CN114593622A - 一种次回路部分耦合式低温环路热管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种次回路部分耦合式低温环路热管，包括主回路、次回路和冷凝器，主回路包括主蒸发器、主蒸汽管路、主冷凝管路、主液管路、主储液器和主气库，次回路包括次蒸发器、次蒸汽管路、次冷凝管路、次液管路、次储液器和次气库，主回路和次回路为两个独立回路，次液管路包括盘管，盘管与主储液器相耦合，主冷凝管路和次冷凝管路通过盘管结构固定在冷凝器上，次储液器与冷凝器相连接。其中本发明的有益效果是：主回路和次回路是两个独立两相回路，结构简单；独立回路的工质充装量设计简单，***运行时更为稳定；两个独立回路有各自的气库，气库的体积小；测试可在常温下进行，测试成本低；通过不同工质的选择适用温度范围大。
Description
技术领域
本发明涉及环路热管设计技术领域，特别涉及一种次回路部分耦合式低温环路热管。
背景技术
环路热管(LHP)是一种无源的气液两相传热装置，因其具有高效传热性、距离远热传输能力、***热阻小、可靠性高等优势，使其在航天航空的热控***中得到广泛的应用。随着对地探测和深空探测领域需求的不断增加，红外遥感探测***广泛应用于各类卫星上，红外探测器在低温状态下工作时，响应时间缩短、灵敏度提高、响应波长展宽、受限背景噪声变小。因此开发被动式可远传的低温传热装置显得尤为重要。
常温环路热管由蒸发器、冷凝器、储液器、蒸汽管路和液管路组成。常温环路热管的工质在启动前通常处于两相饱和状态，蒸发器内的毛细芯应能被储液器提供的液态工质浸润，即储液器的液位没过毛细芯的中心孔位置即可。当蒸发器接受外部的热量后，液体通过毛细力在毛细芯的外表面蒸发，蒸汽由周向槽道汇集至轴向槽道后进入蒸汽管路，蒸汽经冷凝器冷凝成液态，通过液管路输送至储液罐，最终形成自循环的两相回路。
相对于常温环路热管而言，低温环路热管的工质在常温的状态下通常处于过热状态，是超临界温度低于常温的气体。如果将工质直接充装到环路热管内，会导致***内的压力很高，可达到30-40MPa,此时需加大管路、蒸发器、储液器等壁厚以达到压力承受的强度，导致加工成本上涨的同时，也使设备的重量成倍增加，不利于环路热管的安装。此时通过添加一个气库，可以解决上述问题。
相较于常温环路热管，低温环路热管主要面临以下的技术难点：1)从超临界状态启动低温环路热管(CLHP)；2)管路内介质与环境温度存在着巨大的温差，管路的漏热相当严重。
国外的研究人员发明了一种低温环路热管(专利号：US6810946B2)，该低温环路热管在常温环路热管的基础上增加了一个次蒸发器和气库，可以有效地解决管路漏热问题以及从初始超临界状态启动回路的困难。然而该发明的主回路和次回路之间完全耦合，其缺点是结构复杂、运行波动大、工质充装量设计难、气库体积大及测试成本高。中国专利CN107144160A公开了一种适应160K至220K工作温区的双回路深冷环路热管，包括一套乙烷工质环路热管和一套丙烯工质的环路热管，其中乙烷工质环路热管设置有外置储液器，两套环路热管的蒸发器通过集热座耦合在一起并与热源贴合吸收热量，两套环路热管的冷凝器热耦合在一起并与热沉贴合释放热量。然而在超临界启动时，由于无法建立储液器与蒸发器之间的过热度，可能导致超临界启动失败；在运行过程中，外接储液器与储液器相连，会导致温度波动较大，影响环路热管的稳定运行；同时该***的适用的温区范围较小。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种结构简单、运行稳定、气库工质充装量设计简单、气库体积小、测试成本低、通过不同工质的选择适用温度范围大的次回路部分耦合式低温环路热管，本发明的技术方案是这样实施的：
一种次回路部分耦合式低温环路热管，包括主回路、次回路和冷凝器，所述主回路与所述次回路均与所述冷凝器相连接；所述主回路包括主蒸发器、主蒸汽管路、主冷凝管路、主液管路、主储液器和主气库，所述主蒸发器与所述主储液器相连接，所述主蒸汽管路连接所述主蒸发器与所述主冷凝管路，所述主液管路连接所述主冷凝管路与所述主储液器，所述主气库与所述主蒸汽管路相连接；所述次回路包括次蒸发器、次蒸汽管路、次冷凝管路、次液管路、次储液器和次气库，所述次蒸发器与所述次储液器相连，所述次蒸汽管路连接所述次蒸发器与所述次冷凝管路，所述次液管路连接所述次冷凝管路与所述次储液器，所述次气库与所述次液管路相连接，所述次液管路包括盘管，所述盘管与所述主储液器相耦合。
优选地，所述主回路和所述次回路中的工质分别选自包括氦气、氢气、氖气、氮气、甲烷和乙烯中的任一一种。
优选地，所述主冷凝管路和所述次冷凝管路均通过盘管结构固定在所述冷凝器上。
优选地，所述次储液器与所述冷凝器相连接。
实施本发明的技术方案可解决现有技术中超临界启动困难、环路热管在低温工况下运行不稳定、***充装量难适应温差跨度大的技术问题；实施本发明的技术方案，通过采用两个完全独立的主回路和次回路，主回路的主储液器和次回路的次液管路的盘管部分相耦合，主回路和次回路分别单独设置气库，可实现的技术效果：
1、主回路和次回路是两个独立两相回路，结构简单；
2、独立回路的工质充装量设计简单，***运行时更为稳定；
3、独立回路有各自的气库，气库的体积小；
4、测试可在常温下进行，测试成本低；
5、通过不同工质的选择适用温度范围大。
