CN102109257A - 低温回路热管装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低温回路热管装置(1)，其包括冷凝器(11)和具有吸液芯(132)的蒸发器(13)，该冷凝器(11)的第一端通过气体连管(14)与该蒸发器(13)流体连通并且其第二端通过液体连管(12)与该蒸发器(13)流体连通形成传热回路，该低温回路热管装置(1)还包括与该气体连管(14)流体连通的气库(15)，其特征是，在该液体连管(12)内填充有多孔介质(121)，在该多孔介质的毛细作用下该冷凝器(11)中的液体能够进入该蒸发器(13)。和现有技术中的低温回路热管相比，本发明的热管回路装置结构简单，并能保证低温回路热管的有效启动。
Description
技术领域
本发明涉及制冷与低温技术领域，特别涉及一种低温回路热管装置。
背景技术
在现有技术中，低温回路热管(Cryogenic Loop Heat Pipe，CLHP)是一种工作在120K以下深低温区的气液两相热传输设备。在下文中，低温回路热管简称为CLHP。当前，CLHP的基本结构是由蒸发器、冷凝器和中间连管组成的回路***，回路***中充装有特定的工作介质，这类工作介质典型地包括氮、氧、氩、氢、氖等。在这种回路***中，蒸发器与热源连接，冷凝器与冷源连接，蒸发器内部布置有吸液芯，为避免CLHP在室温下内部压力过高，CLHP还外接一个体积较大的气库。CLHP正常工作时，工作介质以气、液两相形式存在，气体在冷凝器中被冷凝成液体，液体通过液体连管流入蒸发器而充满吸液芯，并在吸液芯的外表面受热蒸发变成气体，气体通过气体连管流回冷凝器，在吸液芯的驱动下，气、液两相在低温回路热管内循环流动。这样一来，热源的热量就被连续不断地传输到冷源，从而实现低温热传输。
由于蒸发/凝结相变过程的换热系数显著地高于对流、辐射、导热等换热方式，因此CLHP能够具有较高的传热系数。目前，采用低温热管回路原理的某些装置的传热热导率已达到紫铜的40倍。在利用柔性细管作为液体连管和气体连管的情况下，CLHP可以具有柔性传热的能力，也就是说，这种低温热管回路可以连接固定的冷源和运动的热源，或者可以连接运动的冷源和固定的热源。这种柔性传热的特性还使得CLHP可以隔离冷源和热源之间的振动传递。CLHP的低温工作、高传热系数、柔性传热、振动隔离等特性使其在航天领域具有良好的应用前景。
然而，由于CLHP的工作温度较低，因此在应用时存在着一些特定的技术问题，最大的问题是CLHP从室温环境到较低的工作温度的启动过程不易实现。CLHP的冷凝器与冷源靠近，容易被冷却到工作温度，但蒸发器距离冷源较远，很难被冷却到工作温度。这样一来，蒸发器内部就不会有液体存在，CLHP也就无法开始工作。目前，针对CLHP的启动问题存在两类解决方案，第一类是在CLHP主回路中串联一个次蒸发器，第二类是在CLHP主回路上并联一个次蒸发器回路。例如，在中国专利公开号为CN1648592；以及中国专利公开号为CN1651845和中国专利公开号为CN1651844的发明专利中公开第一类方案，利用串联的靠近冷凝器的次蒸发器辅助CLHP的启动，其工作原理为：CLHP的冷凝器和次蒸发器首先被冷却到工作温度附近，然后加热次蒸发器使其内部产生一定的压头，从而推动次蒸发器前的一段冷凝液流向主蒸发器，促使主蒸发器的温度下降到工作温度附近，则CLHP可以正常工作。美国专利公开号为US2003/0159808A1和美国专利公开号US7004240B1公开了上述第二类方案，利用与主回路并联的靠近冷凝器的次蒸发器辅助CLHP的启动，其工作原理为：CLHP的冷凝器和次蒸发器首先被冷却到工作温度附近，然后加热次蒸发器，则次蒸发器所在的回路(称为二次回路)可以正常工作，二次回路的工作原理和主回路完全相同，这样二次回路中的液体会从冷凝器向次蒸发器流动，而主蒸发器在二次回路中的位置处在冷凝器和次蒸发器之间，因此会有液体流到主蒸发器中，使得主蒸发器的温度逐渐下降到工作温度附近，则CLHP可以正常工作。
