CN212567966U

CN212567966U - 可视化低温脉动热管实验装置

Info

Publication number: CN212567966U
Application number: CN202021343198.0U
Authority: CN
Inventors: 吕秉坤; 徐冬; 李来风; 刘辉明
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2020-07-09
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2021-02-19
Anticipated expiration: 2030-07-09

Abstract

本实用新型涉及脉动热管技术领域，提供了一种可视化低温脉动热管实验装置，包括：可视化低温绝热***、低温脉动热管、充注***、抽真空***和采集***；可视化低温绝热***包括真空罩，以及设置于真空罩内的防辐射罩，真空罩的侧壁设置有可视化光学窗口；低温脉动热管设置于防辐射罩围成的腔室内；充注***设置于真空罩外部，通过延伸至所述真空罩内的管路与低温脉动热管连接；抽真空***分别与真空罩和低温脉动热管连接；采集***包括对应可视化光学窗口，分别设置于所述真空罩两侧的光源和采集装置。本实用新型能够对低温脉动热管的两相流流动过程进行观察和记录，也可以进行连续测量分析和可视化观测。

Description

可视化低温脉动热管实验装置

技术领域

本实用新型涉及脉动热管技术领域，特别是涉及一种可视化低温脉动热管实验装置。

背景技术

脉动热管(Pulsating Heat Pipe或Oscillating Heat Pipe，PHP或OHP)，又称振荡热管，是一种新型热管，自从20世纪90年代被实用新型以来，由于其独特的工作原理和优秀的传热性能受到研究者的广泛关注。脉动热管工作过程中涉及到液膜的蒸发和冷凝、工作流体同管壁接触角的动态变化、气泡的生长和结合以及核态沸腾等现象。虽然脉动热管结构简单，但是管内热量和质量传递过程中涉及的流体动力学与热力学的耦合使其工作机理非常复杂。为了更好地认识脉动热管的运行机制和传热过程，可视化实验是首选。

常温脉动热管很容易实现可视化研究，经过二十几年的发展，无论是理论方面，还是实验和应用方面，都已取得了一定的进展。而低温脉动热管的研究近几年才刚刚起步，国内外对于低温脉动热管的实验研究主要采用H₂、Ne、N₂、He这几种气体，但低温工质热物性与常温工质相差很大，特别在黏度、表面张力、气化潜热等方面，从而使得低温工质的流动与换热过程与常温工质有很大差异，导致常温的可视化实验和理论成果无法直接应用到低温脉动热管上。

对于低温脉动热管的研究，通常利用数值模拟来研究低温工质的流动状态。低温温区制冷传热一般用低温液体工质，氮沸点77K，氢20K，氦4.2K，氖27K，是低温脉动热管传热常用的工质，低温温区是指温度小于120K，从120K到300K区间的制冷都是普冷温区。由于低温脉动热管内两相流体系是一个复杂的***，其传热与流动机理复杂多样，深刻地与两相流动的流型直接相关，不同流型下的传热与水力学特性相差很大，数值模拟很难对其换热过程进行准确描述。不掌握这些流型信息和气液分布必定无法得到精确的传热与流动关联式，可视化是研究的必要手段。

有鉴于此提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种可视化低温脉动热管实验装置。

根据本实用新型实施例的一种可视化低温脉动热管实验装置，包括：

可视化低温绝热***、低温脉动热管、充注***、抽真空***和采集***；

所述可视化低温绝热***包括真空罩，以及设置于所述真空罩内的防辐射罩，所述真空罩的侧壁设置有可视化光学窗口；

所述低温脉动热管设置于所述防辐射罩围成的腔室内；

所述充注***设置于所述真空罩外部，通过延伸至所述真空罩内的管路与所述低温脉动热管连接，用于向所述低温脉动热管充注工质；

所述抽真空***分别与所述真空罩和所述低温脉动热管连接，用于实现所述真空罩和所述低温脉动热管内的高真空环境；

所述采集***包括对应所述可视化光学窗口，分别设置于所述真空罩两侧的光源和采集装置。

根据本实用新型的一个实施例，所述真空罩的上部设置有法兰盘，所述法兰盘上设置有制冷机，所述制冷机的冷头通过导热热桥与所述低温脉动热管连接，所述导热热桥与所述防辐射罩连接。

具体来说，通过导热热桥将制冷机与低温脉动热管和防辐射罩连接，传导制冷机冷量，使低温脉动热管和防辐射罩温度保持在低温温区。

需要说明的是，低温脉动热管、制冷机、防辐射罩和导热热桥之间的接触表面需打磨光滑，并设置有铟片和涂抹Apiezon N真空导热胶，用于减小接触热阻，增强导热效果。

在一个实施例中，真空罩为不锈钢制成的筒状结构，下部采用焊接密封，上部与法兰盘为可拆卸连接，并且真空罩与法兰盘之间采用密封圈和真空密封胶实现密封。

在一个实施例中，防辐射罩为紫铜或者铝制成的筒状结构。

在一个实施例中，制冷机可以是脉冲管制冷机、斯特林制冷机、GM制冷机或其它低温制冷机，与法兰盘固定连接。

在一个实施例中，导热热桥为紫铜或铝材料制成，其上开设有与制冷机的冷头和低温脉动热管连接的螺纹孔。

根据本实用新型的一个实施例，所述可视化低温绝热***还包括吊装杆，分别与所述防辐射罩和所述法兰盘连接；

所述防辐射罩上对称设置有通孔，所述通孔连成的通道形成可视化光学通道；

其中，所述吊装杆将所述防辐射罩吊装至所述真空罩内时，所述可视化光学通道与所述可视化光学窗口相对应。

具体来说，通过吊装杆将防辐射罩吊装在真空罩内，这样设置进一步减少了制冷机的冷头受到的应力，防止应力变形进而影响制冷机的工作。

在一个实施例中，为了增加吊装杆的强度，本实施例的吊装杆由不锈钢材料制成。

在一个实施例中，为了减少吊装杆的固体传导漏热，本实施例的吊装杆设置为薄壁的空心结构，并在管壁上开设气孔，在抽真空的过程中，将管壁内的气体抽出，消除气体漏热的问题。

