石蜡感温阀传热性能的数字仿真研究

　　0　引言

　　液压阀的阀芯驱动有电磁驱动、液动驱动、电液驱动、机动、手动等驱动形式，这些传统的大功率驱动方式各有特点，但要实现一些自动控制功能，往往 需要采取一些人为的、主动的控制措施，控制装置的引入使得系统的结构变得复杂，成本增高。在一要求自适应的智能系统中，这些传统驱动方式的实用性不高，为 此，国内外学者将目光转向智能材料上，包括压电陶瓷、电致伸缩材料、磁致伸缩材料和形状记忆合金等。这些智能材料各有优点，但其输出功率有限，因而应用在 大功率系统中亦不是很合适。为此，一些研究者对石蜡进行了研究，发现石蜡具有常用智能材料的某些性能，且适合于大功率的自适应系统。近年来以石蜡作为热膨 胀材料的驱动器及液压元件得到大量研究[1-3]。石蜡的热驱动相对压电或静电驱动较慢，但在响应时间和功率方面较形状记忆合金优越[3-4]。由于石蜡 具有 良好的热驱动性能[5-6]，且能满足自适应系统中感温阀的功率需求，本文将之作为热敏材料设计了一种应用于大型机动车自适应冷却系统的感温阀，并利用数 值传热学理论对该感温阀的传热性能进行了仿真研究，从理论上研究了该感温阀对温度变化的响应问题。

　　1　感温阀的结构设计

　　感温阀整体结构类似于直动式溢流阀，其结构设计的核心内容是其感温元件的结构设计，其余部分可参考溢流阀的设计。设计过程中先根据设计指标和石蜡的热膨胀性能求出所需石蜡量，然后再确定感温元件的具体结构，如图1所示。

　　由图1可以看出，感温元件实质上是一个热膨胀型微位移驱动器。石蜡被密封在铜体和橡胶套之间，由传热良好的导体铜体感知被控对象的温度变化，随 之铜体将热量传递给密封的石蜡，使石蜡发生体积变化。温度升高时，石蜡发生膨胀，其体积增大，在橡胶套的作用下，石蜡的体积变化转换为推杆的直线运动，使 推杆向外输出位移;温度降低时，石蜡体积减小，推杆缩回。在感温阀阀体部件的配合下，推杆的直线位移最终转化为感温阀阀的开口大小。该感温元件只是感温阀 的“神经中枢”，即阀的驱动部分，它通过螺纹、垫圈和密封圈与阀体相连接，从而构成感温阀，此感温阀主要应用于大型机动车的自适应冷却系统中。

    2　感温阀温度场数学模型的建立

　　2.1　感温元件二维稳态温度场数学模型的建立

　　石蜡的热导小、传热慢，热容变化大，将其作为感温阀热敏材料的突出问题之一是其对温度变化的响应快慢问题，为此，需要建立图1所示感温元件二维温度场的数学模型，然后进行仿真研究与分析。