本發(fā)明涉及一種環(huán)境適應性高溫熱管，屬于高溫熱結構技術領域。

背景技術：

高溫熱管具有使用溫度高、傳熱能力好等優(yōu)點，在飛行器防熱、核能發(fā)電、工業(yè)余熱回收等方面具有潛在的應用前景。高溫熱管一般以堿金屬鋰、鈉、鉀作為工質，且均為單一工質熱管。隨溫度的升高，堿金屬工質的飽和蒸汽壓逐漸增大，當蒸汽壓達到約500Pa時，堿金屬工質產(chǎn)生明顯的吸熱汽化-傳導-液化放熱-毛細回流循環(huán)，高溫熱管啟動，變成熱的超導體。

但是，堿金屬的蒸汽壓隨溫度升高呈指數(shù)增大，并且會很快超過熱管殼體的強度承受范圍。因此，高溫熱管的工作溫度范圍一般都比較窄。例如，鈉工質高溫熱管的工作溫度范圍為800-1300K；鋰工質高溫熱管的工作溫度范圍為1000-1800K。在低于工作溫度下，高溫熱管不啟動，傳熱能力差；在高于工作溫度下，過大的飽和蒸汽壓極容易引起高溫熱管殼體變形、工質泄露等失效風險。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術問題為：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種環(huán)境適應性高溫熱管，其能夠拓寬高溫熱管的工作溫度范圍，減小堿金屬工質的蒸汽壓力，避免高溫熱管產(chǎn)生殼體變形、工質泄露等失效風險。

本發(fā)明采用的技術方案為：

一種環(huán)境適應性高溫熱管，包括熱管殼體，該殼體分為蒸發(fā)段A、絕熱段B和冷凝段C，還包括壓力閥門、恒溫容器、填充在殼體內部的鈉工質和鋰工質；殼體的冷凝段C通過壓力閥門與恒溫容器連通。

所述熱管殼體中鈉工質的填充量為熱管殼體容積的5-10％。所述熱管殼體中鋰工質的填充量為熱管殼體容積的10-20％。所述壓力閥門的開閥壓力為0.8-1.2atm。恒溫容器內真空度小于20Pa。恒溫容器的工作溫度范圍為120-250℃。所述熱管殼體的材料為鈮或鈮合金。恒溫容器材質為不銹鋼或鎳基高溫合金。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比帶來的有益效果為：

(1)本發(fā)明技術方案利用了鋰和鈉兩種堿金屬作為循環(huán)工質，大大拓寬了高溫熱管的工作溫度范圍。

(2)通過壓力閥門對高溫熱管的工作壓力進行調節(jié)，降低了其發(fā)生殼體變形和工質泄露的失效風險。

附圖說明

圖1為本發(fā)明高溫熱管結構示意圖；

圖2為高溫熱管的飽和蒸汽壓變化圖；

圖3為高溫熱管的極限熱流密度變化圖。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明提出的一種環(huán)境適應性高溫熱管，包括熱管殼體1，該殼體1分為蒸發(fā)段A、絕熱段B和冷凝段C，還包括壓力閥門4、恒溫容器5、填充在殼體1內部的鈉工質2和鋰工質3；殼體1的冷凝段C通過壓力閥門4與恒溫容器5連通。

熱管殼體1中鈉工質2的填充量滿足如下條件：鈉工質的汽化吸收的熱量除以熱管殼體熱容得到的溫度大于鈉的熔點，且小于鈉工質熱管的最低啟動溫度。一般為熱管殼體1容積的5-10％。

熱管殼體1中鋰工質5的填充量滿足如下條件：鋰工質的汽化吸收的熱量除以熱管殼體熱容得到的溫度大于鋰的熔點，且小于鋰工質熱管的最低啟動溫度。一般為熱管殼體1容積的10-20％。

壓力閥門3的開閥壓力以保證鈉工質熱管傳熱能力且不產(chǎn)生熱管殼體變形為宜，一般為0.8-1.2atm。

恒溫容器4內氣體殘留須不對鈉工質產(chǎn)生明顯氧化，以免影響熱管的啟動性能，其真空度要求小于20Pa。

恒溫容器4的工作溫度須覆蓋鈉、鋰兩種工質的熔點為宜，其溫度范圍為120-250℃。

考慮到熱管殼體與堿金屬的相容性，熱管殼體1的材料為鈮或鈮合金。恒溫容器4材質為不銹鋼或鎳基高溫合金。

工作原理：本發(fā)明提出的高溫熱管，其金屬殼體內有鋰、鈉兩種工質。當蒸發(fā)段溫度達到800K時，鈉工質發(fā)生汽化吸熱，沿金屬殼體流動至冷凝并液化放熱，放熱后的液體沿毛細芯回流至蒸發(fā)段。通過這一過程，鈉工質循環(huán)工作，環(huán)境適應性高溫熱管表現(xiàn)為鈉工質高溫熱管特性。當蒸發(fā)段溫度達到1000K左右時，壓力閥門開啟，鈉蒸汽從金屬殼體經(jīng)壓力閥門進入恒溫容器。由于壓力容器溫度較低，且沒有毛細回流效應，所以進入的鈉蒸汽液化后停留在恒溫容器內。與此同時，鋰工質發(fā)生汽化吸熱-傳導-液化放熱-毛細回流循環(huán)過程，環(huán)境適應性高溫熱管表現(xiàn)為鋰工質高溫熱管特性。

利用壓力閥門對高溫熱管的工作壓力和循環(huán)工質類型進行調節(jié)是一種新的設計理念。通過該設計理念本發(fā)明實現(xiàn)了鈉工質熱管與鋰工質熱管的有機結合，從而拓寬了高溫熱管的工作溫度范圍，減小了循環(huán)工質的工作壓力，降低了其失效風險。

實施例：

為了進一步說明該方案的優(yōu)點，我們對鈉工質熱管、鋰工質熱管及本發(fā)明提供的一種環(huán)境適應性高溫熱管的飽和蒸汽壓和極限熱流密度進行了理論計算。計算溫度為700-1800K，高溫熱管殼體為Nb521鈮合金，壓力閥門開閥壓力為1.0atm。圖2給出了三種熱管方案的飽和蒸汽壓變化圖。一般來說，高溫熱管工作對應的飽和蒸汽壓范圍約為0.005–2atm，即圖2中所示的下限和上限。從圖中看出鈉工質熱管的工作溫度范圍為800-1300K，鋰工質熱管的工作溫度范圍為1000-1800K，本發(fā)明提供的環(huán)境適應性高溫熱管的工作溫度范圍為800-1800K。

據(jù)此，可以說明本發(fā)明提供的一種環(huán)境適應性高溫熱管具有較寬的使用溫度范圍，并且在此工作溫度范圍內熱管的飽和蒸汽壓變化較為平緩，能夠避免工質壓力變化引起的結構失效問題。

圖3給出了鈉工質熱管、鋰工質熱管及本發(fā)明提供的高溫熱管的極限熱流密度隨溫度的變化圖。從圖中可以看出，本發(fā)明提供的高溫熱管集合了鈉工質熱管和鋰工質熱管的優(yōu)點，在較寬的溫度范圍內表現(xiàn)出良好的傳熱能力。工作溫度為1000K時，環(huán)境適應性熱管的傳熱能力為10000W/cm²，與鈉工質熱管相近，比鋰工質熱管傳熱能力大100倍。當大于1300K時，環(huán)境適應性熱管的傳熱能力與鋰工質熱管相近，此時由于殼體強度限制單一鈉工質的熱管已經(jīng)不能工作。