根据本实用新型的一个实施例，所述可视化光学窗口的表面镀有红外反射材料涂层。

具体来说，通过在可视化光学窗口的表面镀上红外反射材料制成的涂层，减小了环境光对真空罩内部的辐射漏热。

需要说明的是，在低温环境中实现绝热，需要减少对流、热传导、辐射，从3个方面来减小漏热，配合低温制冷机实现低温，高真空只是减小了空气对流，还需要防辐射罩减少热辐射、吊装杆的截面积减小来减小导热。

在一个实施例中，两个可视化光学窗口对称设置于真空罩的两侧，与低温脉动热管的可视化部分处于同一水平高度，形成穿过低温脉动热管可视化部分的光学通路，此外，可视化光学窗口与真空罩之间采用螺纹、法兰和密封圈实现密封。

根据本实用新型的一个实施例，所述低温脉动热管包括：

主要由毛细管折弯形成沿所述真空罩轴向，自上而下设置的冷凝段、绝热段和蒸发段；

第一传热铜板，与所述蒸发段通过焊锡固定；

第二传热铜板，与所述冷凝段通过焊锡固定，并与所述导热热桥连接；

其中，所述绝热段为表面镀红外反射材料涂层的玻璃毛细管，所述蒸发段和所述冷凝段为金属毛细管；

所述第一传热铜板和所述第二传热铜板上设置有用于固定所述蒸发段和所述冷凝段的凹槽；

所述绝热段至少部分对应所述可视化光学窗口设置。

具体来说，低温脉动热管由毛细管弯折制成至少1个回路型管式脉动热管，低温脉动热管包括蒸发段，绝热段和冷凝段，其中绝热段为玻璃管，蒸发段和冷凝段为金属管。

进一步地，低温脉动热管竖直放置，冷凝段位于最上端，蒸发段位于最底端。

进一步地，第一传热铜板和第二传热铜板结构类似，均是在板面上加工出宽度略大于低温脉动热管尺寸的凹槽，然后将第一传热铜板和第二传热铜板分别与低温脉动热管的蒸发段和冷凝段焊接在一起，低温脉动热管与凹槽之间的缝隙填满焊锡，以减小热阻保证良好的热接触。

需要说明的是，为了避免弯管时毛细管发生憋管，使管内部通道堵塞，需要保证相邻两管的最小间距。

在一个实施例中，低温脉动热管的蒸发段和冷凝段分别设有薄膜加热器，可通过控制电流和电压改变输入功率，其中蒸发段的薄膜加热器用于对低温脉动热管的蒸发段进行加热，冷凝段的薄膜加热器用于对低温脉动热管的冷凝段进行温度控制。

在一个实施例中，低温脉动热管的绝热段材料为石英玻璃或Pyrex玻璃，蒸发段和冷凝段的材料为铜管或不锈钢管。玻璃毛细管两端分别与金属毛细管的蒸发段和冷凝段连接，采用刀口法兰和铟丝密封的方式，在玻璃毛细管上加工出凸台，刀口法兰上加工出密封槽放置铟丝，以玻璃作为密封面，从凸台两侧用螺栓压紧法兰，以获得较好的密封效果。

进一步地，螺栓和刀口法兰之间设置弹簧垫圈。通过弹簧垫圈缓解刀口法兰、玻璃毛细管、铜管以及紧固螺钉之间因低温下热胀系数不同产生的膨胀、收缩的影响，进一步提高密封性能和耐压能力。

根据本实用新型的一个实施例，所述冷凝段一端的两个所述毛细管端口与三通接头的两个端口连接，所述三通接头的另一个端口与所述充注***连接。

具体来说，毛细管折弯成型后会留有两个端口，本实用新型将两个端口留在了冷凝段一侧，并且设置了三通接头，将毛细管的两个端口与三通接头的两个端口对接，三通接头的另一个端口则与充注***连接，形成封闭的低温脉动热管。

根据本实用新型的一个实施例，所述充注***包括：缓冲罐、气体罐和充注管；

所述充注管的一端分别与所述缓冲罐、所述气体罐连接，另一端与所述三通接头连接。

具体来说，通过缓冲罐、气体罐和充注管的设置，实现了对低温脉动热管的工质充注。

根据本实用新型的一个实施例，所述抽真空***包括：第一真空泵和第二真空泵；

所述第一真空泵与所述充注管连接，用于实现所述低温脉动热管内部的高真空环境；

所述第二真空泵通过真空管与所述真空罩连接，用于实现所述真空罩内部的高真空环境。

根据本实用新型的一个实施例，所述光源为冷光元件，所述采集装置为摄像机；

其中，所述光源与所述采集装置，与对应的所述可视化光学窗口之间，设置有低透光率的罩体结构，用于减少所述真空罩内部的辐射散热。

具体来说，光源和采集装置在真空罩外部，贴近可视化光学窗口设置，并且采用了背侧打光的形式，即，将光源和采集装置对称设置于真空罩的两侧。在光源和采集装置分别到可视化光学窗口的路径上还设置了罩体结构，用于减小了环境光对真空罩内部的辐射漏热。

在一个实施例中，光源可以采用大功率LED频闪灯冷光源，其触发信号采用摄像机的同步输出触发信号，或者采用单孔氙气灯医用冷光源，摄像机采用CCD高速摄像机，用于以一定频率拍摄所述低温脉动热管的工质运行状态。

