CN115328229B - 一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统，包括：利用温度传感器采集温度信号，并将所述温度信号反馈至温度信号采集和处理系统；温度信号采集和处理系统对所述温度信号进行识别、判断，并向外加热源控制系统反馈执行命令；外加热源控制系接收到所述执行命令后对辅助热流的强度和周期进行调节，并利用新的运行策略促进脉动热管启动。通过控制外加热源向脉动热管蒸发端施加热流刺激，促进热管启动，缩短热管启动时间改善热管传热性能，及时有效地抑制控温对象的温升，有效地热散扩展，且造价低廉，整体制作安装简单，使用方便。

Description

一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统

技术领域

本发明涉及脉动热管技术领域，尤其涉及一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统。

背景技术

脉动热管作为一种新型传热装置，具有结构简单、适应性强和传热性能高等特点，尤其适用于微小空间、大功率散热。脉动热管的工作过程可分为启动阶段和运行阶段，通常认为从开始加热到热管成功启动的过程是脉动热管的启动阶段。脉动热管的启动实质上是体现为相态的转变过程，当蒸发端受热，管内液相工质吸热并发生核态沸腾，不断产生汽泡、迅速膨胀和升压，推动液塞向冷凝端运动，工质到达冷凝端后，通过管壁面进行冷却换热，汽塞冷凝收缩甚至消亡，压力下降，液塞回流至蒸发端。这样热量就不断通过管内工质的相变传热和脉动热流传热实现高效的热传递。

当前，脉动热管的研究主要集中在高热流输入条件下热管稳定运行阶段，而对于低热流输入条件的研究较少；当控温对象的热负荷较低时，由于脉动热管输入热流较小，可能导致热管无法正常启动运行，继而使控温对象的性能和安全性受影响而恶化，甚至造成危险。

经现有文献检索发现，中国专利公开号为CN113048820A的专利申请公开了一种脉动热管传热系统，该系统包括充有工质的管式脉动热管和用于调整脉动热管内部工质脉动频率和振幅的外加振荡源。该发明通过控制外加振荡源中磁场的大小方向以及电极对的通电方向，进而间接通过洛伦兹力驱动液态金属，从而影响脉动热管内部工质的脉动频率和振幅。虽然该专利文献可在一定程度上使得脉动热管启动和传热性能得到增强，但是该发明在脉动热管外部引入了电磁场，在空间上限制了脉动热管的使用。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：控温对象的热负荷较低时，由于脉动热管输入热流较小，可能导致热管无法正常启动运行，继而使控温对象的性能和安全性受影响而恶化，甚至造成危险的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：利用温度传感器采集温度信号，并将所述温度信号反馈至温度信号采集和处理系统；

温度信号采集和处理系统对所述温度信号进行识别、判断，并向外加热源控制系统反馈执行命令；

外加热源控制系接收到所述执行命令后对辅助热流的强度和周期进行调节，并利用新的运行策略促进脉动热管启动。

作为本发明所述的外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的一种优选方案，其中：所述温度信号包括控温对象的温度、脉动热管蒸发端和冷凝端的温度以及环境温度。

作为本发明所述的外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的一种优选方案，其中：包括，

将控温对象布置于所述脉动热管蒸发端，将温度传感器布置于所述控温对象表面以及所述脉动热管蒸发端和冷凝端表面；

利用所述温度传感器感应所述控温对象表面的温度以及所述脉动热管蒸发端和冷凝端的表面温度，获取所述温度信号；

所述温度传感器对控温对象和脉动热管的蒸发端与冷凝端进行温度监测，并将监测到的温度数据存储于历史数据中。

作为本发明所述的外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的一种优选方案，其中：温度信号采集和处理系统对所述温度信号进行识别、判断包括，

