一种反重力脉动热管传热系统及其传热方法

本发明涉及热管，具体而言，尤其涉及一种反重力脉动热管传热系统及其传热方法。

背景技术：

1、脉动热管可由蛇形管路弯折而成，称为管式脉动热管。也可由板状内部掏空流道形成，称为板式脉动热管。抽真空后充入工质，在表面张力的作用下，工质在脉动热管内形成气塞和液塞交替随机分布的状态。脉动热管可分为蒸发端、绝热端和冷凝端三部分。蒸发端吸热后，液态工质发生相变，气塞膨胀，压力升高，驱动工质向冷凝端移动。气塞在冷凝端放热冷凝，压力下降。在冷热端压差和相邻管之间压力不平衡的综合影响下，工质在脉动热管的蒸发端和冷凝端之间持续的脉动运动，热量在相变和脉动运动(潜热和显热)的综合作用下实现在冷热端的高效传递。脉动热管结构简单，传热效率高，在大功率高热流密度散热领域具有很大的应用潜力，而由于其结构可多变设计的特性在复杂空间环境的散热应用具有独特的优势。

2、然而，倾斜角度(重力)对于脉动热管的传热性能影响很大。倾角越小，脉动热管的传热性能越差，在逆重力下(蒸发端位于冷凝端的上方)甚至无法运行，这严重制约了脉动热管在复杂空间及变重力环境的应用。

3、经现有文献检索发现，中国专利公开号为cn115328229b的专利申请公开了一种外加可控辅助热源的脉动热管传热系统，该系统包括温度信号采集和处理系统、外加热源控制系统，通过控制外加热源向脉动热管蒸发端施加热流刺激。虽然该专利文献在一定范围可以缩短脉动热管启动时间，改善脉动热管的传热性能，但是该发明仅就解决低热负荷时热输入较小，脉动热管无法正常启动运行以至控温对象温度过高性能恶化的问题，通过外加辅助热流的调节促进脉动热管的启动，该发明未涉及到辅助热源对于脉动热管反重力传热性能的提升。

技术实现思路

1、根据上述提出的技术问题，而提供一种反重力脉动热管传热系统及其传热方法。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种反重力脉动热管传热系统，包括：充注工质的脉动热管、辅助热源、电源、信号采集与控制单元、温度传感器和重力传感器，所述脉动热管包括蒸发端、冷凝端和绝热端，所述辅助热源贴合连接在脉动热管的绝热端且位于冷凝端的下方，所述蒸发端位于冷凝端的上方，且所述蒸发端接触有散热元件，所述温度传感器布置在蒸发端、冷凝端或散热元件上，所述重力传感器布置在脉动热管上，所述辅助热源通过电导线与电源相连，所述电源、温度传感器和重力传感器分别通过信号线与信号采集与控制单元相连。