在一个实施例中，罩体结构可以为低透光率的黑色遮挡布。

在一个实施例中，采集***还包括温度采集模块、压力采集模块、数据采集仪器和个人计算机。温度采集模块用于采集低温脉动热管的瞬时温度值，压力采集模块用于采集低温脉动热管的压力值。低温脉动热管的瞬时温度值和压力值等被测参数，以及摄像机拍摄的图像，均经过数据采集仪器输入个人计算机进行监测、存储、计算，以便后期的数据分析使用。

进一步地，温度采集模块采用铂电阻温度计，置于低温脉动热管蒸发段和冷凝段铜板上并涂抹Apiezon N低温真空导热胶保证两者良好的热接触。安装时，将引线粘在测温铜板表面作为热沉线。

根据本实用新型的一个实施例，还包括角度调节装置，用于调节所述真空罩的角度；

所述角度调节装置包括：

架体，设置于所述真空罩的外部，用于支撑所述真空罩；

转动杆，分别与所述架体和所述真空罩连接，设置为所述真空罩的转动中心；

吊耳，设置于所述真空罩的外侧。

具体来说，通过角度调节装置的设置，能够实现对可视化低温脉动热管实验装置倾斜角度的调整，可以将可视化低温脉动热管实验装置调整到所需要的角度。

在一个实施例中，角度调节装置还包括角度盘，以及设置于角度盘上的刻度，通过角度盘与刻度之间的位置关系，可以直观的判断可视化低温脉动热管实验装置倾斜的角度。

根据本实用新型的一个实施例，使用30层以上的高真空多层绝热材料(MLI)包裹在需要减小辐射漏热的位置，具体包括：防辐射罩、第一传热铜板、第二传热铜板、制冷机冷头和导热热桥的外表面。

本实用新型实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：本实用新型提供的实验装置，通过对应的可视化光学窗口能够对低温脉动热管的两相流流动过程进行观察和记录，其工作特性也可以进行连续测量分析和可视化观测。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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。

图1是本实用新型实施例提供的可视化低温脉动热管实验装置中，各部件的布置示意图；

图2是本实用新型实施例提供的可视化低温脉动热管实验装置中，各部件的装配关系第一示意图；

图3是本实用新型实施例提供的可视化低温脉动热管实验装置中，各部件的装配关系第二示意图；

图4是本实用新型实施例提供的可视化低温脉动热管实验装置中，各部件的装配关系第三示意图；

图5是本实用新型实施例提供的可视化低温脉动热管实验装置中，低温脉动热管、导热热桥和三通接头的装配关系示意图；

图6是本实用新型实施例提供的可视化低温脉动热管实验装置中，低温脉动热管、导热热桥和三通接头的装配关系***示意图；

图7是本实用新型实施例提供的可视化低温脉动热管实验装置中，玻璃毛细管和金属毛细管的装配关系示意图；

图8是本实用新型实施例提供的可视化低温脉动热管实验装置中，各部件的装配关系第四示意图；

图9是本实用新型实施例提供的可视化低温脉动热管实验装置中，各部件的装配关系第五示意图。

附图标记：

1：真空罩；101：可视化光学窗口；102：法兰盘；103：吊装杆；

2：防辐射罩；201：通孔；

3：低温脉动热管；301：蒸发段；302：绝热段；303：冷凝段；304：第一传热铜板；305：第二传热铜板；306：凹槽；

4：光源；5：采集装置；6：制冷机；7：导热热桥；8：三通接头；9：缓冲罐；10：气体罐；11：充注管；12：第一真空泵；13：第二真空泵；14：真空管；15：架体；16：转动杆；17：吊耳；18：角度盘；19：刀口法兰；20：凸台；21：薄膜加热器；22：玻璃固定件；23：固定框；24：调节板；25：调节杆。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本实用新型的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本实用新型的概念。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

图1是本实用新型实施例提供的可视化低温脉动热管实验装置中，各部件的布置示意图。主要用来展示本实用新型可视化低温脉动热管3实验装置各部件之间的相对位置关系。从图1中可以看出真空罩1内部设置有防辐射罩2，防辐射罩2内部设置有低温脉动热管3，其中防辐射罩2被吊装杆103吊装在真空罩1的法兰盘102上，法兰盘102上还设置有制冷机6，制冷机6通过导热热桥7与防辐射罩2内部的低温脉动热管3连接。

进一步地，真空罩1上还对称设置有可视化光学窗口101，在防辐射罩2上对应可视化光学窗口101设置有通孔201，光源4和采集装置5分别居于真空罩1两侧，对应可视化光学窗口101设置。

进一步地，第二真空泵13通过真空管14与真空罩1内部连接，实现真空罩1内部的高真空，第一真空泵12通过充注管11与低温脉动热管3连接，用于实现低温脉动热管3内部的高真空。

需要说明的是，高真空是指压强在1×10^-3Pa以下，在低温领域一般都以这个值为标准，低于这个值时气体导热非常小，可以忽略不计。

进一步地，从图1中可以看出，充注管11一端与低温脉动热管3连接，另一端分别与第一真空泵12、缓冲罐9和气体罐10连接，这里省略了在充注管11上设置的各种阀体，阀体在充注管11上的设置以及工作原理可以参考本领域内的常规设置方式，为了节约篇幅，在此不做过多的赘述。

需要说明的是，在图1中，光源4与对应的可视化光学窗口101之间，以及采集装置5与对应的可视化光学窗口101之间，均设置有低透光率的罩体结构，为了便于观察，图1中将此部分结构进行了省略，低透光率的罩体结构用于减小室温环境通过可视化光学窗口101对真空罩1内部低温环境的辐射漏热，此部分设置可以理解为在光源4和采集装置5分别到对应的可视化光学窗口101的路径上，设置遮光结构。

还需要说明的是，本实用新型可更换不同管径、不同充液率、不同倾斜角、不同加热量、不同绝热段302长度、不同回路数、不同工质的低温脉动热管3，对不同的低温脉动热管3两相流流动过程进行连续测量分析和可视化观测。

