CN106225535A - 一种圆柱型环路热管毛细泵组件 - Google Patents

一种圆柱型环路热管毛细泵组件 Download PDF

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Abstract

一种圆柱型环路热管毛细泵组件，包括蒸发器壳体(3)、储液器壳体(4)和毛细芯(2)，储液器壳体(3)与蒸发器壳体(4)连接，所述毛细芯(2)的一段位于蒸发器壳体(3)内部，另一段伸入储液器壳体(4)内。毛细芯(2)采用多孔氮化硅烧结，不仅具有良好的孔隙性能，且化学稳定性好、导热系数低及机械加工性能好。储液器壳体(3)与蒸发器壳体(4)连接的局部设计为蛇形结构，导热路径长，导热系数相对较低，能削弱蒸发器向储液器的漏热。本发明能够确保环路热管具有良好的启动、传热及寿命特性，同时能够很好的适应空间微重力环境及航天器发射段的力学环境。

Description

一种圆柱型环路热管毛细泵组件
技术领域
本发明属于热控领域，涉及一种环路热管，特别是该种环路热管中使用的毛细泵组件。
背景技术
环路热管(LHP)是利用毛细力驱动工质循环完成换热的两相流体回路***，它通过柔韧管路快速将热源热量传送到热沉，其柔性管路可适用于转动/移动热源所需的柔性传热环节，具有传热温差小、传热功率大、传热距离远、控温精度高以及安装灵活等优点。基于此，环路热管已成为精密热控制***中一种先进的并具有广阔发展前景的精密热控产品，其工作原理如图1所示。
环路热管的启动特性、传热能力及寿命可靠性是其工程应用中最为重要的性能参数。毛细泵组件作为环路热管的“心脏”，其合理化设计是决定上述三个性能指标的关键。
毛细泵组件中的毛细芯被液体工质充分浸润是环路热管顺利启动及稳定运行的必要条件。目前，国内的圆柱型毛细泵组件的毛细芯仅布置于蒸发器内，地面应用时，可通过调整毛细泵姿态，液体通过重力流入蒸发器内以保证毛细芯浸润；而在轨微重力环境下，绝大多数液体呈液滴态随机分布于储液器内，此时蒸发器内毛细芯有局部干涸的可能，这将使环路热管存在启动失败或运行中断的风险。国外，目前通过增设副毛细芯连通蒸发器与储液器，即副毛细芯一端***主毛细芯(位于蒸发器内部)内部，两者紧密贴合，另一端深入储液器中，收集液体并传送至主毛细芯。但采用这种装配方式，主、副毛细芯装配难度大，且副毛细芯与主毛细芯连接部位外径小，力学性能较差，在航天器发射段存在折伤的风险。
另外，国内外大量研究表明，当蒸发器比储液器温度高出一定值时(过热度)环路热管才能正常启动。然而当蒸发器受热时，其热量会通过毛细泵组件管壳和毛细芯导热传递给储液器，储液器温度随之上升，过热度难以形成，导致环路热管启动失败；或者过热度形成时间过长，环路热管延迟启动，限制了其工程应用范围。
环路热管的最大传热能力直接取决于毛细泵组件中毛细芯的微孔孔径和孔隙率，同时毛细芯自身材料的化学稳定性也是决定环路热管寿命的主要因素。毛细芯有效微孔孔径越小，提供的毛细驱动力越大，开孔孔隙率越大，毛细芯内部流阻越小，即小孔径、大开孔孔隙率的毛细芯能使环路热管具有更大的传热能力。目前国内外多采用镍、钛等金属材料制备毛细芯。毛坯件中，毛细芯可以保证较小的孔径和大的开孔孔隙率，然而在表面机械加工时，由于金属材料延展性大，车削或线切割均会导致表面微孔闭合，降低开孔孔隙率。另一方面，毛细芯作为多孔介质，其有效表面积占环路热管内壁面积的绝大比例，而金属材料相对活性较高，与工质相容性较差，导致工质分解速率增大，降低了环路热管使用寿命。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种圆柱型环路热管毛细泵组件，其具有良好启动、传热及寿命特性，同时能很好的适应空间微重力环境及航天器发射段的力学环境。