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一种实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
图1为次回路部分耦合式低温环路热管结构示意图；
图2为主回路结构示意图；
图3为次回路结构示意图。
在上述附图中，各图号标记分别表示：
1主回路
1-1主蒸发器
1-2主蒸汽管路
1-3主冷凝管路
1-4主液管路
1-5主储液器
1-6主气库
2次回路
2-1次蒸发器
2-2次蒸汽管路
2-3次冷凝管路
2-4次液管路
2-5盘管
2-6次储液器
2-7次气库
3冷凝器
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作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
在优选的具体实施例中，如图1所示，一种次回路部分耦合式低温环路热管，包括主回路1、次回路2和冷凝器3，主回路1和次回路2为两个独立的回路，因此对于工质的充装量可以分别依据主回路1和次回路2的充装量进行计算，可以简化环路热管的工质充装的计算。主回路1与次回路2采用部分耦合的连接方式，主回路1与次回路2均与冷凝器3相连接。主回路1包括主蒸发器1-1、主蒸汽管路1-2、主冷凝管路1-3、主液管路1-4、主储液器1-5和主气库1-6，如图2所示，主蒸发器1-1与主储液器1-5相连，主蒸汽管路1-2连接主蒸发器1-1与主冷凝管路1-3，主液管路1-4连接主储液器1-5和主冷凝管路1-3，主气库1-6与主蒸汽管路1-2相连接。次回路2包括次蒸发器2-1、次蒸汽管路2-2、次冷凝管路2-3、次液管路2-4、次储液器2-6和次气库2-7，如图3所示，次蒸发器2-1与次储液器2-6相连，次蒸汽管路2-2连接次蒸发器2-1与次冷凝管路2-3，次液管路2-4连接次储液器2-6和次冷凝管路2-3，次气库2-7与次液管路2-4相连接，次液管路2-4包括盘管2-5，盘管2-5与主储液器1-5相耦合。主冷凝管路1-3与次冷凝管路2-3通过设置盘管结构固定在冷凝器3上。次储液器2-6与冷凝器3相连。次液管路2-4在主储液器1-5内通过盘管2-5相耦合，使次液管路2-4内的工质与主储液器1-5内的工质充分换热。
在***启动前，低温环路热管内的工质处于高压状态，当冷凝器3开启后，与冷凝器3相连的次储液器2-6内的工质开始持续降温，同时次储液器2-6内的压力也随之降低，次气库2-7中的高压气体由于压差进入次储液器2-6内并开始冷凝液化，当次储液器2-6内的液位没过次蒸发器2-1内次毛细芯的中心孔位置时，蒸发器2-1接受外部热量后，液体通过毛细力在次毛细芯的外表面蒸发，蒸汽进入次蒸汽管路2-2，蒸汽经与冷凝器3相连的次冷凝管路2-3降温后，冷凝成液态，液态工质通过次液管路2-4输送至与主储液器1-5耦合的盘管2-5，盘管2-5内的液体与主储液器1-5内的工质充分换热后回到次储液器2-6，最终形成自循环的两相次环路，次回路启动成功。
主冷凝管路1-3内的工质经冷凝器3降温后经主液管路1-4进入主储液器1-5，与盘管2-5内的低温工质换热后持续降温，主储液器1-5内的压力也随之降低，主气库1-6中的高压气体由于压差进入主储液器1-5内并开始冷凝液化，当主储液器1-5内的液位没过主蒸发器1-1内主毛细芯的中心孔位置时，主蒸发器1-1接受外部热量后，液体通过毛细力在主毛细芯的外表面蒸发，蒸汽进入主蒸汽管路1-2，蒸汽经与冷凝器3相连的主冷凝管路1-3降温后，冷凝成液态，液态工质通过主液管路1-4输送至主储液器1-5，最终形成自循环的两相主环路，主回路启动成功。
低温环路热管根据工作温区的不同，主回路1和次回路2的工质可分别选择包括如氦气(2.7-4.4K)、氢气(20-30K)、氖气(28-44K)、氮气(75-100K)、甲烷(100-180K)、乙烯(150-250K)中的任一一种作为工质。
需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种次回路部分耦合式低温环路热管，其特征在于：包括主回路、次回路和冷凝器，所述主回路与所述次回路均与所述冷凝器相连接；所述主回路包括主蒸发器、主蒸汽管路、主冷凝管路、主液管路、主储液器和主气库，所述主蒸发器与所述主储液器相连接，所述主蒸汽管路连接所述主蒸发器与所述主冷凝管路，所述主液管路连接所述主冷凝管路与所述主储液器，所述主气库与所述主蒸汽管路相连接；所述次回路包括次蒸发器、次蒸汽管路、次冷凝管路、次液管路、次储液器和次气库，所述次蒸发器与所述次储液器相连，所述次蒸汽管路连接所述次蒸发器与所述次冷凝管路，所述次液管路连接所述次冷凝管路与所述次储液器，所述次气库与所述次液管路相连接，所述次液管路包括盘管，所述盘管与所述主储液器相耦合。
2.根据权利要求1所述的一种次回路部分耦合式低温环路热管，其特征在于：所述主回路和所述次回路中的工质分别选自包括氦气、氢气、氖气、氮气、甲烷和乙烯中的任一一种。
3.根据权利要求2所述的一种次回路部分耦合式低温环路热管，其特征于：所述主冷凝管路和所述次冷凝管路均通过盘管结构固定在所述冷凝器上。
4.根据权利要求3所述的一种次回路部分耦合式低温环路热管，其特征在于：所述次储液器与所述冷凝器相连接。
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