图2是本实用新型实施例提供的可视化低温脉动热管实验装置中，各部件的装配关系第一示意图。主要从轴侧视图的角度展示了本实用新型提供的可视化低温脉动热管3实验装置。从图2中可以看出，真空罩1的外部设置有架体15，架体15上设置有角度盘18，用来直观的读取真空罩1倾斜的角度。真空罩1上对称设置有两个可视化光学窗口101以及吊耳17。真空罩1上设置有法兰盘102，法兰盘102上设置有制冷机6以及KF真空接头、航空插头等相应的其他辅助设备。

图3是本实用新型实施例提供的可视化低温脉动热管实验装置中，各部件的装配关系第二示意图。主要从轴侧剖视图的角度展示了本实用新型提供的可视化低温脉动热管3实验装置。从图3中可以看出，真空罩1内部设置有悬空的防辐射罩2，防辐射罩2通过吊装杆103与法兰盘102实现连接。制冷机6的冷头通过导热热桥7与防辐射罩2以及防辐射罩2内的低温脉动热管3实现连接。

进一步地，真空罩1外部设置有角度盘18和转动杆16，真空罩1可绕转动杆16实现转动，角度盘18用于观察真空罩1旋转的角度。

需要说明的是，转动杆16与真空罩1之间还设置有轴承、轴承座等一类的结构，为了节约篇幅，在此处没有进行过多的赘述，具体设置可参考本领域中的常规设计。

进一步地，从图2中可以看出，低温脉动热管3的高度对应可视化光学窗口101，其中低温脉动热管3包括一端可视化的透明管，此部分在可视化光学窗口101的可视化范围内。

图4是本实用新型实施例提供的可视化低温脉动热管实验装置中，各部件的装配关系第三示意图。主要用来展示低温脉动热管3、导热热桥7、充注管11、制冷机6、转动杆16和角度盘18之间的位置关系，其他部分在图4中做了省略处理。从图4中可以看出，导热热桥7分别连接制冷机6的冷头和低温脉动热管3。

进一步地，充注管11自法兰盘102的外部深入至低温脉动热管3处，实现与低温脉动热管3的连接。

图5是本实用新型实施例提供的可视化低温脉动热管实验装置中，低温脉动热管3、导热热桥7和三通接头8的装配关系示意图。主要用来展示低温脉动热管3的具体结构，以及低温脉动热管3与导热热桥7之间的连接关系。从图5中可以看出，低温脉动热管3包括蒸发段301、绝热段302、冷凝段303、第一传热铜板304和第二传热铜板305。其中蒸发段301与第一传热铜板304通过焊锡固定，在竖直方向设置于低温脉动热管3的底部。冷凝段303与第二传热铜板305通过焊锡固定，在竖直方向设置于低温脉动热管3的顶部。绝热段302设置于蒸发段301和冷凝段303之间。

进一步地，蒸发段301与绝热段302、冷凝段303与绝热段302之间的连接，是通过刀口法兰19实现的。

进一步地，低温脉动热管3是通过一根毛细管折弯形成的至少一个回路型管式脉动热管，其中绝热段302为玻璃管，蒸发段301和冷凝段303为金属管。

进一步地，由于低温脉动热管3是通过一根毛细管折弯形成，自然存在两个自由的端口，在本实用新型中，将两个自由端口设置于冷凝段303一侧，并通过三通接头8实现连接。三通接头8的两个端口分别与低温脉动热管3的两个自由端口连接，三通接头8的另一个端口与充注管11连接，实现对低温脉动热管3内的工质充注。

图6是本实用新型实施例提供的可视化低温脉动热管实验装置中，低温脉动热管3、导热热桥7和三通接头8的装配关系***示意图。主要将低温脉动热管3的具体结构，以及低温脉动热管3与导热热桥7的连接关系进行了分体展示。从图6中可以看出，低温脉动热管3的第一传热铜板304和第二传热铜板305上分别设置有凹槽306，凹槽306用于固定蒸发段301和冷凝段303。为了保证良好的热接触、减小热阻，低温脉动热管3与凹槽306之间的缝隙填满焊锡，之后将第一传热铜板304和第二传热铜板305分别与低温脉动热管3的蒸发段301和冷凝段303焊接在一起。

需要说明的是，图6中还包括分别与第一传热铜板304和第二传热铜板305连接的玻璃固定件22，玻璃固定件22的材质为G10玻璃钢，能够承受极大的压力而不会被破坏进而导致变形，同时具有较低的导热率。低温脉动热管的绝热段302是玻璃材质制成，受力易碎，通过采用由G10玻璃钢制成的玻璃固定件22来连接第一传热铜板304和第二传热铜板305，进而实现对低温脉动热管的固定，防止玻璃破碎。

图7是本实用新型实施例提供的可视化低温脉动热管实验装置中，玻璃毛细管和金属毛细管的装配关系示意图。图7中进行了剖面展示，在此对其他部分进行了省略，但不应理解为此处不清楚或表达不准确，此处的刀口法兰19在图3至图6中均有表达，图7仅仅是将其中一个刀口法兰19进行了剖面处理，其余刀口法兰19在此处的设置也均相同。

进一步地，从图7中可以看出，刀口法兰19的剖面视图中，蒸发段301与绝热段302相抵，其中绝热段302与蒸发段301的配合处设置有凸台20，刀口法兰19上加工出密封槽放置铟丝，用螺栓压紧凸台20与刀口法兰19，实现绝热段302与蒸发段301的密封。绝热段302与冷凝段303的连接关系中，设置也是如此。

