本實用新型涉及熱管領域，特別是能實現(xiàn)熱端在上、冷端在下的高性能傳熱的反重力熱管。

背景技術：

熱管是一種無需動力驅動、高效快速的傳熱元件，已經被廣泛應用于電力電子、航空航天等領域。熱管是由密閉管路充注一定量的液體制成，分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段，有的熱管內裝有吸液芯。當蒸發(fā)段受熱時，液體蒸發(fā)，蒸汽流向冷凝段，在冷凝段凝結成液體，液體在重力或吸液芯毛細力的作用下流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)，熱量由熱管的蒸發(fā)段傳至冷凝段。由于重力影響，熱管一般要求加熱段在下、冷卻段在上，但實際應用中，受結構的限制常常出現(xiàn)加熱段在上、冷卻段在下的情況，這時，熱管的傳熱效率會大大降低，甚至降低80％以上。另外，對于飛行器設備或車載設備中的熱管，隨著飛行姿態(tài)或加速度的影響，熱管的傳熱性能也大受影響。因此，需要改進熱管結構，實現(xiàn)反重力、抗加速度變動的高效散熱。

目前對于反重力熱管有一些嘗試。例如實用新型專利申請“一種反重力熱管及其制造方法”(申請?zhí)?01410013259.X)提出了一種反重力熱管結構，如圖1所示。這種結構的熱管包括外殼1、外殼內表面吸液芯2，以及吸液芯內側表面設置的隔層3。熱端(蒸發(fā)段)在上，冷端(冷凝段)在下，吸液芯冷卻段的厚度比加熱段的厚度大，吸液芯橫截面為錐形或梯形。此結構的熱管，在吸液芯2的內側表面與隔層3之間的腔體內，在相變介質毛細力的作用下，可以補充一定高度的液體；同時冷端較厚的吸液芯可以提供較強的毛細力，實現(xiàn)反重力回液。

毛細泵環(huán)路熱管具有一定反重力散熱能力，但是結構比較復雜。圖2為一典型的毛細泵環(huán)路反重力熱管系統(tǒng)，主要由蒸發(fā)器、冷凝器、蒸汽管道、液體管道、儲液器、隔離器及控制系統(tǒng)組成。蒸發(fā)器在上，內部產生的蒸汽通過蒸汽管道傳遞到下面的冷凝器，冷凝為液體后，在蒸發(fā)器內部的吸液芯的作用下通過液體通道回到蒸發(fā)器。隔離器是為了避免蒸汽反流入液體通道；儲液器用于蒸發(fā)器補液，實現(xiàn)溫度調控和蒸發(fā)器啟動。

實用新型專利申請“反重力鼓泡式環(huán)路熱管”(申請?zhí)?01110425669.1)基于毛細泵環(huán)路熱管提出了一種新的結構，如圖3所示。這種結構的環(huán)路熱管在補償器與冷凝器之間增加了一個鼓泡器，正常工作條件下，鼓泡器與補償器之間形成一段液柱。蒸發(fā)器吸熱產生的蒸汽在冷凝器中冷凝之后，流入鼓泡器，鼓泡器內部提供熱源，使其中的液體沸騰產生高壓，在U型管的作用下，液體很難返回到冷凝器，但會驅動鼓泡器與補償器之間的液柱流入補償器，實現(xiàn)對蒸發(fā)器的補液。

上述單純利用吸液芯的毛細作用來實現(xiàn)反重力傳熱，其效果有限，毛細結構、熱負荷、冷熱端高差等因素會有明顯的影響；此外，現(xiàn)有的反重力環(huán)路熱管結構較復雜，需設置隔離器避免蒸汽逆流入儲液器或冷凝器，還需設置儲液器對蒸發(fā)器補液；而反重力鼓泡式環(huán)路熱管則不僅結構復雜，需設置補償器和鼓泡器，且為了產生高壓還需要額外耗功，給環(huán)路增加了額外的熱負荷。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本實用新型的目的在于提供一種反重力熱管，以克服上述技術問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的反重力熱管，包括管殼、儲液器、形狀記憶彈簧、活塞和工作介質，所述反重力熱管的熱端高于冷端，其特征在于：

所述儲液器緊鄰熱端，其為工作介質的一容置空間，用于儲存工作介質來冷卻所述熱端；

所述形狀記憶彈簧一端與所述熱端相連并產生熱接觸，另一端與活塞相連；以及

當所述熱端升溫到一閾值時，所述形狀記憶彈簧受熱發(fā)生形變并驅使所述活塞推動所述工作介質，給所述儲液器內補充工作介質；當所述補充的工作介質使所述熱端冷卻到一閾值時，所述形狀記憶彈簧冷卻而恢復原來的形態(tài)。