基于监测到的温度数据和历史数据，依据温度的变化趋势和温度阈值，判断控温对象和脉动热管的状态；

所述控温对象和脉动热管的状态包括控温对象是否需要散热、脉动热管是否已启动。

作为本发明所述的外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的一种优选方案，其中：包括，

基于所述控温对象和脉动热管的状态，判断是否需要进行干预运行；

若无需进行干预，则维持脉动热管初始状态，启动或不启动；

若需要进行干预，则诊断脉动热管需要强制终止或启动新的运行策略。

作为本发明所述的外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的一种优选方案，其中：所述脉动热管的诊断包括，

若诊断强制终止，则终止冷却器状态；

若诊断脉动热管需要启动新的运行策略，则调节刺激热流控制器，设定刺激热流的幅值和持续时间；

依据脉动热管和控温对象的温度监测结果，通过计算机判断是否需要对运行状态进行控制调节，所述对运行状态进行控制调节包括延续刺激、撤除热流。

作为本发明所述的外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的一种优选方案，其中：所述新的运行策略包括，

针对被控温热管理对象，利用传感器进行温度状态监控；

判断所述被控温热管理对象的温度是否达到设定值，并判断是否需要启用新的运行策略，并开启刺激热流。

作为本发明所述的外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的一种优选方案，其中：包括，

若被控温热管理对象的温度达到设定值时，通过控制器并依据历史数据及其变化方式判断被控温热管理对象的状态，若温度持续升高，且温度升高无明显趋缓时，启动所述新的运行策略，开启刺激热流，并在适当时机撤除热流。

作为本发明所述的外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的一种优选方案，其中：包括，

依据温度差和变化速率两个变量来判定温度是否趋缓。

作为本发明所述的外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的一种优选方案，其中：所述撤除热流的判定包括，

判定脉动热管启动，根据脉动热管蒸发器或冷凝器的温度变化，并利用传感器判定；

设定时间，以计时器为控制。

本发明的有益效果：通过控制外加热源向脉动热管蒸发端施加热流刺激，促进热管启动，缩短热管启动时间改善热管传热性能，及时有效地抑制控温对象的温升，有效地热散扩展，且造价低廉，整体制作安装简单，使用方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例提供的一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的整体结构图；

图2为本发明一个实施例提供的一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的脉动热管蒸发端结构图；

图3为本发明一个实施例提供的一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的脉动热管传热系统结构图；

图4为本发明一个实施例提供的一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的脉动热管主体图；

图5为本发明一个实施例提供的一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的第二个实施例的脉动热管启动阶段温度变化情况；

图6为本发明一个实施例提供的一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的第二个实施例的脉动热管启动与长周期运行阶段温度变化情况；

图7为本发明一个实施例提供的一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的第三个实施例的脉动热管启动阶段温度变化情况；

图8为本发明一个实施例提供的一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的第三个实施例的脉动热管启动与长周期运行阶段温度变化情况；

图9为本发明一个实施例提供的一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的第三个实施例的无策略启动时，充注率40％，热流8W，脉动热管未启动的情况；

图10为本发明一个实施例提供的一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的第三个实施例的无策略启动时，充注率30％，热流6W，脉动热管未启动的情况；

其中，冷却器温度传感器101，脉动热管冷凝端温度传感器102，脉动热管103，控温对象温度传感器104，刺激热流输入端105，脉动热管蒸发端温度传感器106，控温对象107，刺激热流源108，电流传输线109，冷却器110，温度传感器信号传输线111，适配器112，温度传感器信号输入端112a、历史数据存储器112b、计算器112c、刺激热流控制器112d。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～4，为本发明的一个实施例，提供了一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统，包括：

如图1～2所示，脉动热管103的蒸发端和控温对象107热接触，为确保传热效果，可在两者之间填充有导热介质，如导热硅脂或石墨等；脉动热管103的冷凝端和冷却器110热接触，冷却器110可以为风冷、水冷或相变材料等，可以为开放式或封闭式；脉动热管103的蒸发端有刺激热流输入端105，如电热丝缠绕、导电薄膜涂层等；刺激热流输入端105有连接点，通过电流传输线109，依次和刺激热流源108、适配器112连接，构成完整电路循环；适配器112由温度传感器信号输入端112a、历史数据存储器112b、计算器112c、刺激热流控制器112d组成；脉动热管蒸发端温度传感器106和脉动热管冷凝端温度传感器102、控温对象温度传感器104、冷却器温度传感器101、环境侧温度传感器113分别通过温度传感器信号传输线111连接到温度传感器信号输入端112a，存储于历史数据存储器112b，经过计算器112c处理后，通过刺激热流控制器112d对刺激热流电路循环进行开/关控制，调节脉动热管的运行状态。

