CN103968878B - 低温脉动热管实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温脉动热管实验装置，包括：一种低温脉动热管实验装置，包括：真空罩；固定在真空罩内的脉动热管，该脉动热管包括冷凝段蒸发段；与真空罩相对固定的制冷机，该制冷机包括一级冷头和二级冷头；所述一级冷头对真空罩内空间进行低温冷却，提供所述脉动热管所需的低温环境；所述二级冷头对脉动热管的冷凝段进行低温冷却，提供冷凝段所需的冷量。与现有技术相比，本发明的主要创新在于，将脉动热管运用于低温下，同时各部件之间采用螺纹连接，拆卸方便，实现了多参数的测试，可以任意改变弯折数、绝热段长度、充液率、加热量以及倾角。

Description

低温脉动热管实验装置

技术领域

本发明涉及低温热传导领域，特别涉及一种针对低温工况下的脉动热管实验装置。

背景技术

脉动热管（PulsatingHeatPipe，简称PHP）是一种新型传热元件，其概念在1990年首次由Akachi提出。脉动热管是蛇形的无芯毛细金属管在冷端和热端之间反复弯折形成的回路，分为蒸发段、绝热段（可以没有）和冷凝段。毛细管内抽成真空然后冲入一定量的工作液体，由于毛细力的作用管内会形成气柱和液塞，通过气柱和液塞的自激励震荡实现潜热和显热的传递。

脉动热管内部无需吸液芯材料，因而结构简单。更为可贵的是，对脉动热管的结构和设计参数进行优化后，其运行性能基本不受重力的影响，因此它可以在微(无)重力场、反重力场等场合下良好运行。这就意味着经过合理设计的脉动热管，可以按照现场需要灵活布置，既可以竖直安装(冷凝端布置在蒸发端的上方或下方)，也可以水平安装，还可以任意弯曲形状以适应环境需要。将它应用于空调系统的排风余热回收，既可保持现有重力式热管及分离式热管换热器的优点，还解决了这两种热管换热器换季需换向的问题。

脉动热管已经在室温下开展了广泛的研究例如文献（纳米流体对脉动热管最佳充液率的影响，纪玉龙、徐陈、苏风民、马鸿斌，工程热物理学报，2012年第33卷第11期1981-1984页，共4页）报道了一种研究纳米流体对脉动热管最佳充液率的影响的实验装置，其结构如该文献中图1所示，该装置仅适于室温下对脉动热管性能的研究。关于这类室温下对脉动热管性能进行研究的装置的报道很多，而在低温下的研究甚少。

传统低温制冷技术主要有低温液体传导冷却法和小型低温制冷机冷却法。随着通信技术、超导技术和半导体技术等先进技术的快速发展，小型低温制冷技术占有主导地位。但小型低温制冷机存在制冷区域小、温度场不均匀等缺点，对于远离制冷机的场合或者大区域制冷的场合如核聚变设备、超导磁能存储（SMES）等不能很好的满足要求，因此需要一种高效的传热方式。

由于脉动热管具有等温性、高热导率以及热流密度可变等优点，低温脉动热管能够很好的解决低温情况下传热方面的问题。所以，提供一种针对低温下脉动热管性能研究的实验装置具有重大战略性意义。

发明内容

本发明提供了一种低温脉动热管实验装置，该装置能够实现低温下对脉动热管运行参数的测试，使得将脉动热管应用于低温制冷领域成为现实，实用性较强。

一种低温脉动热管实验装置，包括：

真空罩；

固定在真空罩内的脉动热管，该脉动热管包括冷凝段、蒸发段；

与真空罩相对固定的制冷机，该制冷机包括一级冷头和二级冷头；

所述一级冷头对真空罩内空间进行低温冷却，提供所述脉动热管所需的低温环境；所述二级冷头对脉动热管的冷凝段进行低温冷却，提供冷凝段所需的冷量。

所述的真空罩用于维持脉动热管尽可能在真空状态下运行，一般需要与真空泵相连。制冷机通过一级冷头对真空罩内空间进行冷却，保证脉动热管在低温下工作。制冷机一级冷头的制冷温度可根据实际需要确定。