其中，所述反重力熱管為環(huán)路熱管。

其中，所述反重力熱管為具有多個回路的連通管結構。

其中，所述反重力熱管為單管結構；以及

所述形狀記憶彈簧常溫下為伸展狀態(tài)，達到變形溫度時縮短，推動工作介質向所述儲液器補液；所述活塞與管殼內表面有間隙，或者采用有微通孔的活塞。

其中，所述形狀記憶彈簧的材料選自鎳鈦形狀記憶合金、銅基形狀記憶合金或鐵基形狀記憶合金。

其中，所述形狀記憶彈簧為雙程記憶合金彈簧。

其中，所述形狀記憶彈簧為單向記憶合金彈簧，且在所述活塞相對于所述形狀記憶彈簧的另一方向連接有普通彈簧，通過所述普通彈簧使所述形狀記憶彈簧在冷卻時恢復或部分恢復到原來的形態(tài)。

其中，所述形狀記憶彈簧在常溫下為緊縮狀態(tài)，在受熱形變時所述形狀記憶彈簧的長度增加2～8倍。

其中，所述形狀記憶彈簧在常溫下為伸長狀態(tài)，在受熱形變時所述形狀記憶彈簧的長度縮小到原來的八分之一至一半。

其中，所述儲液器為容置工作介質的隔板，或者為熱端內部固定的多孔高導熱系數(shù)材料。

其中，所述儲液器為泡沫金屬。

其中，該反重力熱管不包含所述儲液器，而通過使熱端的加熱面低于最高液位而保持浸潤；當所述工作介質吸熱產生的蒸汽受重力影響無法及時散熱而使熱端溫度升高時，所述記憶合金彈簧受熱伸長，推動冷凝液體流入熱端，冷卻加熱面，實現(xiàn)反重力傳熱。

其中，所述活塞為密封式活塞，或者與所述管殼內表面有間隙，或者所述活塞表面有微通孔。

其中，所述活塞表面的微通孔為單向通孔。

其中，所述微通孔的每一個的底部都有一個翹曲薄片，具有一定的傾斜角度，當所述活塞向下運動推動液態(tài)的工作介質流動時，所述薄片在液態(tài)的工作介質壓力作用下會閉合所述微通孔，防止液體反流；當活塞上表面有過多液態(tài)的工作介質流入，可通過所述微通孔頂開閉合薄片，流過活塞，保持液體循環(huán)以及活塞上下兩個空間壓力平衡。

其中，所述管殼的內部填充有吸液芯毛細結構。

本實用新型基于實現(xiàn)液體的反重力流動需要外力驅動，而形狀記憶合金等智能材料可以實現(xiàn)高效率的熱功轉換，從而為液體流動提供驅動力的思想，利用形狀記憶彈簧達到變形溫度時會發(fā)生伸縮變化的現(xiàn)象來實現(xiàn)熱管反重力傳熱，該方案具有以下優(yōu)點：

(1)突破毛細極限：單純利用吸液芯的毛細作用來實現(xiàn)反重力傳熱，對冷熱端高差有強烈的依賴性，其傳熱作用有限；形狀記憶彈簧可以根據(jù)加熱面的溫度改變長度，推動冷流體補液，既能夠持續(xù)浸潤加熱面，保持相變吸熱不間斷，又增加了對流換熱作用，反重力傳熱效果更好，對冷熱端高差幾乎無要求；

(2)結構較簡單：不需設置隔離器、儲液器或鼓泡器等其他的輔助設備，結構較簡單，熱管密閉性更好，更易維護；

(3)無額外耗功：利用形狀記憶彈簧自發(fā)的形變實現(xiàn)反重力傳熱，無需鼓泡器等額外加壓或加熱的耗功部件推動液體流動，不會對管路增加額外負荷；

(4)無需外力驅動，利用形狀記憶彈簧自發(fā)的形變實現(xiàn)反重力傳熱，不需要加裝泵和馬達等驅動裝置，結構簡單，可靠性好，且具有自適應能力；

(5)熱功轉換效率高、驅動能力強：將一定量的液體反重力提升1m高度所需的機械能，只占該部分液體蒸發(fā)吸熱熱能的0.002～0.01％左右，遠遠低于形狀記憶合金的熱功轉換效率，理論上可將足夠多的液體提升到很高的高度。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術中一種反重力熱管的結構示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術的毛細泵環(huán)路熱管的結構示意圖；