图8和图9是本实用新型实施例提供的可视化低温脉动热管实验装置中，各部件的装配关系第四、五示意图。主要从轴侧视图的角度展示了本实用新型提供的可视化低温脉动热管3实验装置。从图8和图9中可以看出，真空罩1的外部设置有架体15，架体15上设置有角度盘18，用来直观的读取真空罩1倾斜的角度。真空罩1上对称设置有可视化光学窗口101以及吊耳17。真空罩1上设置有法兰盘102，法兰盘102上设置有制冷机6以及KF真空接头、航空插头等相应的其他辅助设备。

具体来说，为了能够适应不同的观察范围，可以在可视化光学窗口101与防辐射罩2之间设置有升降装置。升降装置包括对称设置的两块调节板24，以及与调节板24连接的固定框23和调节杆25，通过调节杆25实现调节板24在真空罩1内的高度调节，进而实现对可视化光学窗口101的可视化范围调节。

需要说明的是，固定框23包括外层框架和内层框架，以及设置于外层框架和内层框架之间的G10玻璃钢，G10玻璃钢用于防止用于绝热的，减小热传导。

进一步地，调节板24为铜板，调节板24由高真空多层绝热材料包覆，根据需求留出必要的观察孔，该观察孔面积小于可视化光学窗口101的面积，通过调节杆25上下移动观察孔实现低温脉动热管3的绝热段302不同位置的观察和拍摄，同时大部分窗口引进的热辐射被铜板阻挡，实现可视化的同时最大限度降低辐射漏热。当调节板24上未开观察孔时，相当于常规的低温脉动热管试验台，可进行低温脉动热管的常规热性能实验。

还需要说明的是，调节杆25对调节板24的调节可以是自动或手动调节，调节杆25与法兰盘102的外侧连接处可以设置有气缸或者液缸或者手动调节装置。

总的来说，本实用新型提供的实验装置，通过对应的可视化光学窗口101能够对低温脉动热管3的两相流流动过程进行观察和记录，其工作特性也可以进行连续测量分析和可视化观测。也解决了可视化窗口引起辐射漏热较大使得低温环境难以维持的问题。还解决了可视化元件低温下与金属连接材料热膨胀系数相差大带来的结构强度和工质泄露问题，以及低温脉动热管3可视化管段强度不够易破裂的问题。

进一步地，本实用新型通过采用带防辐射罩2的真空多层绝热方式，在布置防辐射罩2和多层绝热材料时只留出必要光学通路；在可视化光学窗口101和低温脉动热管3的绝热段302玻璃毛细管表面镀红外反射材料涂层；光源4和摄像机与可视化光学窗口101之间分别用低透光率的罩体结构；同时通过大冷量制冷机6带走可视化光学窗口101引入的辐射漏热等多种措施，解决了低温可视化辐射漏热较大的问题。

进一步地，利用本实用新型提供的实验平台，低温脉动热管3的工作流动状态可以通过对应的可视化光学窗口101进行观察和记录，可以同时监测工质的运行状态与运行参数，实现低温脉动热管3两相流流动过程的可视化，可用于研究低温脉动热管3工质热-水动力学特性、气液相变和流型转化，分析气泡生长对***运行及振荡特性的影响，以及管径、充液率、倾斜角、加热量、绝热段302长度、回路数等多种参数对低温脉动热管3流体运动和传热的影响。

进一步地，本实用新型中采用低温制冷机6作为冷源，能够为研究更宽工作温区低温工质的低温脉动热管3提供冷却。通过调节工质充液率和/或调节低温脉动热管3冷凝器温度，能够调节和改变低温脉动热管3工作过程中的饱和压力和温度，进行不同工况下的研究。

此外，本实用新型的可视化方式与内窥镜式和电容层析成像法等其他低温可视化方法相比，具有结构简单，易于操作，成像直观，可靠性高的优点。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。

在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在一个具体实施方案中，如图1所示，本实用新型提供一种可视化低温脉动热管实验装置，包括：可视化低温绝热***、低温脉动热管3、充注***、抽真空***和采集***；可视化低温绝热***包括真空罩1，以及设置于真空罩1内的防辐射罩2，真空罩1的侧壁设置有可视化光学窗口101；低温脉动热管3设置于防辐射罩2围成的腔室内；充注***设置于真空罩1外部，通过延伸至真空罩1内的管路与低温脉动热管3连接，用于向低温脉动热管3充注工质；抽真空***分别与真空罩1和低温脉动热管3连接，用于实现真空罩1和低温脉动热管3内的高真空环境；采集***包括对应可视化光学窗口101，分别设置于真空罩1两侧的光源4和采集装置5。

在一个实施例中，两个可视化光学窗口101设置在真空罩1两侧，正对低温脉动热管3，处于同一水平高度，形成穿过低温脉动热管3绝热段302的光学通路。可视化光学窗口101采用螺纹法兰和O圈密封的方式。带有外螺纹的不锈钢圆管与真空罩1通过焊接连接，不锈钢圆管顶部加工出一个凹形台和O圈槽，用于放置O圈和石英玻璃，通过螺纹法兰将石英玻璃锁紧密封，同时在石英玻璃与螺纹法兰之间安装一个0.5mm厚的聚四氟材质的环形薄片，防止在紧固密封石英玻璃时破坏石英玻璃，影响密封效果。螺纹连接使得装置可拆卸，便于更换透明玻璃，提高装置的使用寿命。

在一个具体实施方案中，如图1至图4所示，本实用新型提供一种可视化低温脉动热管实验装置，真空罩1的上部设置有法兰盘102，法兰盘102上设置有制冷机6，制冷机6的冷头通过导热热桥7与低温脉动热管3连接，导热热桥7与防辐射罩2连接。

具体来说，通过导热热桥7将制冷机6、低温脉动热管3与防辐射罩2连接，用于传导制冷机冷量，使低温脉动热管3和防辐射罩2温度保持在低温温区。

需要说明的是，低温脉动热管3、制冷机6、防辐射罩2和导热热桥7之间的接触表面需打磨光滑，并设置有铟片和涂抹Apiezon N真空导热胶，用于减小接触热阻，增强导热效果。