当需要温度更低的低温环境时，作为优选，所述真空罩内设有冷屏；所述脉动热管设于所述冷屏内。冷屏作为辅助屏，可以明显的降低辐射热流，有利于形成低温脉动热管运行的低温环境。冷屏一般采用铝或铜材质，便于实现热量的迅速传递。冷屏外通过多层绝热减少漏热。所述的制冷机可选用多种制冷机构，例如可采用两级或多级的GM制冷机或者其他类型的脉管制冷机等。

为实现一级冷头和二级冷头对冷屏和脉动热管冷凝段的冷却，可采用多种方式利用导热件将一级冷头和二级冷头与冷屏和脉动热管冷凝段分别连接。为避免安装导热件时对一级冷头和二级冷头的结构破坏，对制冷性能的不良影响，作为优选，所述一级冷头通过第一铜质编织带与冷屏（S）连接，所述二级冷头通过第二铜质编织带与冷凝段连接。采用铜质编织带传热时，既可以避免使用螺栓等固定结构（此时需要在一级冷头或者二级冷头上设置螺孔或者螺杆结构，将会破坏一级冷头或者二级冷头的整体结构，对制冷性能带来不良影响），也能快速实现热量或冷量的传递。

为便于实现脉动热管的冷凝段和蒸发段的固定和传热，作为优选，所述脉动热管的冷凝段和蒸发段均设有铜板，两个铜板上均设有用于放置脉动热管的冷凝段或蒸发段的凹槽；与冷凝段连接的铜板同时通过第二铜质编织带与所述二级冷头连接。实际安装时，将脉动热管的冷凝段和蒸发段置于相应的铜板内的凹槽内，然后通过焊接等固定方式即可实现对脉动热管的冷凝段和蒸发段的固定。

当采用多层脉动热管时，为便于实现脉动热管的布置和固定，作为优选，所述铜板为U型铜板，U型铜板的两个竖直段的两侧均设有所述的凹槽；所述脉动热管为四排平行设置的四组蛇形管，四组蛇形管形成闭合蛇形回路。蛇形管的总长度可根据实际需要确定，可根据实际需要采用合适的铜板和安装合适数量的蛇形管。蛇形管上一般设有充液口和出液口，便于工质的注入和排出，同时也有利于工质注入前蛇形回路真空的抽取。

为便于蛇形管长度的调整，同时根据不同需要调整蛇形管的结构尺寸，作为优选，所述蛇形管由多个直管、多个U型弯头、以及将直管和U型弯头连成密封回路的多个密封接头。所述直管与U型弯头之间通过所述密封接头螺纹连接。U型弯头一般与铜板相互固定，直管与U型弯头部分一般通过接头螺纹连接，直管部分的长度可根据实际实验要求确定。U型弯头的数量也可根据需要进行调整。

除此之外，U型弯头采用铜毛细管减小焊接难度，直管用不锈钢毛细管减小毛细管壁的传热量。冷凝段铜块通过第二拉杆与冷屏连接，得到支撑。

为减少蛇形管中U型弯头的受力，作为优选，所述两个U型铜板通过第三拉杆相互螺纹固定。

为便于制冷机的安装固定，作为优选，所述真空罩包括板体、以及与板体密封固定的罩体；所述制冷机固定在所述板体上，所述冷屏和脉动热管位于所述罩体内。罩体一般通过法兰结构与板体螺纹固定。

所述冷屏通过第一拉杆与所述板体相互螺纹固定；所述脉动热管的冷凝段通过第二拉杆与所述冷屏螺纹固定。

本发明根据需要还可以设置用于为脉动热管充灌工质的储存罐，通过充液管路等与脉动热管相连，实现对工质的充放。根据脉动热管回路的长度以及充液率确定储存罐的容积。当工质为气态时，所述的储存罐可选择气瓶等。