圖3為現(xiàn)有技術的反重力鼓泡式環(huán)路熱管的結構示意圖；

圖4為本實用新型一實施例的熱管結構示意圖；

圖5為本實用新型另一實施例的熱管結構示意圖；

圖6為本實用新型的單向開孔活塞的剖面圖；

圖7為本實用新型的單管結構示意圖；

圖8為本實用新型的連通管或筒形剖面結構示意圖；

圖9為本實用新型的單程記憶反重力熱管結構示意圖。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本實用新型作進一步的詳細說明。

本實用新型是在熱管內設置形狀記憶彈簧，根據(jù)形狀記憶效應，使形狀記憶彈簧受熱發(fā)生形變，產生驅動力，從而使工作介質克服重力循環(huán)流動，實現(xiàn)反重力傳熱。

形狀記憶合金是具有一定形狀的固體材料(通常是具有熱彈性馬氏體相變的材料)，在低溫條件下進行一定形變量的塑性變形，當合金加熱到某一溫度時，材料能夠恢復到變形前的初始形狀。形狀記憶彈簧經過訓練后，達到一定溫度條件時，伴隨馬氏體到奧氏體的轉變形狀會發(fā)生變化，改變彈簧長度。如果合金具有雙程記憶效應，當溫度低于一定條件時，奧氏體回復到馬氏體，彈簧又恢復原狀。本實用新型是利用形狀記憶彈簧的形變實現(xiàn)熱管反重力傳熱，如圖4所示，熱管包括管殼1、隔板2、形狀記憶彈簧3、活塞4、工作介質5、冷凝端6，其中形狀記憶彈簧3和隔板2處于加熱端。加熱端的溫度較低時，形狀記憶彈簧為收縮狀態(tài)，熱管內部在熱端吸熱產生蒸汽，流動到冷端放熱冷凝；當受重力影響熱端無法正常補液、熱端溫度升高到形狀記憶彈簧的變形溫度時，彈簧變形伸長，推動底端的活塞運動，驅動冷端的液態(tài)介質流動，冷卻熱端，同時冷凝液補充到隔板中，保證熱端有液體浸潤，避免熱端溫度過高，熱端冷卻后，形狀記憶彈簧恢復到緊縮狀態(tài)。

下面對各部件的功能和作用進行詳細的說明：

管殼1：采用具有較高導熱系數(shù)的銅、鋁或不銹鋼等熱管常用金屬材質制成，為相變工作介質內部循環(huán)形成密閉的空間。

隔板2：在熱管加熱段內部形成夾層，用于儲存液態(tài)介質，確保加熱面有液體潤濕，避免熱端過熱。

形狀記憶彈簧3：該部件是由形狀記憶合金材料(如鈦基記憶合金、銅基記憶合金等)加工而成，形成如圖4所示的彈簧。在常溫下形狀記憶彈簧為緊縮狀態(tài)，對其進行伸縮訓練，使其在高溫條件下(具體溫度范圍根據(jù)發(fā)熱部件的工作溫度范圍而定，一般電力電子器件工作溫度范圍約為40-100℃)彈簧長度增加約2～8倍。形狀記憶彈簧固定在加熱端，加熱端溫度較低時，形狀記憶彈簧緊縮，熱管內部工作介質的相變流動可以滿足傳熱需求；加熱端溫度升高到變形溫度時，形狀記憶彈簧伸長，推動活塞4，驅動冷凝液體流動到熱端，冷卻加熱面，同時對隔板2補液；加熱端被冷卻后，形狀記憶彈簧恢復初始的緊縮狀態(tài)；如此循環(huán)。