本发明的技术解决方案是：一种圆柱型环路热管毛细泵组件，包括蒸发器壳体、储液器壳体和毛细芯，储液器壳体与蒸发器壳体连接，所述毛细芯的一段位于蒸发器壳体内部，另一段伸入储液器壳体内。
所述的毛细芯由包括氮化硅粉末、烧结助剂以及造孔剂的原料烧制而成，氮化硅的质量含量不少于98％。
所述的毛细芯内部微孔有效孔径在0.5um～15um间，微孔相互联通，孔隙率大于50％。
所述的毛细芯的抗弯强度大于10Mpa，导热系数小于4W/m.K。
所述的储液器壳体的内部设有毛细芯支撑，毛细芯支撑一端为法兰结构，一端为套筒结构，法兰结构和套筒结构通过连杆连接，套筒包络在位于储液器壳体内部一段毛细芯端部的外壁上。
所述的储液器壳体与蒸发器壳体连接的局部为蛇形结构。
所述的储液器壳体与蒸发器壳体的材料为金属材料，所述的蛇形结构的材料为导热系数相对于储液器壳体与蒸发器壳体所选用材料的导热系数较低的金属材料。
所述的蒸发器壳体的内壁设有轴向槽道，轴向槽道的截面为矩形、燕尾形或者Ω型。
所述的储液器壳体的内壁上设有肋片。
所述的蒸发器壳体包括第一主壳和第二主壳，其中第一主壳内壁与毛细芯的外壁紧密配合，两者间形成蒸汽槽道；第二主壳内壁与毛细芯外壁紧密配合，将所述蒸汽槽道与储液器壳体内部的腔体隔离。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明中，毛细芯一端深入储液室内部，可收集液体工质并输送至蒸发器，提高了环路热管对空间微重力环境的适应性。
本发明中，毛细芯一端深入储液室内部，即主、副芯一体化设计，避免了两者不易装配的弊端，且力学性能较好，同时毛细芯支撑的设计进一步提高了毛细泵组件的力学性能，保证了环路热管在航天器发射阶段的力学环境适应性。
本发明中，管壳采用异种金属设计，通过异种材料导热系数的差异可合理设计管壳自身的热流分布。同时在管壳相应位置设计蛇形结构，可增大蒸发器与储液器间的热阻，减少反向漏热，优化了环路热管启动特性及传热效率。
本发明中，管壳在储液器壳体内壁设计数组强化换热的翅片，提高了自身耐压强度，同时有助于储液室内部工质的均温，储器室内部设计测温管，可更精确获取工质温度，提高了储液器的控温精度，有助于环路热管的稳定运行。
本发明中，管壳在回液管外壁设计回流翅片，实现了回流液体冷量与流量的分离，提高了毛细泵的传热效率。
本发明中，毛细芯由氮化硅粉末烧结而成，氮化硅具有良好的化学稳定性，耐酸碱腐蚀，与水、氨、丙酮、氟利昂等多种工质有良好相容性，有效抑制了环路热管内部工质的分解，提高了产品寿命。
本发明中，毛细芯由氮化硅粉末烧结而成，导热系数低，可减小蒸发器向储液器的漏热，优化了环路热管启动特性及传热效率。
本发明中，毛细芯由氮化硅粉末烧结而成，机械加工性能好，在外壁精加工时，不会产生表面微孔闭塞现象，保证了毛细芯的有效开孔率。
附图说明
图1为环路热管***组成示意图；
图2为本发明毛细泵组件剖面结构图；
图3为本发明多孔氮化硅毛细芯剖面结构图；
图4为本发明蛇形结构剖面图；
图5为本发明毛细芯支撑结构图。
具体实施方式
如图2所示，为本发明的圆柱型环路热管毛细泵组件结构示意图，其主要包括管壳1和毛细芯2。管壳1又由蒸发器壳体3和储液器壳体4两部分组成。毛细芯2一段位于蒸发器壳体3内部，一段伸入储液器壳体4内部，使毛细泵组件内部形成蒸气室和储液室两个独立的腔体。
