CN105444596A - 热管相变工质的充装装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热管相变工质的充装装置及其使用方法，包括：工质源模块、工质流动管路模块、控制阀组模块、温度控制模块、加热模块、抽真空模块、工质回收模块。本发明方法采用工质全充装过程加热的方法保证工质处于流动态，能快速高效地将相变工质充装到热管中，解决了相变工质在充注过程中因为凝固造成的管道阻塞、热管中工质无法充满、充装速度慢等问题，保证热管相变工质的充装量；加热充装减小了相变工质热胀冷缩所造成的使用过程中的胀裂等不良现象。以抽真空的方法加快了工质的流动，提高充装速度，减少热管充装前因为存在空气等杂质而造成的腐蚀、气泡等问题。

Description

热管相变工质的充装装置及其使用方法

技术领域

本发明属于航天用槽道型相变热管领域，涉及以相变工质为传热介质的热管，具体地，涉及热管相变工质的充装装置及其使用方法。

背景技术

热管是一种高效强化传热的方法和技术，采用工质在蒸发和冷凝过程中所吸收和释放的大量潜热，以及工质相变后的快速流动来实现小温差、大热量的传热。结构简单、运行稳定、无运动部件、无需外部能量驱动，被广泛应用于各种结构紧凑、散热量大的场合，近年来成为计算机通信领域、航天器热控领域的主要散热方法之一。

根据热管使用的场合对温度要求的不同，热管中所充装的工质的相变温度也不同。热管完成热源热量向冷源的快速传递，热管冷端处于冷源中，在冷源温度下冷凝释放出大量的热量，冷凝后的液态工质通过热管微通道毛细虹吸作用，向热管热源端流动；热管热端处于热源中，在热源所处的温度下蒸发吸收大量的热量，蒸发后的气态制冷剂从气体通道中流回冷端，如此循环实现工质相变温度范围的小温差传热。因此，热管的使用温度取决于其充装的工质的相变温度。对于工作于高温环境的下的热管，需采用沸点较高的工质。

石蜡为热管中常用的一种工质，其中熔点最高的为十八烷，28℃，而十四烷的熔点仅有6℃，充装过程与热管运行过程中会发生相变，对于采用此类工质的热管充装过程因为相变造成了许多问题。此类工质在-10℃到45℃的环境温度下会出现固态，或者是在稍高温度为液态，遇到冷管道时会发生凝固，而热管的充装要求工质处于流动状态。现有仅加热工质源的充装方法在充装过程中经常出现工质在冷管路中凝固堵塞管道的现象，严重影响充装的速率，热管充装量无法得到保证，经常出现多充或少充的现象。为了保证热管在高温工况下使用不会出现胀裂等问题，现有热管充装过程在工质充装完成后，需将热管进行4小时以上的90℃高温烘烤，而充装过程如果工质出现多充现象，在此高温烘烤时热管内部压力会升得较高，出现胀裂等问题，热管质量无法得到保证。热管充装时是用工质将热管内部的空气挤出，此过程无法保证空气中的水分等杂质被排出，而这些残留在热管内部的杂质将影响到热管传热的性能，甚至对热管造成腐蚀等损坏。随着此类高温相变热管的广泛使用，热管充装所存在的这些问题严重影响了热管的制造成本和速度，质量也难以达到要求。

针对相变热管的这些技术难点，公开号为CN103075904A的专利文献提出采用提高相变材料充装时的温度来保证其为液态状态，提高相变材料的充装速度，可以更精确控制相变材料的充装量。但热管中残留的杂质问题尚未得到解决，工质在充装过程中流动需靠提高工质源的压力来保证流动压差。

针对热管相变工质充装过程中尚未得到解决的问题，本发明设计了一种针对在-10℃到45℃的环境温度下会出现固态，需加热到一定温度以上才会熔化的工质的充装装置，能有效提高热管充装的速率，保证热管充装量与热管的可靠性，降低热管充装制造的成本。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种热管相变工质的充装装置及充装方法。

根据本发明提供的一种热管相变工质的充装装置，包括：工质源模块、工质流动管路、控制阀组模块、温度控制模块、加热模块、抽真空模块、工质回收模块；

工质源模块包括：工质容器、相变工质、工质出口；相变工质位于工质容器内，工质容器的出口构成工质出口，工质源模块通过工质出口与工质流动管路连接；

工质流动管路包括：从工质源模块延伸出用于连接到热管接口的管道、从抽真空模块延伸出用于连接到热管接口的管道、从工质回收模块延伸出用于连接到热管接口的管道；

控制阀组模块包括：均安装于工质流动管路的管道上的工质源模块出口处的阀门、抽真空模块进口处的阀门、工质回收模块进口处的阀门、热管接口处的阀门；控制阀组模块通过阀门控制用于相变工质充装过程的切换；