活塞4：緊固在形狀記憶彈簧3底端，彈簧伸長時可以推動液體流動，對熱端補液。

相變介質5：熱管的工作介質，通過吸熱汽化、放熱冷凝來實現(xiàn)熱量的傳遞。

冷凝端6：熱管的冷端部分，外部可通過各種散熱方式將熱管內部工作介質所傳輸?shù)臒崃可⒊觥?/p>

在上述方案中，形狀記憶合金可以是鎳鈦形狀記憶合金，也可以是其他適合于本實用新型的具有形狀記憶功能的合金，如銅基形狀記憶合金，鐵基形狀記憶合金等。

在上述方案中，設置隔板是為了確保加熱面被液體浸潤，防止干燒。作為一個優(yōu)選實施例，隔板也可以由其他形式的儲液器代替，如在熱管加熱面內部固定泡沫金屬等多孔高導熱系數(shù)材料，利用毛細作用，可以使液體儲存在多孔材料中，為加熱面供液。另外，也可以不設置隔板，采用圖5所示結構，使加熱面低于最高液位，保持浸潤。當吸熱蒸汽受重力影響無法及時散熱而使加熱端溫度升高時，記憶合金彈簧受熱伸長，推動冷凝液體流入加熱端，冷卻加熱面，實現(xiàn)反重力傳熱。

在上述方案中，熱管內的活塞可以是密封式活塞，也可以與管殼內表面有間隙，或者可以采用表面有微通孔的活塞，如多孔材料活塞、表面帶有若干個單向通孔的活塞等。作為一個優(yōu)選實施例，有單向通孔的活塞的剖面圖如圖6所示，活塞截面11上有若干個通孔12，每個通孔底部都有一個翹曲薄片13，具有一定的傾斜角度，當活塞向下運動推動液體流動時，薄片13在液體壓力作用下會閉合通孔12，防止液體反流；當活塞上表面有過多液體流入，可通過通孔12頂開閉合薄片13，流過活塞，保持液體循環(huán)以及活塞上下兩個空間壓力平衡。

作為一個優(yōu)選實施例，熱管管殼內部可以填充吸液芯毛細結構，提升反重力傳熱性能。

除了圖4所示的環(huán)形熱管之外，還可以采用單管(如圖7所示)結構。單管式反重力熱管包括管殼1、隔板2、形狀記憶彈簧3、活塞4、相變介質5、冷凝段6。形狀記憶彈簧常溫下為伸展狀態(tài)，達到變形溫度時縮短，推動冷凝液體向熱端補液，同時在隔板內儲液?；钊?與管殼內表面有間隙，或者可以采用有微通孔的活塞。隔板2也可以采用多孔金屬材料實現(xiàn)液體的儲存，保持加熱端的浸潤。熱管內部可以填充吸液芯毛細結構，提升反重力傳熱性能。

在上述方案中，除了圖4所示的環(huán)形熱管之外，還可以采用連通管或內外筒結構(如圖8所示)。作為一個優(yōu)選實施例，如圖8所示，該熱管包括管殼1、隔板2、形狀記憶彈簧3、活塞4、相變介質5、冷凝段6。與圖4所示的環(huán)形熱管相似，此結構的熱管，形狀記憶彈簧在常溫下為緊縮狀態(tài)，加熱端溫度升高到彈簧的變形溫度后，彈簧伸長，推動活塞運動，冷凝液體流到加熱段，冷卻加熱面，同時隔板儲存液體。活塞可以是密封式，也可以與管殼內表面有間隙，或者可以采用表面有微通孔的活塞；隔板2也可以采用多孔金屬材料實現(xiàn)液體的儲存，或者采取圖5所示的加熱面內凹的結構代替隔板儲液；熱管內部可以填充吸液芯毛細結構，提升反重力傳熱性能。

在上述方案中，對于圖4、圖5、圖8中所示的彈簧，形狀記憶彈簧常溫下也可以為伸展狀態(tài)，達到變形溫度時縮短，直接汲取冷凝液體為熱端補液，同時在隔板內儲液。

在上述方案中，圖4、圖5、圖7、圖8中的彈簧均為雙程記憶合金彈簧，即高溫變形、低溫恢復原形。對于一般的單向記憶合金彈簧(高溫發(fā)生變形，但低溫無法恢復)，可以利用普通彈簧實現(xiàn)變形后的恢復。如圖9所示，形狀記憶彈簧3初始為緊縮狀態(tài)，普通彈簧7初始為伸展狀態(tài)；加熱端溫度升高到變形溫度時，形狀記憶彈簧3變形伸展，材料變?yōu)閯偠群艽蟮膴W氏體，克服普通彈簧7的彈力，推動活塞4，驅使冷凝液體流動，實現(xiàn)熱端補液；加熱端被冷凝液冷卻后溫度降低，單向形狀記憶彈簧3雖然無法自行收縮，但材料變?yōu)閯偠容^小的馬氏體，在普通彈簧7的彈力的作用下，被壓縮為初始的緊縮狀態(tài)；如此循環(huán)。

以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。