S1：利用温度传感器采集温度信号，并将温度信号反馈至温度信号采集和处理系统。需要说明的是：

所述脉动热管传热系统包括充有工质的脉动热管、控温对象、温度传感器、温度信号采集和处理系统、电加热元件和外加热源控制系统。

温度信号包括所述温度信号包括控温对象的温度、脉动热管蒸发端和冷凝端的温度以及环境温度。

可根据测量需求有选择性的去测量温度信号，温度信号主要包括以下几种形式：

(1)控温对象温度、蒸发端温度

(2)控温对象温度、蒸发端温度和冷凝端温度

(3)控温对象温度、蒸发端温度和环境温度

(4)控温对象温度、蒸发端温度、冷凝端温度和环境温度

进一步的，将控温对象布置于脉动热管蒸发端，将温度传感器布置于控温对象表面以及脉动热管蒸发端和冷凝端表面；

温度传感器通过导线与温度信号采集和处理系统相连接；电加热元件通过导线与外加热源控制系统相连接；温度信号采集和处理系统通过导线与外加热源控制系统相连接。

利用温度传感器感应控温对象表面的温度以及脉动热管蒸发端和冷凝端的表面温度，获取温度信号；

温度传感器对控温对象和脉动热管的蒸发端与冷凝端进行温度监测，并将监测到的温度数据存储于历史数据中。

S2：温度信号采集和处理系统对温度信号进行识别、判断，并向外加热源控制系统反馈执行命令。需要说明的是：

温度信号采集和处理系统对温度信号进行识别、判断包括，

基于监测到的温度数据和历史数据，依据温度的变化趋势和温度阈值，判断控温对象和脉动热管的状态；

控温对象和脉动热管的状态包括控温对象是否需要散热、脉动热管是否已启动。

S3：外加热源控制系接收到执行命令后对辅助热流的强度和周期进行调节，并利用新的运行策略促进脉动热管启动。需要说明的是：

基于控温对象和脉动热管的状态，判断是否需要进行干预运行；

若无需进行干预，则维持脉动热管初始状态，启动或不启动；

若需要进行干预，则诊断脉动热管需要强制终止或启动新的运行策略。

进一步的，脉动热管的诊断包括，

若诊断强制终止，则终止冷却器状态；

若诊断脉动热管需要启动新的运行策略，则调节刺激热流控制器，设定刺激热流的幅值和持续时间；

再进一步的，依据脉动热管和控温对象的温度监测结果，通过计算机判断是否需要对运行状态进行控制调节，对运行状态进行控制调节包括延续刺激、撤除热流。

当控温对象表面温度超过设定的温度阈值，外加热源控制系统调节辅助热流的强度和周期，通过电加热元件在脉动热管蒸发端表面施加热流刺激，促进热管启动。

通过脉动热管冷热两端温度变化判断热管未启动运行时，外加热源控制系统调节辅助热流的强度和周期，通过电加热元件在脉动热管蒸发端表面施加热流刺激，促进热管启动。

更进一步的，新的运行策略包括，

针对被控温热管理对象，利用传感器进行温度状态监控；

判断被控温热管理对象的温度是否达到设定值，并判断是否需要启用新的运行策略，并开启刺激热流。

若被控温热管理对象的温度达到设定值时，通过控制器并依据历史数据及其变化方式判断被控温热管理对象的状态，若温度持续升高，且温度升高无明显趋缓时，启动新的运行策略，开启刺激热流，并在适当时机撤除热流。