然而，上述第一类方案由于次蒸发器串联在主回路中，导致次蒸发器推动液体流动的方向具有不确定性，次蒸发器辅助CLHP启动的效果不理想。在第二类方案中，虽然次蒸发器推动液体流动的方向明确，使次蒸发器可以很好地辅助CLHP启动，但是由于整个CLHP中增加了一路回路，相当于采用两路回路来作为一路回路使用(CLHP正常工作时二次回路不工作)，导致***的结构比较复杂。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供这样一种低温回路热管装置，其能简化低温回路热管的结构，并保证低温回路热管的有效启动。
因此，本发明提供一种低温回路热管装置，其包括冷凝器和具有吸液芯的蒸发器，该冷凝器的一端通过气体连管与蒸发器流体连通并且冷凝器的另一端通过液体连管与蒸发器流体连通形成传热回路，有利的是，该低温回路热管装置还包括与气体连管流体连通的气库，其中，该液体连管内填充满多孔介质，在该多孔介质的毛细作用下该冷凝器中的液体能够进入该蒸发器。
按照本发明的一个方案，蒸发器的形状构造为空心圆柱体，其内周面上沿该圆柱体的轴向开设多个气体槽道，蒸发器内的吸液芯构造为适合于与所述多个气体槽道同轴配置的并朝向该液体连管敞开的杯状体。有利的是，为了改善液体的输送效果，以及有效启动该低温回路热管装置，在吸液芯的空腔内填充有多孔介质。当来自液体连管的液体到达多孔介质后，由于该多孔介质的毛细作用，使得液体能够迅速扩散到吸液芯，从而更快地启动该低温回路热管装置。
另外，为了更有利于液体扩散，液体连管内的多孔介质配置成分别延伸入蒸发器内和冷凝器内一段距离，使液体连管内的多孔介质能与吸液芯空腔内的多孔介质相接合。这样一来，冷凝器中的液体能够更快地通过毛细作用进入液体连管内。
在本发明的一个优选方案中，液体连管内的多孔介质和吸液芯内的多孔介质均可以为丝网。并且，这些丝网优选由金属例如铜、不锈钢等，并且丝网的目数优选为10目～100目。本领域技术人员应该明白，除了丝网之外，根据本发明的多孔介质也可以采用其它合适的多孔元件，例如不锈钢多孔烧结结构或者其它合适的毛细作用强的结构，但是选择多孔元件的材料是要考虑到这些材料必须能在20K-120K的低温环境下工作。
另外，在本发明中，液体连管和气体连管可以使用不锈钢薄壁管，但是，应当明白，也可以使用其它合适的、能在20K-120K的低温环境下工作的材料制成。例如，用在根据本发明的低温回路热管装置的液体连管可以为细长薄壁管，在这种情况下，多孔介质优选使用条形丝网，这是因为条形丝网能够容易地***该液体连管中。
按照本发明的优选方案，吸液芯内的多孔介质可以充满整个吸液芯的空腔，而液体连管内的多孔介质最好占据该液体连管总容积的1/3～2/3。
根据本发明的低温回路热管装置采用工作原理简单、可靠的多孔介质例如丝网来代替先有技术中的次蒸发器回路，来实现把液体从冷凝器驱动到蒸发器的功能，大大简化了低温回路热管装置的结构。当低温回路热管装置从室温开始启动时，冷凝器内首先有液体凝聚，而与冷凝器邻接的液体连管内也会有一部分液体进入，从而浸润液体连管内的多孔介质。这一部分液体在多孔介质的毛细力的作用下，会逐渐地从液体连管的靠近冷凝器的一侧移动到液体连管的靠近蒸发器的一侧，从液体连管内的多孔介质扩散到蒸发器内的多孔介质，然后从蒸发器内的多孔介质扩散到吸液芯内，从而使吸液芯内积聚液体，当吸液芯内有足够多的液体，使得液体到达吸液芯的外表面时，来自蒸发器外部的热量对吸液芯进行加热，可以使吸液芯外表面上的液体连续不断地变成气体并离开吸液芯，从而建立低温回路热管装置的工作循环，进而使低温回路热管具备启动条件。由于冷凝器中的液体会连续地补充到液体连管中，因此在一定的时间后蒸发器的吸液芯内将会积聚足以启动低温热管回路装置的液体。因此，和现有技术中的低温回路热管相比，本发明中的低温回路热管结构简单、可靠，适合应用于航天领域。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为根据本发明的低温回路热管装置的一个优选实施例的结构示意图。
具体实施方式