除此之外，为在确保拉杆强度的同时减小漏热，所述的第一拉杆、第二拉杆和第三拉杆均可采用G10棒材。

与现有技术相比，本发明的主要创新在于，将脉动热管运用于低温下，同时各部件之间采用螺纹连接，拆卸方便，实现了多参数的测试，可以任意改变弯折数、绝热段长度、充液率、加热量以及倾角。

附图说明

图1为本发明的低温脉动热管实验装置示意图（真空罩未示出）。

图2为图1所示的低温脉动热管实验装置去除真空罩和冷屏后的结构示意图。

图3为本发明中的脉动热管单元的主视图。

图4为本发明中的脉动热管单元的侧视图。

上述附图中：GM是GM制冷机；FP1和FP2分别是充液管路；FH是GM制冷机的一级冷头；SH是GM制冷机的二级冷头；LD为脉动热管CP的冷凝段；ZD为脉动热管CP的蒸发段；CC是冷凝段的U型铜板；VCR是密封接头；CP是脉动热管；CE是蒸发段的U型铜块；S是冷屏；DE是真空罩的板体；VA是控制充液的阀门；G1为第一拉杆；G2为第二拉杆；G3为第三拉杆；WO1是与一级冷头连接的第一铜质编织带；WO2是与二级冷头连接的第二铜质编织带；UB是U型弯头；SP是直管；T是三通。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

如图1和图2所示，一种低温脉动热管实验装置，主要包括制冷单元、真空单元、脉动热管单元等。其中制冷单元是以GM制冷机为主体，真空单元主要有真空泵和真空罩，脉动热管单元主要是蛇形管组成的闭环的蛇形回路。

如图1所示，真空罩包括板体DE1、以及与板体DE1密封固定的罩体（为更清楚的体现实验装置的内部结构，图中罩体未示出），板体和罩体之间一般通过法兰结构相互固定，以便于实现真空罩的拆卸；GM制冷机GM固定在板体DE1上，冷屏S和脉动热管CP位于罩体内。板体DE1上设有控制充液的阀门VA，阀门VA与充液管路FP1和充液管路FP2连通。充液管路FP1和充液管路FP2中其中一个为进液管，一个为出液管，进液管与工质储存罐相连。充液管路FP1和充液管路FP2分别通过三通T与脉动热管CP连通，如图4所示。

冷屏S的结构与真空罩类似，也包括板体和罩体，冷屏S采用铝或者铜材质，便于热量的快速传导。冷屏S的板体通过第一拉杆G1与真空罩的板体DE1相互固定，冷屏S的板体通过第二拉杆G2与冷凝段LD所连的U型铜板CC相互固定。GM制冷机的一级冷头FH通过第一铜质编织带WO1与冷屏S的板体连接，实现对冷屏S的冷却。

如图3所示，脉动热管CP的回路是由多个U型弯头UB、多个直管SP和多个密封接头VCR组成，U型弯头UB采用铜毛细管，直管SP采用不锈钢毛细管，密封接头VCR采用了Swagelok的金属面密封机头，多个U型弯头UB、多个直管SP和多个密封接头VCR相互串联组成一组蛇形管，蛇形管内抽真空然后充灌工质。如图4所示，蛇形管共四排，形成闭合蛇形回路，蛇形回路可以任意改变弯折数、绝热段长度、充液率。脉动热管CP的冷凝段LD和蒸发段ZD分别与两个U型铜板焊接在一起。冷凝段LD所连的U型铜板CC通过第二铜质编织带WO2与GM制冷机GM的二级冷头SH连接在一起，蒸发段ZD所连的U型铜板CE与加热片连接，确保脉动热管CP的正常启动。蒸发段ZD和冷凝段LD的U型铜板可以利用第三拉杆G3支撑固定，以减小密封接头VCR以及毛细管的受力。为在确保拉杆强度的同时减小漏热，第一拉杆、第二拉杆和第三拉杆均可采用G10棒材。