蒸发器壳体3包含第一主壳11、第二主壳12，主壳11内壁设有轴向微型槽道，第二主壳12内壁光滑设计。毛细芯2位于蒸发器壳体3内部一段的外壁与第一主壳11内壁、第二主壳12内壁紧密配合，形成蒸汽通道，并与储液室隔离。储液器壳体4包含毛细芯支撑5，毛细芯支撑5一端为法兰结构，一端为套筒结构，两者间通过薄壁三杆连接，套筒包络在位于储液器壳体4内部一段毛细芯2端部的外壁上，可增强毛细芯的力学性能。储液器壳体4与蒸发器壳体3相邻的部位设计为蛇形结构6，且相比储液器壳体4其他部位及蒸发器壳体3，该蛇形结构6选取导热系数较低的金属材料，蛇形结构6导热路径长，导热系数相对较低，能削弱蒸发通道向储液室的漏热。储液器壳体4内壁设置数片环状肋片7，能提高储液器壳体4自身的耐压强度，并增强储液器壳体4与内部工质的强化换热。储液器壳体4还包含测温管8，测温管8一端密封，另一端开口，置入测温传感器，可更加准确获取储液室内部工质的温度。储液器壳体4包含回液管9，回液管9外壁设计增强换热的翅片10。
图2中管壳1材料均为金属，在考虑力学性能、机加性能、焊接性能及与工质相容性的基础上，除储液器壳体4上的蛇形结构6外，其余部位可选用导热系数较高的金属材料，如铜、镍等，蛇形结构6可选取导热系数较低的材料，如钛、不锈钢等。第一主壳11内壁微槽道的截面可设计为矩形、燕尾形或者Ω型，第二主壳12内壁光滑设计。
如图3所示，毛细芯2为圆柱形，外壁光滑，内部设置盲孔，尺寸大小根据传热量及装配需求进行设计。毛细芯2由氮化硅粉末烧结而成，氮化硅含量不少于98％。内部微孔有效孔径在0.5um～15um间，微孔相互联通，孔隙率大于50％，抗弯强度大于10Mpa，导热系数小于4W/m·K。
如图4所示，蛇形结构6在考虑耐压强度的基础上壁厚需尽量薄，在满足力学强度及尺寸要求的基础上路径应尽量长。
如图5所示，毛细芯支撑5中的三个支撑杆尺寸根据毛细芯2力学性能要求确定，在满足力学强度基础上三个支撑杆应尽量薄。
工程制造过程中，考虑管壳机械加工的可实现性，可将管壳分为出气管13、第一端盖14、第一主壳11、第二主壳12、蛇形结构6、毛细芯支撑5、副壳15、第二端盖16、回液管9、测温管8、回流翅片10，各部分单独机械加工，并依次焊接连接。
毛细芯2的材质选择氮化硅，氮化硅具有良好的化学稳定性，耐酸碱腐蚀，耐高温，与水、氨、丙酮、氟利昂等多种工质有良好相容性，有效抑制了环路热管内部工质的分解，提高了环路热管的寿命。氮化硅毛细芯脆性高，机械加工性能好，在外壁精加工时，不会使表面微孔闭合，保证了较高的毛细芯2开孔孔隙率，同时表面可采用机械精加工手段提高尺寸精度，毛细芯2与蒸发器壳体4内壁面贴合率高，减小了热阻，提高了环路热管性能。氮化硅毛细芯2的微孔呈细长狭缝形，能够在保持小孔径的同时提高孔隙率，使毛细芯2在提供相同毛细力时产生的流动阻力更小。
毛细芯2的制备过程分为毛坯烧结和机械精加工两大步骤。毛坯烧结又分为毛坯成型和烧结两大工艺，毛坯成型可通过冷压、注浆等工艺方法，烧结有常压、真空、高压等工艺方法。机械精加工有车、磨、钻等工艺方法，车、磨可实现多孔氮化硅毛细芯2外壁形状尺寸及精度，钻可实现毛细芯2内部盲孔的形状、位置尺寸。内部盲孔的另一种实现方法是，在毛细芯2毛坯成型及烧结过程中采用内置模具实现。毛细芯2的内部微孔孔径和开孔孔隙率的大小可通过选择不同粒径的材料或不同比例的挥发性/可燃性造孔剂如淀粉、聚甲基丙烯酸甲酯、碳酸氢铵、微晶纤维素、氯化钠等实现。
管壳1与毛细芯2具体的装配方法是，首先，第一主壳11、第二主壳12、蛇形结构6、毛细芯支撑5根据位置关系装配，装配过程中通过内设定位工装保持同轴度，然后通过电子束焊工艺依次完成四者间的焊接，焊接过程中通过调正工艺参数(增加焊接速率、控制焊缝宽度尽量窄)尽量减小焊接位置的变形，焊接完成后退出定位工装，再根据位置关系与毛细芯2过盈装配，一种过盈装配方法是通过加热第一主壳11、第二主壳12、蛇形结构6、毛细芯支撑5使其膨胀，然后将毛细芯2装入，冷却后实现过盈配合，装配过程可通过在氩气保护环境或真空环境进行以防止氧化。同时，第一端盖14与出气管13根据位置关系装配，通过钎焊工艺焊接。同时，第二端盖16、测温管8、回液管9、回流翅片10根据位置关系装配，通过钎焊工艺焊接。最后，上述三大部分与副壳15根据位置关系装配，通过电子束焊接工艺焊接密封。
