常温下为伸展状态，达到变形温度时缩短，推动冷凝液体向热端补液，同时在隔板内储液。活塞4与管壳内表面有间隙，或者可以采用有微通孔的活塞。隔板2也可以采用多孔金属材料实现液体的储存，保持加热端的浸润。热管内部可以填充吸液芯毛细结构，提升反重力传热性能。

在上述方案中，除了图4所示的环形热管之外，还可以采用连通管或内外筒结构(如图8所示)。作为一个优选实施例，如图8所示，该热管包括管壳1、隔板2、形状记忆弹簧3、活塞4、相变介质5、冷凝段6。与图4所示的环形热管相似，此结构的热管，形状记忆弹簧在常温下为紧缩状态，加热端温度升高到弹簧的变形温度后，弹簧伸长，推动活塞运动，冷凝液体流到加热段，冷却加热面，同时隔板储存液体。活塞可以是密封式，也可以与管壳内表面有间隙，或者可以采用表面有微通孔的活塞；隔板2也可以采用多孔金属材料实现液体的储存，或者采取图5所示的加热面内凹的结构代替隔板储液；热管内部可以填充吸液芯毛细结构，提升反重力传热性能。

在上述方案中，对于图4、图5、图8中所示的弹簧，形状记忆弹簧常温下也可以为伸展状态，达到变形温度时缩短，直接汲取冷凝液体为热端补液，同时在隔板内储液。

在上述方案中，图4、图5、图7、图8中的弹簧均为双程记忆合金弹簧，即高温变形、低温恢复原形。对于一般的单向记忆合金弹簧(高温发生变形，但低温无法恢复)，可以利用普通弹簧实现变形后的恢复。如图9所示，形状记忆弹簧3初始为紧缩状态，普通弹簧7初始为伸展状态；加热端温度升高到变形温度时，形状记忆弹簧3变形伸展，材料变为刚度很大的奥氏体，克服普通弹簧7的弹力，推动活塞4，驱使冷凝液体流动，实现热端补液；加热端被冷凝液冷却后温度降低，单向形状记忆弹簧3虽然无法自行收缩，但材料变为刚度较小的马氏体，在普通弹簧7的弹力的作用下，被压缩为初始的紧缩状态；如此循环。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种反重力热管，包括管壳、储液器、形状记忆弹簧、活塞和工作介质，所述反重力热管的热端高于冷端，其特征在于：

所述储液器紧邻热端，其为工作介质的一容置空间，用于储存工作介质来冷却所述热端；

所述形状记忆弹簧一端与所述热端相连并产生热接触，另一端与活塞相连；以及

当所述热端升温到一阈值时，所述形状记忆弹簧受热发生形变并驱使所述活塞推动所述工作介质，给所述储液器内补充工作介质；当所述补充的工作介质使所述热端冷却到一阈值时，所述形状记忆弹簧冷却而恢复原来的形态。

2.如权利要求1所述的反重力热管，其特征在于，所述反重力热管为环路热管。

3.如权利要求2所述的反重力热管，其特征在于，所述反重力热管为具有多个回路的连通管结构。

4.如权利要求1所述的反重力热管，其特征在于，所述反重力热管为单管结构；以及

所述形状记忆弹簧常温下为伸展状态，达到变形温度时缩短，推动工作介质向所述储液器补液；所述活塞与管壳内表面有间隙，或者采用有微通孔的活塞。

5.如权利要求1所述的反重力热管，其特征在于，所述形状记忆弹簧的材料选自镍钛形状记忆合金、铜基形状记忆合金或铁基形状记忆合金。

6.如权利要求1所述的反重力热管，其特征在于，所述形状记忆弹簧为双程记忆合金弹簧；或者

所述形状记忆弹簧为单向记忆合金弹簧，且在所述活塞相对于所述形状记忆弹簧的另一方向连接有普通弹簧，通过所述普通弹簧使所述形状记忆弹簧在冷却时恢复或部分恢复到原来的形态。

7.如权利要求1所述的反重力热管，其特征在于，所述形状记忆弹簧在常温下为紧缩状态，在受热形变时所述形状记忆弹簧的长度增加2～8倍；或者

所述形状记忆弹簧在常温下为伸长状态，在受热形变时所述形状记忆弹簧的长度缩小到原来的八分之一至一半。

8.如权利要求1所述的反重力热管，其特征在于，所述储液器为容置工作介质的隔板，或者为热端内部固定的多孔高导热系数材料。

9.如权利要求8所述的反重力热管，其特征在于，所述储液器为热端内部固定的泡沫金属。

10.如权利要求1所述的反重力热管，其特征在于，所述活塞为密封式活塞，或者与所述管壳内表面有间隙，或者所述活塞表面有微通孔。

11.如权利要求10所述的反重力热管，其特征在于，所述活塞表面的微通孔为单向通孔。

12.如权利要求11所述的反重力热管，其特征在于，所述微通孔的每一个的底部都有一个翘曲薄片，具有一定的倾斜角度，当所述活塞向下运动推动液态的工作介质流动时，所述薄片在液态的工作介质压力作用下会闭合所述微通孔，防止液体反流；当活塞上表面有过多液态的工作介质流入，可通过所述微通孔顶开闭合薄片，流过活塞，保持液体循环以及活塞上下两个空间压力平衡。

13.如权利要求1所述的反重力热管，其特征在于，所述管壳的内部填充有吸液芯毛细结构。

14.一种反重力热管，包括管壳、形状记忆弹簧、活塞和工作介质，所述反重力热管的热端高于冷端，其特征在于：

所述反重力热管中不包含储液器，而通过使热端的加热面低于最高液位而保持浸润；

所述形状记忆弹簧一端与所述热端相连并产生热接触，另一端与活塞相连；所述活塞与管壳内表面有间隙，或者采用有微通孔的活塞；

当所述工作介质吸热产生的蒸汽受重力影响无法及时散热而使热端温度升高时，所述形状记忆弹簧受热伸长，推动活塞从而使冷凝的工作介质流入热端，冷却加热面。