CN114440679B - 一种用于斯特林热机冷端的环形蒸发器回路热管散热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于斯特林热机冷端的环形蒸发器回路热管散热器，包括环形蒸发器、蒸汽腔、气体管线、液体管线、储液槽、散热面板、套管式回热器；本发明克服传统回路热管散热效果不佳，该发明环形结构蒸发器设计合理紧凑，可有效避免使用多组传统回路热管时带来的冗余粘接接触热阻、结构繁杂、安装不便等弊端；气液管线进出口数量可灵活布置用以增减散热面积，实现不同功率斯特林热机装置低温环境下散热需求；套管式回热器的设计相比于传统回路热管可以减小回流液过冷度，提高回路热管工作稳定性与可靠性，该发明设计面向深空或海洋环境低温条件下均能实现不同功率斯特林热机冷端散热。

Description

一种用于斯特林热机冷端的环形蒸发器回路热管散热器

技术领域

本发明涉及一种回路热管散热器，属于热控散热技术领域，更具体的说是涉及一种用于斯特林热机冷端的环形蒸发器回路热管散热器。

背景技术

随着深空、远海探索任务逐步繁重，能源需求也在不断提高，核能由于其能量密度高、使用寿命长被视为是一种可高效持续利用能源。斯特林热机具有转换效率高的特点，近年来随着先进斯特林热电转换技术的不断成熟，核反应堆与斯特林热机相结合的方式成为了核反应堆电源设计的热点。由于斯特林热机冷端温度对热电转换效率具有很大的影响，小型核电源的热量排散技术显得尤其重要。

在核反应堆斯特林热机冷端高热流密度散热技术领域，相比于单相热传输技术而言，两相热控技术所需的管路半径更小，工质也更少，功耗也更低，尤其是当大功率装置散热***需要有较长的流体管路时，两相热控技术优势更为明显。回路热管作为一种两相被动热控装置，依靠工质相变进行高效热传输，同时依靠毛细芯结构产生毛细力，使其能够不依赖于泵驱动工质而实现长距离循环流动，被广泛运用在高热流密度散热领域。

面向大功率斯特林热机装置冷端散热应用时，传统回路热管存在以下问题：

1、传统回路热管蒸发器大多为圆柱型或平板型，面向不同功率斯特林热机装置冷端散热应用时需要过渡面才可与热源面紧密贴合，在与散热器件耦合时需要占用更多***空间，这会造成较大的接触热阻且结构繁杂、安装不便；

2、斯特林热机冷端高热流密度散热应用领域和散热功率往往大不相同，需要根据不同应用条件对外部散热面板进行调整；

3、此外，回流液过冷度是决定热管工作稳定性与可靠性的一个重要考量因素，回流液过冷度控制不佳会造成回路热管工作温度波动而增加失效风险，另一方面，回路热管温度波动造成的斯特林热机冷端热量密度波动会造成斯特林热机震动噪声增大，减少使用寿命。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统回路热管散热效果不佳而提供了一种用于斯特林热机冷端的环形蒸发器回路热管散热器，该发明环形结构蒸发器设计合理紧凑，可有效避免使用多组传统回路热管时带来的冗余粘接接触热阻、结构繁杂、安装不便等弊端；气液管线进出口数量可灵活布置用以增减散热面积，实现不同功率斯特林热机装置低温环境下散热需求；套管式回热器的设计相比于传统回路热管可以减小回流液过冷度，提高回路热管工作稳定性与可靠性，该发明设计面向深空或海洋环境低温条件下均能实现不同功率斯特林热机冷端散热。

为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供了一种用于斯特林热机冷端的环形蒸发器回路热管散热器，面向深空或海洋环境低温条件下均能实现不同功率散热。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于斯特林热机冷端的环形蒸发器回路热管散热器，其特征在于，包括环形蒸发器、蒸汽腔、气体管线、液体管线、储液槽、散热面板、套管式回热器；

所述环形蒸发器为圆环柱形结构，其中由内径到外径方向依次为蒸发器壳壁、齿形结构、蒸汽槽道、复合双层毛细芯、液体通道。所述蒸发器壳壁内侧紧贴斯特林热机冷端环形面，用于将斯特林热机冷端热量导出并传递到蒸发器内部工质产生相变；所述蒸汽槽道为所述蒸发器壳壁外侧齿形结构与所述复合双层毛细芯内表面形成的细槽通道；所述复合双层毛细芯外侧面与液体通道相连，其中孔隙率较大的吸液芯材料与液体通道接触；所述液体通道一端与储液槽相连通。

所述蒸汽腔为均匀厚度的封闭圆环槽道结构，上部开口与气体管线相连，下部与蒸汽槽道连通。

所述气体管线的一部分设置于散热面板夹层内，一端与蒸汽腔相连，另一端与液体管线相连；

所述液体管线的一部分设置于散热面板夹层内，一端与气体管线相连，另一端与储液槽相连；

所述套管式回热器设置于蒸汽腔出口位置，包括外管、内管和对流换热环状空间；所述外管是冷凝液回流侧，内管是蒸汽进出口管侧，低温冷凝液经对流换热环状空间与出口蒸汽进行对流热交换，用于减小回流液过冷度以防回流液冻结。