参见图1，示意性地示出了根据本发明的低温回路热管装置的一个优选实施例，从图中可以看出，总体用1标示的低温回路热管装置包括冷凝器11和内部装有吸液芯132的蒸发器13，冷凝器11的一端，优选冷凝器的上端通过气体连管14与蒸发器13的一端流体连通，该冷凝器的另一端，优选冷凝器下端通过液体连管12与蒸发器13流体连通，从而在蒸发器13和冷凝器11之间形成传热回路。此外，为了避免低温回路热管装置在室温下内部压力过高，在气体连管14处还外接有与其流体连通的气库15，气库的结构是本领域技术人员熟知的，在这里不再赘述。
有利的是，为了能将冷凝器11中会聚的液体驱入蒸发器13，从而启动低温回路热管装置，在液体连管12内填充多孔介质121，在这种多孔介质的毛细作用下，冷凝器11中的液体进入蒸发器13中。例如，液体连管12中的多孔介质121优选为金属丝网。然而，应当理解，也可以采用本领域技术人员熟知的任何多孔介质，例如不锈钢多孔烧结结构或者其它任何合适的结构。在选择多孔介质的材料时，应考虑到材料的低温特性，使其能在20K～120K左右的低温环境下工作。
在本发明中，冷凝器11可以由紫铜板111和焊接在该紫铜板上的紫铜盘管112组成，本领域技术人员应该明白，冷凝器相当于一种换热器，可以采用类似于换热器的任何结构形式，可以采用其它任何合适的结构和材质，只要能将来自蒸发器的气体工质冷凝成液体，例如可以采用铝等其它导热材料来制作冷凝器。另外，在该实施例中，蒸发器13例如构造成空心圆柱体，其内周面上沿该圆柱体的轴向开设有多个轴向气体槽道131，蒸发器13的吸液芯132构造为适合于所述多个轴向气体槽道131同轴配置的并朝向液体连管12敞开的杯状体，以及由该吸液芯132的壁部围成的腔室组成。有利的是，为了更有效地驱动低温热管回路装置，在吸液芯132内的空腔也填充有多孔介质133，这里使用的多孔介质可以液体连管12中使用的多孔介质相同，可以优选为丝网或者其它任何合适的多孔结构。应当理解，上述蒸发器13的构造仅仅是示例性的，其它任何合适的结构都是允许的，只要使蒸发器能够将来自液体连管的液体蒸发成液体。另外，吸液芯132的结构也是本领域技术人员熟知的，在本发明中吸液芯例如是不锈钢多孔烧结结构，其它合适的结构例如丝网或其它多孔结构都是可以使用的。另外，根据本发明的液体连管12和气体连管14可以是不锈钢薄壁管，而其它任何合适的材料制成的液体连管和气体连管也在本发明的范围内。
紫铜盘管112、液体连管12、吸液芯空腔内的丝网133、吸液芯132、气体槽道131和气体连管14组成闭合传热回路，该闭合回路内充装适当种类、适当压力的工质，使得工质的饱和温度与低温回路热管1的工作温度近似相等。目前，低温回路热管目前通常有两种工作温度范围，即温度范围在80K～120K的液氮温区和20K～40K的液氢温区，这取决于工质。根据低温回路热管的特点，蒸发器13的腔室内的工质通常会处于饱和状态，或者略微有些过冷，因此该腔室内的温度始终会等于饱和温度。因此，低温回路热管装置的整个回路的压力基本一致，从而会产生统一的饱和压力以及相应的饱和温度。在本发明中，例如饱和压力即工作压力通常为0.2MPa～0.8MPa，对应的饱和温度通常为80K～100K。
按照本发明的优先方案，液体连管12和蒸发器13中的丝网例如可以由紫铜或者不锈钢制成，丝网目数优选为10目～100目。另外，蒸发器13内的丝网133填充满吸液芯的整个空腔，而液体连管12内的丝网121优选占据液体连管总容积的约1/3～2/3。液体连管内的丝网如此配置主要是考虑到吸液芯132内的丝网的作用是把液体从液体连管12的出口吸到吸液芯132的内壁，因此以充满整个吸液芯为宜。液体连管12内的多孔介质仅在低温回路热管装置1启动时需要起到驱动液体流动的作用，而在低温回路热管装置正常工作时会增大液体正常流动的阻力，因此选择填充的丝网占液体连管体积的1/3到2/3这样一个比例能较好地平衡多孔介质的正面作用和反面作用。
在本实施例中，当低温回路热管装置1正常工作时，工质在气体槽道131、气体连管14和气库15中全部为气体，其中仅有气库15的工作温度可以为室温，其他部件的工作温度均在低温回路热管装置1的设计工作温度范围内例如80K～100K；工质在液体连管12内全部为液体，并且工作温度同样处于低温回路热管装置的设计工作温度范围内；工质在蒸发器13中的丝网133内为气液共存状态，其工作温度为低温回路热管1的工作压力对应的饱和温度。此外，紫铜管112内的工质存在三种流动状态，即靠近气体入口的过热蒸气段、位于中部附近的气液两相流段以及靠近液体出口的过冷液体段。