在一个实施例中，真空罩1为不锈钢制成的筒状结构，下部采用焊接密封，上部与法兰盘102为可拆卸连接，并且真空罩1与法兰盘102之间采用密封圈和真空密封胶实现密封。

在一个实施例中，防辐射罩2为紫铜或者铝制成的筒状结构。

在一个实施例中，制冷机6可以是脉冲管制冷机6、斯特林制冷机6、GM制冷机6或其它低温制冷机6，与法兰盘102固定连接。

在一个实施例中，导热热桥7为紫铜或铝材料制成，其上开设有与制冷机6的冷头和低温脉动热管3连接的螺纹孔。

在一个实施例中，如图1至图4所示，可视化低温绝热***还包括：吊装杆103，分别与防辐射罩2和法兰盘102连接；通孔201，设置于防辐射罩2上；其中，吊装杆103将防辐射罩2吊装至通孔201内，并与可视化光学窗口101相对应。

具体来说，通过吊装杆103将防辐射罩2吊装在真空罩1内，这样设置进一步减少了制冷机6的冷头受到的应力，防止应力变形进而影响制冷机6的工作。

在一个实施例中，为了增加吊装杆103的强度，本实施例的吊装杆103由不锈钢材料制成。

在一个实施例中，为了减少吊装杆103的固体传导漏热，本实施例的吊装杆103设置为薄壁的空心结构，并在管壁上开设气孔，在抽真空的过程中，将管壁内的气体抽出，消除气体漏热的问题。

在一个实施例中，如图1至图4所示，可视化光学窗口101的表面镀有红外反射材料涂层。

具体来说，通过在可视化光学窗口101的表面镀上红外反射材料制成的涂层，减小了环境光对真空罩1内部的辐射漏热。

需要说明的是，本实施例采用高真空多层绝热的方式，在低温环境中实现绝热，需要减少对流、热传导、辐射，从3个方面来减小漏热，配合低温制冷机实现低温，高真空只是减小了空气对流，还需要防辐射罩2和多层绝热复合材料减少热辐射、吊装杆103的截面积减小来减小导热。

在一个实施例中，两个可视化光学窗口101对称设置于真空罩1的两侧，与低温脉动热管3的可视化部分处于同一水平高度，形成穿过低温脉动热管3可视化部分的光学通路，此外，可视化光学窗口101与真空罩1之间采用螺纹、法兰和密封圈实现密封。

在一个具体实施方案中，如图1至图7所示，本实用新型提供一种可视化低温脉动热管实验装置，低温脉动热管3包括：主要由毛细管折弯形成沿真空罩1轴向，自上而下设置的冷凝段303、绝热段302和蒸发段301；第一传热铜板304，用于固定蒸发段301；第二传热铜板305，用于固定冷凝段303，并与导热热桥7连接；其中，绝热段302为表面镀红外反射材料涂层的玻璃毛细管，蒸发段301和冷凝段303为金属毛细管；第一传热铜板304和第二传热铜板305上设置有，用于固定蒸发段301和冷凝段303的凹槽306；绝热段302至少部分对应可视化光学窗口101设置。

具体来说，低温脉动热管3由毛细管弯折制成至少1个回路型管式脉动热管，低温脉动热管3包括蒸发段301，绝热段302和冷凝段303，其中绝热段302为玻璃管，蒸发段301和冷凝段303为金属管。

进一步地，低温脉动热管3竖直放置，冷凝段303位于最上端，蒸发段301位于最底端。

进一步地，第一传热铜板304和第二传热铜板305结构类似，均是在板面上加工出宽度略大于低温脉动热管3尺寸的凹槽306，然后将第一传热铜板304和第二传热铜板305分别与低温脉动热管3的蒸发段301和冷凝段303焊接在一起，低温脉动热管3与凹槽306之间的缝隙填满焊锡，以减小热阻保证良好的热接触。

在一个实施例中，低温脉动热管3的蒸发段301和冷凝段303分别设有薄膜加热器21，可通过控制电流和电压改变输入功率，其中蒸发段301的薄膜加热器21用于对低温脉动热管3的蒸发段301进行加热，冷凝段303的薄膜加热器21用于对低温脉动热管3的冷凝段303进行温度控制。

在一个实施例中，如图7所示，低温脉动热管3的绝热段302材料为石英玻璃或Pyrex玻璃，蒸发段301和冷凝段303的材料为铜管。玻璃毛细管两端分别与金属毛细管的蒸发段301和冷凝段303连接，采用刀口法兰19和铟丝密封的方式，在玻璃毛细管上加工出凸台20，刀口法兰19上加工出密封槽放置铟丝，以玻璃作为密封面，从凸台20两侧用螺栓压紧法兰，以获得较好的密封效果。

需要说明的是，玻璃毛细管和金属毛细管的内径需满足下式：

其中，σ为工质的表面张力；

ρ_L为液态工质在饱和温度时的密度；

ρ_V为气态工质在饱和温度时的密度；

g为重力加速度。

本例工质为氮，内径取值在0.5～2mm之间。

玻璃毛细管再用耐高压高精度玻璃管，玻璃毛细管和金属毛细管耐压0.5MPa。

进一步地，螺栓和刀口法兰19之间设置弹簧垫圈。通过弹簧垫圈缓解刀口法兰19、玻璃毛细管、铜管以及紧固螺钉之间因低温下热胀系数不同产生的膨胀、收缩的影响，进一步提高密封性能和耐压能力。

需要说明的是，利用刀口法兰19配合铟丝密封，解决了低温可视化***低温下密封困难的问题。通过弹簧垫圈缓解刀口法兰19、玻璃毛细管、铜管以及紧固螺钉之间因低温下热胀系数不同产生的膨胀、收缩的影响，进一步提高密封性能和耐压能力。