进一步地，所述齿形结构可以是三角形、矩形、梯形等能够与所述复合双层毛细芯内表面形成封闭蒸汽槽道的结构。

进一步地，所述蒸汽腔上部连接气体管线的开口数量与储液槽下部连接液体管线的开口数量一致，每对开口分别对应一个散热面板单元。

进一步地，所述蒸汽腔上部气体管线开口与储液槽下部液体管线开口布置方式采用两两十字交叉型对称排布以便各气液管口流量均衡，实现均匀散热。

进一步地，所述散热面板为三明治型结构，上下两层均为散热板层，中间夹层为蜂窝芯、导热硅脂、气体管线和液体管线。

进一步地，所述散热面板单元数量根据散热功率、回路热管工作温度及环境温度确定。

进一步地，所述传热工质为水或氨。

经由上述的技术方案可知，本发明公开了一种用于斯特林热机冷端的环形蒸发器回路热管散热器，具有如下有益效果：

1、本发明所采用的环形结构蒸发器设计合理紧凑，可有效避免多组传统回路热管冗余粘接散热带来接触热阻的弊端，在与散热器件耦合时也不需要占用更多***空间；

2、本发明可以根据不同应用条件对外部散热面板进行调整，灵活设计多组气液管线用以改变散热面板数量，可以实现不同功率的散热需求；

3、本发明的环形蒸汽腔的设计可以使蒸汽槽道出口的蒸汽得到均匀分流，使得进入每个独立单元散热面板的蒸汽流量一致，冷凝回流液流量等物性参数也能够基本相同，能够提高回路热管散热器工作稳定性与可靠性；

4、本发明利用套管式回热器对回流液进行预热，相比于传统回路热管可以减小回流液过冷度，进一步提高了回路热管散热器工作稳定性与可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明环形蒸发器回路热管散热器的整体结构示意图。

图2附图为本发明回路热管散热器环形蒸发器的剖视图。

图3附图为本发明散热器面板的剖视图。

图4附图为本发明回热器结构示意图。

其中，1、环形蒸发器；2、散热面板；3、套管式回热器；4、蒸汽腔；5、气体管线；6、液体管线；7、储液槽；101、蒸发器壳壁；102、齿形结构；103、蒸汽槽道；104、复合双层毛细芯；105、液体通道；201、散热板层；202、导热硅脂；203、蜂窝芯；301、外管；302、对流换热环状空间；303、内管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参见附图所示，本发明实施例公开了一种环形蒸发器回路热管散热器，包括环形蒸发器1、散热面板2、套管式回热器3、蒸汽腔4、气体管线5、液体管线6、储液槽7；

所述环形蒸发器1为圆环柱形结构，其中由内径到外径方向依次为蒸发器壳壁101、齿形结构102、蒸汽槽道103、复合双层毛细芯104、液体通道105。所述蒸发器壳壁101内侧紧贴斯特林热机冷端环形面，用于将斯特林热机冷端热量导出并传递到蒸发器内部工质产生相变；所述蒸汽槽道103为所述蒸发器壳壁101外侧齿形结构102与所述复合双层毛细芯104内表面形成的细槽通道；所述复合双层毛细芯104外侧面与液体通道105相连，其中孔隙率较大的吸液芯材料与液体通道105接触；所述液体通道105一端与储液槽7相连通。

所述蒸汽腔4为均匀厚度的封闭圆环槽道结构，上部开口与气体管线5相连，下部与蒸汽槽道103连通。

所述气体管线5的一部分设置于散热面板2夹层内，一端与蒸汽腔4相连，另一端与液体管线6相连；

所述液体管线6的一部分设置于散热面板2夹层内，一端与气体管线2相连，另一端与储液槽7相连；

所述套管式回热器3设置于蒸汽腔4出口位置，包括外管301、内管303和对流换热环状空间302；所述外管301是冷凝液回流侧，内管303是蒸汽进出口管侧，低温冷凝液经对流换热环状空间302与出口蒸汽进行对流热交换，用于减小回流液过冷度以防回流液冻结。

本实施例中，所述齿形结构102可以是三角形、矩形、梯形等能够与所述复合双层毛细芯104内表面形成封闭蒸汽槽道103的结构。

本实施例中，所述蒸汽腔4上部连接气体管线5的开口数量与储液槽7下部连接液体管线6的开口数量一致，每对开口分别对应一个散热面板2单元。

本实施例中，所述蒸汽腔4上部气体管线5开口与储液槽7下部液体管线6开口布置方式采用两两十字交叉型对称排布以便各气液管口流量均衡，实现均匀散热。

本实施例中，所述散热面板2为三明治型结构，上下两层均为散热板层201，中间夹层为蜂窝芯203、导热硅脂202、气体管线5和液体管线6。若面向空间辐射散热应用，散热板层201材质为铝合金蒙皮，外表面涂有高发射率热控涂层；若面向海洋对流冷却应用，散热板层201材质为不锈钢蒙皮，外表面涂有粗糙防锈蚀涂层；散热板层201内表面与蜂窝芯203相连并通过导热硅脂202粘连气液管线。