温度控制模块控制各加热模块对工质源模块、工质流动管路、热管进行温度调节；

加热模块包括：加热工质源模块的工质源加热器、加热热管的热管加热平台、加热工质流动管路的加热器；

抽真空模块对热管及加热工质流动管路进行抽真空；

工质回收模块对热管充装后工质流动管路中残留的相变工质进行回收。

根据本发明提供的一种上述的热管相变工质的充装装置的使用方法，包括如下步骤：

第一步：完成热管与热管接口处的阀门的连接，完成抽真空模块(6)与抽真空模块进口处的阀门的连接；

第二步：关闭工质源模块出口处的阀门，打开抽真空模块进口处的阀门、工质回收模块进口处的阀门、热管接口处的阀门；

第三步：打开抽真空模块抽真空至极限真空度后，关闭抽真空模块进口处的阀门；打开工质源加热器、热管加热平台、加热器，分别将工质源模块、热管、工质流动管路加热至设定的温度，所述设定的温度使得相变工质在充注过程中一直处于液态；

第四步：充装热管，具体为：打开工质源模块出口处的阀门，使从工质源模块延伸出用于连接到热管接口的管道内充满相变工质，然后打开热管接口处的阀门充装热管，待相变工质充装完成后关闭热管接口处的阀门；热管充装完成后，取下热管；

第五步：回收相变工质，具体为：关闭工质源模块出口处的阀门，打开工质回收模块进口处的阀门，依靠工质回收模块内部真空将工质流动管路中的相变工质吸走回收。

优选地，还包括如下步骤：

第六步：关闭工质源加热器、热管加热平台、加热器。

优选地，所述热管为航天用槽道相变热管，所采用的相变工质凝固点在在-10℃到45℃的范围内。

优选地，相变工质充装过程的加热温度为热管高温检测所达到的温度，保证充装过程热管中有足够的膨胀量。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明采用全充装过程加热的方式保证相变工质在充装过程中一直处于流动状态，解决了工质遇冷凝固堵塞管路的技术难点，提高了充装的速度，保证了充装量；

2)热管在充装时已被加热到热管所设计的高温，解决了热管在充装后因为升温热胀冷缩而造成的胀裂损坏等问题，提高了热管质量与可靠性；

3)充装过程先对管路和热管进行抽真空处理，处于真空状态的热管可将相变工质快速吸入热管槽道内，提高了充装速度；

4)抽真空处理将热管中的空气等杂质抽出，解决了残留杂质对热管的腐蚀问题，有效提高了热管的可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为热管相变工质充装装置原理图；

图2为热管相变工质充装装置的正视图；

图3为热管充装过程逻辑图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种热管抽真空、工质充装全过程加热的充装装置，通过充装全过程的加热保证工质在流动过程中始终处于流动状态，避免工质的相变与热胀冷缩造成热管使用过程中的损坏；采用抽真空的方法将管路与热管中的空气抽出，以真空将工质吸进热管，提高了工质的充装流动速度，减少热管中残留的杂质。本发明采用全充装过程加热的方法保证工质处于自由流动态

根据本发明提供的一种热管相变工质的充装装置，包括：工质源模块1、工质流动管路、控制阀组模块、温度控制模块4、加热模块、抽真空模块6、工质回收模块7；

工质源模块1包括：工质容器101、相变工质102、工质出口103；相变工质102位于工质容器101内，工质容器101的出口构成工质出口103，工质源模块1通过工质出口103与工质流动管路连接；

工质流动管路包括：从工质源模块1延伸出用于连接到热管接口的管道、从抽真空模块6延伸出用于连接到热管接口的管道、从工质回收模块7延伸出用于连接到热管接口的管道；

控制阀组模块包括：均安装于工质流动管路的管道上的工质源模块出口处的阀门301、抽真空模块进口处的阀门302、工质回收模块进口处的阀门303、热管接口处的阀门304；控制阀组模块通过阀门控制用于相变工质充装过程的切换；