还需要说明的是，低温脉动热管3的蒸发段301和冷凝段303之间设置G10复合材料固定连接，提升整体强度，防止绝热段302石英玻璃管破碎，采用G10复合材料加固低温脉动热管3，解决了可视化玻璃元件强度不够易碎的问题。

在一个实施例中，如图5和图6所示，冷凝段303一端的两个毛细管端口与三通接头8的两个端口连接，三通接头8的另一个端口与充注***连接。

具体来说，毛细管折弯成型后会留有两个端口，本实用新型将两个端口留在了冷凝段303一侧，并且设置了三通接头8，将毛细管的两个端口与三通接头8的两个端口对接，三通接头8的另一个端口则与充注***连接，形成封闭的低温脉动热管3。

在一个具体实施方案中，如图1至图4所示，本实用新型提供一种可视化低温脉动热管实验装置，充注***包括：缓冲罐9、气体罐10和充注管11；充注管11的一端分别与缓冲罐9、气体罐10连接，另一端与三通接头8连接。

具体来说，通过缓冲罐9、气体罐10和充注管11的设置，实现了对低温脉动热管3的工质充注。

在一个实施例中，如图1所示，抽真空***包括：第一真空泵12和第二真空泵13；第一真空泵12与充注管11连接，用于实现低温脉动热管3内部的高真空环境；第二真空泵13通过真空管14与真空罩1连接，用于实现真空罩1内部的高真空环境。

具体来说，通过设置第一真空泵12和第二真空泵13，实现了低温脉动热管3和真空罩1内的高真空环境。

在一个实施例中，如图1所示，光源4为冷光元件，采集装置5为摄像机；其中，光源4与采集装置5，与对应的可视化光学窗口101之间，设置有低透光率的罩体结构，用于减少真空罩1内部的辐射散热。

具体来说，光源4和采集装置5在真空罩1外部，贴近可视化光学窗口101设置，并且采用了背侧打光的形式，即，将光源4和采集装置5对称设置于真空罩1的两侧。在光源4和采集装置5分别到可视化光学窗口101的路径上还设置了罩体结构，用于减小了环境光对真空罩1内部的辐射漏热。

在一个实施例中，光源4可以采用大功率LED频闪灯冷光源4，其触发信号采用摄像机的同步输出触发信号，或者采用单孔氙气灯医用冷光源4，摄像机用于以一定频率拍摄低温脉动热管3的工质运行状态。

在一个实施例中，罩体结构可以为低透光率的黑色遮挡布。

在一个实施例中，采集***还包括温度采集模块、压力采集模块、数据采集仪器和个人计算机。温度采集模块用于采集低温脉动热管3的瞬时温度值，压力采集模块用于采集低温脉动热管3和缓冲罐9的压力值。低温脉动热管3的瞬时温度值和压力值等被测参数，以及摄像机拍摄的图像，均经过数据采集仪器输入个人计算机进行监测、存储、计算，以便后期的数据分析使用。

需要说明的是，压力采集模块包括分别与缓冲罐9和充注管11连接的压力传感器，用于计算充液率和监测测点的工质压力。

具体地，根据下式计算低温脉动热管3的充液率：

其中，V₁为缓冲罐9内部的体积；

V_PHP为脉动热管内部总体积；

P₁为降温过程开始前缓冲罐9内部压力；

P_1*为降温过程完成后缓冲罐9内部压力；

ρ_L和ρ_V分别是液态工质和气态工质在饱和温度时的密度；

T₁为室温；

R为理想气体常数。

进一步地，温度采集模块采用铂电阻温度计，置于低温脉动热管3蒸发段301和冷凝段303铜板上并涂抹Apiezon N低温真空导热胶保证两者良好的热接触。安装时，将引线粘在测温铜板表面作为热沉线。

在一个具体实施方案中，如图2至图4所示，本实用新型提供一种可视化低温脉动热管实验装置，为研究倾斜角对脉动热管的影响，需要在实验中变换脉动热管放置角度，为此设计了一套可改变倾斜角的角度装置。角度调节装置包括：架体15，设置于真空罩1的外部，用于支撑真空罩1；转动杆16，分别与架体15和真空罩1连接，设置为真空罩1的转动中心；吊耳17，设置于真空罩1的外侧。

具体来说，通过角度调节装置的设置，能够实现对可视化低温脉动热管3实验装置倾斜角度的调整，可以将可视化低温脉动热管3实验装置调整到所需要的角度。

在一个实施例中，角度调节装置还包括角度盘18，以及设置于角度盘18上的刻度，通过角度盘18与刻度之间的位置关系，可以直观的判断可视化低温脉动热管3实验装置倾斜的角度。

在一个应用场景中，使用30层以上的高真空多层绝热材料(MLI)包裹在需要减小辐射漏热的位置，具体包括：防辐射罩2的外表面、低温脉动热管3冷凝段303的第二传热铜板305和蒸发段301的第一传热铜板304外表面、制冷机6冷头、导热热桥7。

在本应用场景中，选用的是杭州富士达特种材料公司生产的低温绝热多层复合材料，该产品使用双面镀铝的涤纶薄膜做反射屏，间隔材料为化纤薄膜。为了减小实验过程中高真空多层绝热材料(MLI)放气对真空度的影响，在使用前需要进行烘干预处理，以去除多层材料中的水分和油脂等杂物。多层材料上扎孔便于抽气，开孔数量不能过多，否则会减少有效辐射面积，影响绝热性能。

进一步地，在防辐射罩2和多层镀铝涤纶薄膜上对应可视化光学窗口101区域设置开口，保证光源4的光线顺利射向低温脉动热管3，并使高速摄像机能够顺利摄录低温脉动热管3内部的气液流动过程。