本实施例中，所述散热面板2单元数量根据散热功率、回路热管工作温度及环境温度确定。

本实施例中，所述传热工质为水或氨；气体管线5和液体管线6均采用光滑的不锈钢细管，用以减小管壁流动阻力和提高导热率。

本实施例中，所述复合双层毛细芯104由外层金属丝网毛细芯和内层烧结金属粉末毛细芯组合而成。外层金属丝网毛细芯由金属纤维丝网卷制，毛细孔径大渗透率高，外层液体通道中的液态传热工质能够被快速渗透到吸液芯中，由于内层烧结金属粉末毛细芯经过金属粉末压制烧结而成，使得其孔隙率小抽吸作用强，液态工质被更大的毛细力抽吸到与齿轮结构102接触的弯月面处蒸发产生相变。

本实施例的工作原理为：

环形蒸发器壳壁101与器件发热面贴合，器件散发的热量作用于蒸发器壳壁101加热面，热量通过蒸发器壳壁101传导至齿轮结构102。齿轮结构102与复合双层毛细芯103弯月面处液体工质受热蒸发，产生的蒸汽通过蒸汽槽道102汇集至蒸汽腔4。蒸汽在蒸汽腔4内得到缓冲后再通过气体管线5流经散热面板2，随后蒸汽将汽化潜热释放给散热面板2发生冷凝，散热面板2通过辐射或对流作用将热量排放到环境中。由于环形蒸发器1中复合双层毛细芯104的毛细抽吸作用，冷凝液经由液体管线被抽吸回流，在回流过程中冷凝液流经套管式回热器3至储液槽7，储液槽7内冷凝液不断被补充并流向环形蒸发器液体通道105，由此实现了蒸发-冷凝相变传热的闭式循环。

以上对本发明的技术方案进行了充分描述，需要说明的是，本发明的具体实施方式并不受上述描述的限制，本领域的普通技术人员依据本发明的精神实质在结构、方法或功能等方面采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于斯特林热机冷端的环形蒸发器回路热管散热器，其特征在于，包括环形蒸发器、蒸汽腔、气体管线、液体管线、储液槽、散热面板、套管式回热器；

所述环形蒸发器为圆环柱形结构，其中由内径到外径方向依次为蒸发器壳壁、齿形结构、蒸汽槽道、复合双层毛细芯、液体通道，所述蒸发器壳壁内侧紧贴斯特林热机冷端环形面，用于将斯特林热机冷端热量导出并传递到蒸发器内部工质产生相变；所述蒸汽槽道为所述蒸发器壳壁外侧齿形结构与所述复合双层毛细芯内表面形成的细槽通道；所述复合双层毛细芯外侧面与液体通道相连，其中孔隙率较大的吸液芯材料与液体通道接触；所述液体通道一端与储液槽相连通；所述蒸汽腔为均匀厚度的封闭圆环槽道结构，上部开口与气体管线相连，下部与蒸汽槽道连通；所述气体管线的一部分设置于散热面板夹层内，一端与蒸汽腔相连，另一端与液体管线相连；所述液体管线的一部分设置于散热面板夹层内，一端与气体管线相连，另一端与储液槽相连；所述套管式回热器设置于蒸汽腔出口位置，包括外管、内管和对流换热环状空间；所述外管是冷凝液回流侧，内管是蒸汽进出口管侧，低温冷凝液经对流换热环状空间与出口蒸汽进行对流热交换，用于减小回流液过冷度以防回流液冻结。

2.根据权利要求1所述的用于斯特林热机冷端的环形蒸发器回路热管散热器，其特征在于，所述齿形结构为三角形、矩形或梯形；能够与所述复合双层毛细芯内表面形成封闭蒸汽槽道的结构。

3.根据权利要求1所述的用于斯特林热机冷端的环形蒸发器回路热管散热器，其特征在于，所述蒸汽腔上部连接气体管线的开口数量与储液槽下部连接液体管线的开口数量一致，每对开口分别对应一个散热面板单元。

4.根据权利要求1所述的用于斯特林热机冷端的环形蒸发器回路热管散热器，其特征在于，所述蒸汽腔上部气体管线开口与储液槽下部液体管线开口布置方式采用两两十字交叉型对称排布以便各气液管口流量均衡，实现均匀散热。

5.根据权利要求1所述的用于斯特林热机冷端的环形蒸发器回路热管散热器，其特征在于，所述散热面板为三明治型结构，上下两层均为散热板层，中间夹层为蜂窝芯、导热硅脂、气体管线和液体管线。

6.根据权利要求1所述的用于斯特林热机冷端的环形蒸发器回路热管散热器，其特征在于，所述散热面板单元数量根据散热功率、回路热管工作温度及环境温度确定。

7.根据权利要求1所述的用于斯特林热机冷端的环形发热器回路热管散热器，其特征在于，所述工质为水或氨。

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