依据温度差和变化速率两个变量来判定温度是否趋缓。

撤除热流的判定包括，

判定脉动热管启动，根据脉动热管蒸发器或冷凝器的温度变化，并利用传感器判定；

设定时间，以计时器为控制。

本发明通过控制外加热源向脉动热管蒸发端施加热流刺激，促进热管启动，缩短热管启动时间改善热管传热性能，及时有效地抑制控温对象的温升，有效地热散扩展，且造价低廉，整体制作安装简单，使用方便。

实施例2

参照图5～6所示，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统的验证测试，以验证本方法所具有的真实效果。

以动力电池热管理为例，常规的脉动热管用于热管理场合，仅仅是通过热负荷对热管进行加热，即电池的散热需求；而脉动热管在低负荷条件下，可能存在启动失效的问题，或者需要等待很长时间才能启动，这就导致了热管理对象长期处于散热恶化阶段，继而可能引发过热风险，甚至可能导致危险发生，如自燃等情况。这也是很多电动车在静态条件下出现电池故障后，由于无法有效散热，最终产生电池失效和失火灾难的原因。

本次发明通过在脉动热管运行过程中，适时引入辅助热流，刺激热管启动，提高传热性能，让热管理对象相较于常规策略处于更低的温度状态，并且该辅助热流并非永久性输入。

和常识中需要对物体进行散热，需要移除热量不同的是，通过向脉动热管可控的输入热流可促进脉动热管的启动，继而改善对物体的散热，最终达到更好控温的有益效果。

具体的说，新的运行策略是：

针对被控温热管理对象，利用传感器进行温度状态监测；若对象温度达到设定值时，(该设定值可根据热管不同进行差异化设定；为热管理对象监测温度下限以下或以上某范围)，通过控制器，依据历史数据及其变化方式判断控温对象状态，若温度持续升高，且温度升高未明显趋缓时(以温度差和变化速率两个变量来判定)，启用策略，开启刺激热流(主要为电热，电的来源可以来自于外部或电池本身)，在适当时机撤除热流(两种情形：1、判定热管启动，以热管蒸发器和/或冷凝器的温度变化，利用传感器判定；2、设定时间，以计时器为控制)

在运行中，增加意外模式，即系统在新运行方式下仍启动失败，则通过温度传感器判定，控温对象温度或/和蒸发器温度达到设定值，强制停止辅助热流，并报警；该报警功能在策略不工作时，也可以运行。

在运行过程中，利用传感器对控温对象和脉动热管的蒸发端与冷凝端进行温度监测，并存储于历史数据中；基于监测结果和历史数据，依据温度的变化趋势和温度阈值，判断控温对象和脉动热管的状态，包括控温对象是否需要散热、脉动热管是否已启动；针对运行状态的判断结果，选择合适的热管理方法，即是否需要进行干预运行；若无需干预，则维持脉动热管初始状态，启动或不启动；若需要进行干预，则诊断脉动热管需强制终止或策略启动；若诊断强制终止，则终止冷却器状态。

若诊断脉动热管需策略启动，调节刺激热流控制器，设定刺激热流的幅值和持续时间；依据脉动热管和控温对象的温度监测结果，在过程中通过计算器判断是否需要对运行状态进行控制调节，包含延续刺激、撤除热流(程序撤除和强制撤除)。

如图5～6所示，当控温对象的热负荷一定，脉动热管蒸发端的输入热流为基础热流，在蒸发端温度随时间逐渐升高的过程中，温度传感器感应控温对象表面温度，并将温度信号传输至温度信号采集和处理系统，当控温对象表面温度达到设定的温度阈值时，温度信号采集和处理系统向外加热源控制系统反馈执行命令，外加热源控制系统控制布置于脉动热管蒸发端的加热元件输出辅助热流，辅助热流强度与基础热流相同，输出周期为10分钟，促进了热管启动，改善热管启动和传热性能，实现了对脉动热管的启动控制。