在一个实施例中，如图8和图9所示，本实施例提供的一种可视化低温脉动热管实验装置，真空罩1的外部设置有架体15，架体15上设置有角度盘18，用来直观的读取真空罩1倾斜的角度。真空罩1上对称设置有可视化光学窗口101以及吊耳17。真空罩1上设置有法兰盘102，法兰盘102上设置有制冷机6以及KF真空接头、航空插头等相应的其他辅助设备。

在一个应用场景中，本应用场提供本实用新型一种可视化低温脉动热管实验装置的一种实验过程，具体如下：

S1.准备过程：可视化装置各部件按图1进行连接和装配，实验前使用氦质谱检漏仪对装置进行真空检漏，包括真空罩1、低温脉动热管3、充注管11和缓冲罐9。在确保室温真空度满足实验要求后，开启第一真空泵12对真空罩1抽真空至1×10^-4Pa。

S2.吹扫纯化过程：打开缓冲罐9和第一真空泵12的阀门，关闭气体罐10的阀门，开启第二真空泵13将低温脉动热管3、缓冲罐9和充注管11抽真空；然后打开缓冲罐9和气体罐10的阀门，关闭第一真空泵12的阀门。气体罐10的阀门打开后99.999％高纯氮气充注入低温脉动热管3，充注管11和缓冲罐9至200kPa左右。重复上述过程5次完成吹扫纯化过程。

S3.充注过程：根据充液率的计算公式，估算出需要的初始充气压力，然后打开阀门缓冲罐9和气体罐10的阀门关闭第一真空泵12的阀门。打开气体罐10的阀门充入氮气至压力传感器显示达到预定压力时，关闭气体罐10的阀门，启动制冷机6进行降温，在此过程中，当压力传感器显示达到预定压力时关闭阀门缓冲罐9的阀门，使得缓冲罐9和气体罐10均被关闭。在降温过程结束，低温脉动热管3温度稳定之后，再对充液率进行精确计算。

S4.实验过程：调整角度装置，将脉动热管放置在指定的倾斜角度，进行低温脉动热管3性能相关实验。通过控制及数据采集***采集测点的动态温度和压力数据，通过高速摄像机以一定频率拍摄可视化管段气液塞运行情况。

S5.数据分析：实验结束后，根据控制及数据采集***采集的数据结合高速摄像机拍摄的气液塞运行情况、气液相变和流型转变进行实验的结果计算与数据分析。

步骤S4中，低温脉动热管3的实验方案可以为：

1、通过调节工质充液率和/或调节低温脉动热管3的冷凝器温度，能够调节和改变低温脉动热管3工作过程中的饱和压力和温度，进行不同工况下的研究。观察不同充液率下低温脉动热管3管内气液初始分布情况和启动后的工作情况。

2、逐级加大蒸发段301加热功率，根据控制及数据采集***采集的数据和高速摄像机拍摄的气液塞运行情况，研究加热功率对低温脉动热管3传热性能和热-水动力学特性、气液相变和流型转化的影响。

3、通过输入瞬时加热功率，模拟超导磁体失超工况，研究低温脉动热管3的瞬态热特性。

4、通过调节低温脉动热管3角度，研究重力对低温脉动热管3传热性能和工质流动的影响。

5、对比不同低温脉动热管3管径、绝热段302长度或回路数，不同几何参数的低温脉动热管3，优化脉动热管的设计。

6、在可视化实验中，密切关注低温脉动热管3内发生的多种气液相变形式、流型的变化、流动方向和脉动频率，分析工质流动特性和热-水动力学特性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上实施方式仅用于说明本实用新型，而非对本实用新型的限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围中。

Claims

1.一种可视化低温脉动热管实验装置，其特征在于，包括：

所述低温脉动热管设置于所述防辐射罩围成的腔室内；

所述抽真空***分别与所述真空罩和所述低温脉动热管连接；

2.根据权利要求1所述的一种可视化低温脉动热管实验装置，其特征在于，所述真空罩的上部设置有法兰盘，所述法兰盘上设置有制冷机，所述制冷机的冷头通过导热热桥与所述低温脉动热管连接，所述导热热桥与所述防辐射罩连接。

3.根据权利要求2所述的一种可视化低温脉动热管实验装置，其特征在于，所述可视化低温绝热***还包括吊装杆，分别与所述防辐射罩和所述法兰盘连接；

4.根据权利要求2所述的一种可视化低温脉动热管实验装置，其特征在于，所述低温脉动热管包括：

第一传热铜板，与所述蒸发段通过焊锡固定；

所述绝热段至少部分对应所述可视化光学窗口设置。

5.根据权利要求4所述的一种可视化低温脉动热管实验装置，其特征在于，所述冷凝段一端的两个所述毛细管端口与三通接头的两个端口连接，所述三通接头的另一个端口与所述充注***连接。

6.根据权利要求5所述的一种可视化低温脉动热管实验装置，其特征在于，所述充注***包括：缓冲罐、气体罐和充注管；

7.根据权利要求6所述的一种可视化低温脉动热管实验装置，其特征在于，所述抽真空***包括：第一真空泵和第二真空泵；

8.根据权利要求1-7任一所述的一种可视化低温脉动热管实验装置，其特征在于，所述光源为冷光元件，所述采集装置为摄像机；

其中，所述光源与所述采集装置，与对应的所述可视化光学窗口之间，设置有低透光率的罩体结构，用于减小室温环境通过所述可视化光学窗口对真空罩内部低温环境的辐射漏热。

9.根据权利要求1-7任一所述的一种可视化低温脉动热管实验装置，其特征在于，还包括角度调节装置，用于调节所述真空罩的角度；

所述角度调节装置包括：

架体，设置于所述真空罩的外部，用于支撑所述真空罩；

吊耳，设置于所述真空罩的外侧。

10.根据权利要求4-7任一所述的一种可视化低温脉动热管实验装置，其特征在于，至少30层的高真空多层绝热材料包裹在防辐射罩、第一传热铜板、第二传热铜板、制冷机冷头和导热热桥的外表面。