在上述实施例中，使用工作原理简单、可靠的多孔介质例如丝网来代替先有技术中的次蒸发器回路实现把液体从冷凝器驱动到蒸发器的功能。当低温回路热管装置1从室温开始启动时，冷凝器11的紫铜管112内首先有液体凝聚，而与紫铜管112邻接的液体连管12内也会有一部分液体进入，从而浸润液体连管内的丝网121。这一部分液体在丝网121的毛细力的作用下，会逐渐地从液体连管12的靠近冷凝器11的一侧移动到该液体连管的靠近蒸发器13的一侧，从液体连管12内的丝网121移动到蒸发器13内的丝网133，然后从蒸发器13内的丝网133运动到吸液芯132内，从而使吸液芯132内积聚液体，进而使低温回路热管装置1具备启动条件。由于冷凝器11中的液体会连续地补充到液体连管12中，因此在一定的时间内吸液芯132内必定会有液体积聚。
在上述实施例中，低温回路热管装置1的正常工作压力为0.1～1MPa，据此可以计算出室温下低温回路热管装置1的工质充装压力，例如工质充装压力不大于10MPa。另外，气库15的体积设计成能使低温回路热管装置1的室温压力不超过正常工作压力的10倍。
本领域技术人员应当明白，在本实施例中，丝网121和133的网眼平均直径不能过大或过小，网眼平均直径过大则无法提供足够的毛细驱动力把液体从冷凝器带到蒸发器，网眼平均直径过小则液体连管内流动阻力过大，低温回路热管的传热能力将受到较大的影响。例如，在本发明中，丝网目数可以为10目～100目，优选为50目～90目，更优选为60目～80目。
尽管在本文中叙述了本发明的具体实施方式，但是应该认识到，该具体实施方式仅仅是对本发明的描述性说明，而不限定本发明的内容。本领域的熟练技术人员在不偏离本发明的精神及主旨的前提下对以上具体实施方式的任何更改或改动均在本发明的权利要求所主张的保护范围内。
Claims (9)
1.一种低温回路热管装置(1)，其包括冷凝器(11)和具有吸液芯(132)的蒸发器(13)，该冷凝器(11)的一端通过气体连管(14)与该蒸发器(13)流体连通并且该冷凝器的另一端通过液体连管(12)与该蒸发器(13)流体连通形成传热回路，其特征是，该液体连管(12)内填充有多孔介质(121)，在该多孔介质的毛细作用下该冷凝器(11)中的液体进入该蒸发器(13)。
2.根据权利要求1所述的低温回路热管装置(1)，其特征是，所述蒸发器(13)的形状构造为空心圆柱体，其内周面上沿该圆柱体的轴向开设多个气体槽道(131)，所述吸液芯(132)构造为适合于与所述多个气体槽道(131)同轴配置的并朝向该液体连管(12)敞开的杯状体，在该吸液芯(132)的空腔内填充有多孔介质(133)。
3.根据权利要求2所述的低温回路热管装置(1)，其特征是，所述液体连管(12)内的该多孔介质(121)分别延伸入该蒸发器(13)内和该冷凝器(11)内一段距离，使得该液体连管内的多孔介质(121)能与所述吸液芯内的多孔介质(133)相接合。
4.根据权利要求1或2所述的低温回路热管装置(1)，其特征是，所述液体连管(12)内的多孔介质(121)和所述吸液芯内(132)内的多孔介质(133)均为丝网。
5.根据权利要求4所述的低温回路热管装置(1)，其特征是，所述丝网由金属制成并且其丝网目数为10目～100目。
6.根据权利要求2所述的低温回路热管装置(1)，其特征是，该吸液芯(132)内的多孔介质(133)充满整个吸液芯(132)的空腔。
7.根据权利要求2所述的低温回路热管装置(1)，其特征是，所述液体连管(12)内的多孔介质(121)占据该液体连管(12)总容积的1/3～2/3。
8.根据权利要求1所述的低温回路热管装置(1)，其特征是，所述液体连管(12)和所述气体连管(14)均为不锈钢薄壁管。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的低温回路热管装置(1)，其特征是，该低温回路热管装置(1)还包括与该气体连管(14)流体连通的气库(15)。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110629 |