一種反重力熱管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱管領(lǐng)域，特別是能實(shí)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(shù)】
[0002]熱管是一種無需動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、高效快速的傳熱元件，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力電子、航空航天等領(lǐng)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(nèi)裝有吸液芯。當(dāng)蒸發(fā)段受熱時(shí)，液體蒸發(fā)，蒸汽流向冷凝段，在冷凝段凝結(jié)成液體，液體在重力或吸液芯毛細(xì)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(shí)際應(yīng)用中，受結(jié)構(gòu)的限制常常出現(xiàn)加熱段在上、冷卻段在下的情況，這時(shí)，熱管的傳熱效率會(huì)大大降低，甚至降低80%以上。另外，對于飛行器設(shè)備或車載設(shè)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(jìn)熱管結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)反重力、抗加速度變動(dòng)的高效散熱。
[0003]目前對于反重力熱管有一些嘗試。例如發(fā)明專利申請“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(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)的熱管包括外殼1、外殼內(nèi)表面吸液芯2，以及吸液芯內(nèi)側(cè)表面設(shè)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(jié)構(gòu)的熱管，在吸液芯2的內(nèi)側(cè)表面與隔層3之間的腔體內(nèi)，在相變介質(zhì)毛細(xì)力的作用下，可以補(bǔ)充一定高度的液體;同時(shí)冷端較厚的吸液芯可以提供較強(qiáng)的毛細(xì)力，實(shí)現(xiàn)反重力回液。
[0004]毛細(xì)栗環(huán)路熱管具有一定反重力散熱能力，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。圖2為一典型的毛細(xì)栗環(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(chǔ)液器、隔離器及控制系統(tǒng)組成。蒸發(fā)器在上，內(nèi)部產(chǎn)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(nèi)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(chǔ)液器用于蒸發(fā)器補(bǔ)液，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)控和蒸發(fā)器啟動(dòng)。
[0005]發(fā)明專利申請“反重力鼓泡式環(huán)路熱管”(申請?zhí)?01110425669.1)基于毛細(xì)栗環(huán)路熱管提出了一種新的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)的環(huán)路熱管在補(bǔ)償器與冷凝器之間增加了一個(gè)鼓泡器，正常工作條件下，鼓泡器與補(bǔ)償器之間形成一段液柱。蒸發(fā)器吸熱產(chǎn)生的蒸汽在冷凝器中冷凝之后，流入鼓泡器，鼓泡器內(nèi)部提供熱源，使其中的液體沸騰產(chǎn)生高壓，在U型管的作用下，液體很難返回到冷凝器，但會(huì)驅(qū)動(dòng)鼓泡器與補(bǔ)償器之間的液柱流入補(bǔ)償器，實(shí)現(xiàn)對蒸發(fā)器的補(bǔ)液。
[0006]上述單純利用吸液芯的毛細(xì)作用來實(shí)現(xiàn)反重力傳熱，其效果有限，毛細(xì)結(jié)構(gòu)、熱負(fù)荷、冷熱端高差等因素會(huì)有明顯的影響;此外，現(xiàn)有的反重力環(huán)路熱管結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需設(shè)置隔離器避免蒸汽逆流入儲(chǔ)液器或冷凝器，還需設(shè)置儲(chǔ)液器對蒸發(fā)器補(bǔ)液;而反重力鼓泡式環(huán)路熱管則不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需設(shè)置補(bǔ)償器和鼓泡器，且為了產(chǎn)生高壓還需要額外耗功，給環(huán)路增加了額外的熱負(fù)荷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種反重力熱管，以克服上述技術(shù)問題。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的反重力熱管，包括管殼、儲(chǔ)液器、形狀記憶彈簧、活塞和工作介質(zhì)，所述反重力熱管的熱端高于冷端，其特征在于:
[0009]所述儲(chǔ)液器緊鄰熱端，其為工作介質(zhì)的一容置空間，用于儲(chǔ)存工作介質(zhì)來冷卻所述熱端；
[0010]所述形狀記憶彈簧一端與所述熱端相連并產(chǎn)生熱接觸，另一端與活塞相連；以及[0011 ]當(dāng)所述熱端升溫到一閾值時(shí)，所述形狀記憶彈簧受熱發(fā)生形變并驅(qū)使所述活塞推動(dòng)所述工作介質(zhì)，給所述儲(chǔ)液器內(nèi)補(bǔ)充工作介質(zhì)；當(dāng)所述補(bǔ)充的工作介質(zhì)使所述熱端冷卻到一閾值時(shí)，所述形狀記憶彈簧冷卻而恢復(fù)原來的形態(tài)。
[0012]其中，所述反重力熱管為環(huán)路熱管。
[0013]其中，所述反重力熱管為具有多個(gè)回路的連通管結(jié)構(gòu)。
[0014]其中，所述反重力熱管為單管結(jié)構(gòu)；以及
[0015]所述形狀記憶彈簧常溫下為伸展?fàn)顟B(tài)，達(dá)到變形溫度時(shí)縮短，推動(dòng)工作介質(zhì)向所述儲(chǔ)液器補(bǔ)液;所述活塞與管殼內(nèi)表面有間隙，或者采用有微通孔的活塞。
[0016]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。
[0017]其中，所述形狀記憶彈簧為雙程記憶合金彈簧。
[0018]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(shí)恢復(fù)或部分恢復(fù)到原來的形態(tài)。
[0019]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(shí)所述形狀記憶彈簧的長度增加2?8倍。