环路热管启动前，毛细芯2由于一端位于储液器内部，液体工质会充分浸润毛细芯2各部位的内部微孔。环路热管启动及运行过程中，第一主壳11外壁受热，热量传递至毛细芯2表面，毛细芯2表面的液体工质受热蒸发，在毛细芯2表面微孔内部形成弯月面并产生毛细力，毛细力推动蒸发的气体工质依次沿蒸汽槽道、出气管13进入环路热管气相管路及冷凝器，气体工质在冷凝器中冷凝放热后变成液体工质，再通过液相管路回流至回液管9，并从回液管9出口处首先进入蒸发器内部，绝大部分回流的液相工质将直接补给至毛细芯2位于蒸发器壳体3内部一段，同时毛细芯2也不断从储液器内部吸收、补给液体工质，以适应毛细芯2外表面液体工质的蒸发量。过程中，液相工质流经回液管9时，会将冷量通过回液管9外壁面及回流翅片10传递至储液器内部的两相工质，同时，通过在副壳15外壁设置加热回路、在测温管8内部设置测温元器件便可精确控制储液器内部两相工质的温度水平，进而达到控制整个环路热管***的温度水平。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种圆柱型环路热管毛细泵组件，其特征在于：包括蒸发器壳体(3)、储液器壳体(4)和毛细芯(2)，储液器壳体(3)与蒸发器壳体(4)连接，所述毛细芯(2)的一段位于蒸发器壳体(3)内部，另一段伸入储液器壳体(4)内。
2.根据权利要求1所述的一种圆柱型环路热管毛细泵组件，其特征在于：所述的毛细芯(2)由包括氮化硅粉末、烧结助剂以及造孔剂的原料烧制而成，氮化硅的质量含量不少于98％。
3.根据权利要求2所述的一种圆柱型环路热管毛细泵组件，其特征在于：所述的毛细芯(2)内部微孔有效孔径在0.5um～15um间，微孔相互联通，孔隙率大于50％。
4.根据权利要求3所述的一种圆柱型环路热管毛细泵组件，其特征在于：所述的毛细芯(2)的抗弯强度大于10Mpa，导热系数小于4W/m.K。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种圆柱型环路热管毛细泵组件，其特征在于：所述的储液器壳体(4)的内部设有毛细芯支撑(5)，毛细芯支撑(5)一端为法兰结构，一端为套筒结构，法兰结构和套筒结构通过连杆连接，套筒包络在位于储液器壳体(4)内部一段毛细芯(2)端部的外壁上。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种圆柱型环路热管毛细泵组件，其特征在于：所述的储液器壳体(3)与蒸发器壳体(4)连接的局部为蛇形结构(6)。
7.根据权利要求6所述的一种圆柱型环路热管毛细泵组件，其特征在于：所述的储液器壳体(3)与蒸发器壳体(4)的材料为金属材料，所述的蛇形结构(6)的材料为导热系数相对于储液器壳体(3)与蒸发器壳体(4)所选用材料的导热系数较低的金属材料。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种圆柱型环路热管毛细泵组件，其特征在于：所述的蒸发器壳体(3)的内壁设有轴向槽道，轴向槽道的截面为矩形、燕尾形或者Ω型。
9.根据权利要求1或2或3或4所述的一种圆柱型环路热管毛细泵组件，其特征在于：所述的储液器壳体(4)的内壁上设有肋片(7)。
10.根据权利要求1或2或3或4所述的一种圆柱型环路热管毛细泵组件，其特征在于：所述的蒸发器壳体(3)包括第一主壳(11)和第二主壳(12)，其中第一主壳(11)内壁与毛细芯(2)的外壁紧密配合，两者间形成蒸汽槽道；第二主壳(12)内壁与毛细芯(2)外壁紧密配合，将所述蒸汽槽道与储液器壳体(4)内部的腔体隔离。
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