4、进一步地，所述脉动热管为三维脉动热管；所述脉动热管为管式脉动热管或板式脉动热管。

5、进一步地，所述三维脉动热管采用非对称加热和冷却的形式，或采用对称加热的形式。

6、进一步地，所述三维脉动热管采用的非对称加热和冷却的形式包括：单侧加热单侧冷却、单侧加热双侧冷却、双侧加热单侧冷却；

7、所述单侧加热单侧冷却为：所述辅助热源与冷凝端不同侧，所述辅助热源和冷凝端分别布置在脉动热管的两侧；

8、所述单侧加热双侧冷却为：所述冷凝端布置在脉动热管的两侧，所述辅助热源布置在脉动热管的一侧，所述辅助热源与其中一侧的冷凝端同侧；

9、所述双侧加热单侧冷却为：所述辅助热源布置在脉动热管的两侧，所述冷凝端布置在脉动热管的一侧，所述冷凝端与其中一侧的辅助热源同侧。

10、进一步地，所述三维脉动热管采用的对称加热的形式包括：单侧加热单侧冷却、双侧加热双侧冷却；

11、所述单侧加热单侧冷却为：所述辅助热源与冷凝端同侧，所述辅助热源和冷凝端均布置在脉动热管的一侧或另一侧；

12、所述双侧加热双侧冷却为：所述辅助热源对称布置在脉动热管的两侧，所述冷凝端对称布置在脉动热管的两侧。

13、进一步地，所述辅助热源为一个整体且不分割的集成辅助热源，或为多个间隔布置的分散辅助热源；各分散辅助热源具有相同的功率或不同的功率。

14、进一步地，所述辅助热源的整体宽度尺寸与蒸发端的宽度尺寸相同，或大于蒸发端的宽度尺寸，或小于蒸发端的宽度尺寸。

15、进一步地，所述辅助热源至少为加热块、加热丝、加热涂层、感应加热或加热炉。

16、进一步地，所述温度传感器至少为热电偶或红外热像仪。

17、本发明还提供了一种反重力脉动热管传热系统的传热方法，包括如下步骤：

18、s1、重力环境下，通过重力传感器采集到重力信号的信号采集与控制单元控制关闭电源以关闭辅助热源，脉动热管内的工质在蒸发端和冷凝端压差的驱动下脉动运动，实现热量在冷热端的传递；

19、s2、逆重力环境下，首先开启辅助热源，其中通过重力传感器采集到重力信号的信号采集与控制单元控制开启电源并施加辅助热源以功率，并通过温度传感器监测脉动热管的温度；

20、s3、信号采集与控制单元控制电源调节辅助热源的功率，待脉动热管在辅助热源的作用下稳定运行后，开启与蒸发端相接触的散热元件；

21、s4、根据温度传感器测得的温度，信号采集与控制单元判定辅助热源功率2是否满足逆重力下的稳定运行；判定的依据包括温度是否超过稳定运行点一定范围，以及温度是否出现短时间的快速变化；若在该散热元件功率下，脉动热管不能稳定运行，则增大辅助热源功率，直至脉动热管达到稳定；

22、s5、若在该散热元件功率下，在辅助热源的作用下，脉动热管稳定运行，则通过信号采集与控制单元调控辅助热源功率，逐级降低辅助热源功率，直至脉动热管不能稳定运行，则上一级的辅助热源功率即为该散热元件功率下的最小辅助热源功率；重新调节辅助热源功率，使脉动热管在最小辅助热源功率下稳定运行；

23、s6、增加安全监测，若蒸发端温度在该功率下过高或短时间处于明显的陡增，则通过信号采集与控制单元大幅增加辅助热源功率，同时，增加安全防护功能；如果多次增加辅助热源功率后，温度依然不能稳定或者陡升，则停止散热元件功率；

24、s7、随着散热元件功率的增加，待脉动热管不能稳定运行时，增加辅助热源功率，直至重新恢复稳定；而后重复步骤s5；

25、s8、多次实验后，根据信号采集与控制单元测试结果，得出最小辅助热源与散热元件的影响规律，将该规律输入信号采集与控制单元，根据温度传感器测得的温度信号，调节电源的输出功率，使其辅助热源处于散热元件功率下的最小的辅助热源状态；

26、s9、运行结束后，先关闭散热元件，待脉动热管温度下降并稳定后，再关闭辅助热源。

27、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

28、1、本发明通过外加的辅助热源，使脉动热管处于脉动状态，避免逆重力下脉动热管难以启动，造成散热元件温度过高，影响使用寿命和安全。

29、2、本发明通过外加的辅助热源，可以实现脉动热管在逆重力下的高效传热。在热源位置高于冷源的大功率高热流密度元件散热具有广阔的应用前景。

30、3、本发明辅助热源结构设计简单，通过辅助的热增加，能适应于复杂脉动热管结构的灵活设计。持久耐用，稳定可靠。

31、4、本发明在重力下关闭辅助热源，并不影响脉动热管的高效运行。在逆重力下开启辅助热源，即可实现逆重力下的高效运行。不同场景下不需要额外的结构设计，仅通过开关的形式即可满足变重力环境的切换，操作简单。

32、基于上述理由本发明可在传热等领域广泛推广。