[0020]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(shí)所述形狀記憶彈簧的長度縮小到原來的八分之一至一半。
[0021]其中，所述儲(chǔ)液器為容置工作介質(zhì)的隔板，或者為熱端內(nèi)部固定的多孔高導(dǎo)熱系數(shù)材料。
[0022]其中，所述儲(chǔ)液器為泡沫金屬。
[0023]其中，該反重力熱管不包含所述儲(chǔ)液器，而通過使熱端的加熱面低于最高液位而保持浸潤；當(dāng)所述工作介質(zhì)吸熱產(chǎn)生的蒸汽受重力影響無法及時(shí)散熱而使熱端溫度升高時(shí)，所述記憶合金彈簧受熱伸長，推動(dòng)冷凝液體流入熱端，冷卻加熱面，實(shí)現(xiàn)反重力傳熱。
[0024]其中，所述活塞為密封式活塞，或者與所述管殼內(nèi)表面有間隙，或者所述活塞表面有微通孔。
[0025]其中，所述活塞表面的微通孔為單向通孔。
[0026]其中，所述微通孔的每一個(gè)的底部都有一個(gè)翹曲薄片，具有一定的傾斜角度，當(dāng)所述活塞向下運(yùn)動(dòng)推動(dòng)液態(tài)的工作介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，所述薄片在液態(tài)的工作介質(zhì)壓力作用下會(huì)閉合所述微通孔，防止液體反流；當(dāng)活塞上表面有過多液態(tài)的工作介質(zhì)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(gè)空間壓力平衡。
[0027]其中，所述管殼的內(nèi)部填充有吸液芯毛細(xì)結(jié)構(gòu)。
[0028]本發(fā)明基于實(shí)現(xiàn)液體的反重力流動(dòng)需要外力驅(qū)動(dòng)，而形狀記憶合金等智能材料可以實(shí)現(xiàn)高效率的熱功轉(zhuǎn)換，從而為液體流動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力的思想，利用形狀記憶彈簧達(dá)到變形溫度時(shí)會(huì)發(fā)生伸縮變化的現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)熱管反重力傳熱，該方案具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0029](I)突破毛細(xì)極限:單純利用吸液芯的毛細(xì)作用來實(shí)現(xiàn)反重力傳熱，對冷熱端高差有強(qiáng)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(dòng)冷流體補(bǔ)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；
[0030](2)結(jié)構(gòu)較簡單:不需設(shè)置隔離器、儲(chǔ)液器或鼓泡器等其他的輔助設(shè)備，結(jié)構(gòu)較簡單，熱管密閉性更好，更易維護(hù)；
[0031](3)無額外耗功:利用形狀記憶彈簧自發(fā)的形變實(shí)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(dòng)液體流動(dòng)，不會(huì)對管路增加額外負(fù)荷；
[0032](4)無需外力驅(qū)動(dòng)，利用形狀記憶彈簧自發(fā)的形變實(shí)現(xiàn)反重力傳熱，不需要加裝栗和馬達(dá)等驅(qū)動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，且具有自適應(yīng)能力；
[0033](5)熱功轉(zhuǎn)換效率高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng):將一定量的液體反重力提升Im高度所需的機(jī)械能，只占該部分液體蒸發(fā)吸熱熱能的0.002?0.01 %左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于形狀記憶合金的熱功轉(zhuǎn)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】
[0034]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一種反重力熱管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖2為現(xiàn)有技術(shù)的毛細(xì)栗環(huán)路熱管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖3為現(xiàn)有技術(shù)的反重力鼓泡式環(huán)路熱管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的熱管結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖5為本發(fā)明另一實(shí)施例的熱管結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖6為本發(fā)明的單向開孔活塞的剖面圖；
[0040]圖7為本發(fā)明的單管結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041 ]圖8為本發(fā)明的連通管或筒形剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖9為本發(fā)明的單程記憶反重力熱管結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0044]本發(fā)明是在熱管內(nèi)設(shè)置形狀記憶彈簧，根據(jù)形狀記憶效應(yīng)，使形狀記憶彈簧受熱發(fā)生形變，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，從而使工作介質(zhì)克服重力循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)反重力傳熱。
[0045]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(jìn)行一定形變量的塑性變形，當(dāng)合金加熱到某一溫度時(shí)，材料能夠恢復(fù)到變形前的初始形狀。形狀記憶彈簧經(jīng)過訓(xùn)練后，達(dá)到一定溫度條件時(shí)，伴隨馬氏體到奧氏體的轉(zhuǎn)變形狀會(huì)發(fā)生變化，改變彈簧長度。如果合金具有雙程記憶效應(yīng)，當(dāng)溫度低于一定條件時(shí)，奧氏體回復(fù)到馬氏體，彈簧又恢復(fù)原狀。本發(fā)明是利用形狀記憶彈簧的形變實(shí)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(zhì)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(shí)，形狀記憶彈簧為收縮狀態(tài)，熱管內(nèi)部在熱端吸熱產(chǎn)生蒸汽，流動(dòng)到冷端放熱冷凝；當(dāng)受重力影響熱端無法正常補(bǔ)液、熱端溫度升高到形狀記憶彈簧的變形溫度時(shí)，彈