实施例3

参照图7～10所示，为本发明的第二个实施例，本实施例与实施例2的差别在于，在实施例2中，如图7～8所示，辅助热流强度与基础热流相同，而在本实施例中，辅助热流强度为基础热流的0.5倍。当控温对象表面温度达到设定的温度阈值时，温度信号采集和处理系统向外加热源控制系统反馈执行命令，外加热源控制系统控制布置于脉动热管蒸发端的加热元件输出辅助热流，辅助热流强度为基础热流的0.5倍，输出周期为10分钟，促进了热管启动，改善热管启动和传热性能，实现了对脉动热管的启动控制。如图9～10所示，无策略启动时，采用和策略启动相同的充液率和基础热流，由于脉动热管输入热流较小，脉动热管无法正常启动。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统，其特征在于，包括：

利用温度传感器采集温度信号，并将所述温度信号反馈至温度信号采集和处理系统；

温度信号采集和处理系统对所述温度信号进行识别、判断，并向外加热源控制系统反馈执行命令；

外加热源控制系接收到所述执行命令后对辅助热流的强度和周期进行调节，并利用新的运行策略促进脉动热管启动；

温度信号采集和处理系统对所述温度信号进行识别、判断包括，基于监测到的温度数据和历史数据，依据温度的变化趋势和温度阈值，判断控温对象和脉动热管的状态，控温对象和脉动热管的状态包括控温对象是否需要散热、脉动热管是否已启动；

基于所述控温对象和脉动热管的状态，判断是否需要进行干预运行，若无需进行干预，则维持脉动热管初始状态，启动或不启动；若需要进行干预，则诊断脉动热管需要强制终止或启动新的运行策略；

脉动热管的诊断包括，若诊断强制终止，则终止冷却器状态，若诊断脉动热管需要启动新的运行策略，则调节刺激热流控制器，设定刺激热流的幅值和持续时间；

依据脉动热管和控温对象的温度监测结果，通过计算机判断是否需要对运行状态进行控制调节，所述对运行状态进行控制调节包括延续刺激、撤除热流；

新的运行策略包括，针对被控温热管理对象，利用传感器进行温度状态监控，判断所述被控温热管理对象的温度是否达到设定值，并判断是否需要启用新的运行策略，并开启刺激热流；

依据温度差和变化速率两个变量来判定温度是否趋缓；

撤除热流的判定包括，判定脉动热管启动，根据脉动热管蒸发器或冷凝器的温度变化，并利用传感器判定；

设定时间，以计时器为控制。

2.如权利要求1所述的外加可控辅助热源的脉动热管传热系统，其特征在于：所述温度信号包括控温对象的温度、脉动热管蒸发端和冷凝端的温度以及环境温度。

3.如权利要求2所述的外加可控辅助热源的脉动热管传热系统，其特征在于：包括，

将控温对象布置于所述脉动热管蒸发端；

利用温度传感器测量所述控温对象温度以及所述脉动热管蒸发端和冷凝端温度有以下方式：

将温度传感器贴附、粘结或焊接、连接在控温对象表面、脉动热管蒸发端和冷凝端表面，利用温度传感器测量控温对象的温度、脉动热管蒸发端和冷凝端的温度；

利用温度传感器深入控温对象、脉动热管蒸发端和冷凝端内部一定深度，并测量所述控温对象的温度、脉动热管蒸发端和冷凝端的温度；

采用非接触式对控温对象表面、脉动热管蒸发端和冷凝端表面进行温度测量；

所述温度传感器对控温对象和脉动热管的蒸发端与冷凝端进行温度监测，并将监测到的温度数据存储于历史数据中。

4.如权利要求3所述的外加可控辅助热源的脉动热管传热系统，其特征在于：包括，

若被控温热管理对象的温度达到设定值时，通过控制器并依据历史数据及其变化方式判断被控温热管理对象的状态，若温度持续升高，且温度升高无明显趋缓时，启动所述新的运行策略，开启刺激热流，并在适当时机撤除热流。