如图4所示，U型铜板CC和U型铜板CE的两个竖直段的两侧均设有凹槽；脉动热管CP为四排平行设置的四组蛇形管，四组蛇形管通过连接管形成闭合蛇形回路。

根据脉动热管内部的工质选择是否利用铜屏（冷屏S），例如液氦、液氢等则需要将脉动热管置于铜屏内部以减少漏热，铜屏通过编织带与GM制冷机的一级冷头FH相连。脉动热管通过第二拉杆G2与铜屏顶部法兰相连。然后将铜屏包裹多层绝热，一起置于真空罩内部。铜屏同样通过第一拉杆G1与真空罩的法连相连。由于第一拉杆G1高强度的特性，可以实现整个测试平台倾角的改变。

使用上述实验装置，首先根据实验目的确定需要改变的参数，这些参数包括单不限于脉动热管结构和安装角度等参数、制冷机需要提供的冷量、工质充注量等。确定完上述参数后，对脉动热管抽真空，充入工质液体，运行制冷机，根据需要，通过数据采集单元（一般为计算机）采集不同参数条件下的性能数据。通过数据处理软件，即可得到脉动热管性能数据。

上述实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制。其他的任何未背离本发明实质与原理下所作的改变应为等效置换方式，都包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种低温脉动热管实验装置，其特征在于：包括：

真空罩；

固定在真空罩内的脉动热管（CP），该脉动热管包括冷凝段（LD）、蒸发段（ZD）；

与真空罩相对固定的制冷机，该制冷机包括一级冷头（FH）和二级冷头（SH）；

所述一级冷头（FH）对真空罩内空间进行低温冷却，提供所述脉动热管（CP）所需的低温环境；所述二级冷头（SH）对脉动热管的冷凝段（LD）进行低温冷却，提供冷凝段所需的冷量；

所述真空罩内设有冷屏（S）；所述脉动热管（CP）设于所述冷屏内；

所述一级冷头（FH）通过第一铜质编织带（WO1）与冷屏（S）连接，所述二级冷头（SH）通过第二铜质编织带（WO2）与冷凝段（LD）连接；

所述一级冷头（FH）通过第一铜质编织带（WO1）与冷屏（S）连接，所述二级冷头（SH）通过第二铜质编织带（WO2）与冷凝段（LD）连接；

所述脉动热管（CP）的冷凝段（LD）和蒸发段（ZD）均设有铜板，两个铜板上均设有用于放置脉动热管的冷凝段或蒸发段的凹槽；与冷凝段（LD）连接的铜板同时通过第二铜质编织带（WO2）与所述二级冷头（SH）连接；

所述铜板为U型铜板，U型铜板的两个竖直段的两侧均设有所述的凹槽；所述脉动热管为四排平行设置的四组蛇形管，四组蛇形管形成闭合蛇形回路。

2.根据权利要求1所述的低温脉动热管实验装置，其特征在于：所述蛇形管由多个直管（SP）、多个U型弯头（UB）、以及将直管和U型弯头连成密封回路的多个密封接头（VCR）。

3.根据权利要求2所述的低温脉动热管实验装置，其特征在于：所述直管（SP）与U型弯头（UB）之间通过所述密封接头（VCR）螺纹连接。

4.根据权利要求2所述的低温脉动热管实验装置，其特征在于：所述两个U型铜板通过第三拉杆（G3）相互螺纹固定。

5.根据权利要求1-4任一权项所述的低温脉动热管实验装置，其特征在于：所述真空罩包括板体（DE1）、以及与板体（DE1）密封固定的罩体；所述制冷机固定在所述板体（DE1）上，所述冷屏（S）和脉动热管（CP）位于所述罩体内。

6.根据权利要求5所述的低温脉动热管实验装置，其特征在于：所述冷屏（S）通过第一拉杆（G1）与所述板体（DE1）相互螺纹固定；所述脉动热管（CP）的冷凝段（LD）通过第二拉杆（G2）与所述冷屏（S）螺纹固定。