温度控制模块4控制各加热模块对工质源模块1、工质流动管路、热管进行温度调节；

加热模块5包括：加热工质源模块1的工质源加热器501、加热热管的热管加热平台502、加热工质流动管路的加热器503；

抽真空模块对热管及加热工质流动管路进行抽真空；

工质回收模块对热管充装后工质流动管路中残留的相变工质进行回收。

根据本发明提供的一种上述的热管相变工质的充装装置的使用方法，包括如下步骤：

第一步：完成热管801与热管接口处的阀门304的连接，完成抽真空模块6与抽真空模块进口处的阀门302的连接；

第二步：关闭工质源模块出口处的阀门301，打开抽真空模块进口处的阀门302、工质回收模块进口处的阀门303、热管接口处的阀门304；

第三步：打开抽真空模块6抽真空至极限真空度后，关闭抽真空模块进口处的阀门302；打开工质源加热器501、热管加热平台502、加热器503，分别将工质源模块1、热管、工质流动管路加热至设定的温度，所述设定的温度使得相变工质在充注过程中一直处于液态；

第四步：充装热管，具体为：打开工质源模块出口处的阀门301，使从工质源模块1延伸出用于连接到热管接口的管道内充满相变工质，然后打开热管接口处的阀门304充装热管，待相变工质充装完成后关闭热管接口处的阀门304；热管充装完成后，取下热管；

第五步：回收相变工质，具体为：关闭工质源模块出口处的阀门301，打开工质回收模块进口处的阀门303，依靠工质回收模块内部真空将工质流动管路中的相变工质吸走回收。

优选地，还包括如下步骤：

第六步：关闭工质源加热器501、热管加热平台502、加热器503。

优选地，所述热管为航天用槽道相变热管，所采用的相变工质在-10℃到45℃的环境温度下处于固态。

优选地，相变工质充装过程的加热温度为热管高温检测所达到的温度，保证充装过程热管中有足够的膨胀量。

在一个优选的具体实施方式中，以十八烷石蜡为热管相变工质，以两通道热管为被充装热管，充装装置将石蜡加热成为液态，并以液态充装到热管中，每次完成5根热管的充装。如图1所示为热管充装装置的原理图，图2所示为热管充装装置的正视图。包括工质源模块、工质流动管路模块、控制阀组模块、温度控制模块、加热模块、抽真空模块、工质回收模块。其中，工质源模块、控制阀组模块、温度控制模块、加热模块、抽真空模块、工质回收模块均与工质流动管路模块相连，组成整个热管相变工质充装装置。

工质容器下部有出口，并与管道相连，出口在下部能保证工质能更好的流入管道；工质容器内部预埋有热加器，加热器为电加热器。

工质流动管路模块包括连接整个充装装置各模块的管路，在抽真空前，需先将各部件与阀门之间的管路充满工质，以减少抽真空后管路残余空气对充装的影响。

控制阀组模块包括充装过程中控制流程切换的各个阀门，包括工质容器阀门、抽真空模块阀门、回收模块阀门各热管阀门。所有阀门全部采用手动球阀，阀门需保证密封性，抽真空后不泄露。

温度控制模块控制加热模块各部分的加热温度为设定的温度，优选地选用的相变工质石蜡设定温度为95℃，控温精度为±1℃。

抽真空模块选用机械真空泵，能完成整个装置的抽真空过程。

加热模块包括：工质加热器、热管加热器平台、管路加热器。工质加热器预埋在工质容器中，采用电加热；管路加热器包裹在所有流动管路的外围，采用电加热，保证工质在流动过程中的加热；热管加热平台能容纳所有被充装热管，并有热管的固定卡位和压紧把手801，保证热管能紧密的安装在热管加热平台上，充分加热；加热装置预埋在平台内部，采用电加热，保证各个热管安装后能得到充分的加热。所有加热器在温度控制模块的控制下实现95℃，±1℃的恒温加热。

工质回收模块为一个能容纳大量工质的密闭容器，与连接管路的连接口处于上部，用于回收充装过程中的残余工质；另外，回收的残余工质出口处于底部，用于排出回收的残余工质。

本发明针对常温有相变过程的工质，采用全充装过程加热的方法保证工质处于自由流动态并避免因相变与热胀冷缩造成的热管损坏；采用抽真空的方法保证工质向热管中的充装、管路残余工质的回收以及减少热管中杂质对热管的腐蚀影响。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种热管相变工质的充装装置，其特征在于，包括：工质源模块(1)、工质流动管路、控制阀组模块、温度控制模块(4)、加热模块、抽真空模块(6)、工质回收模块(7)；

工质源模块(1)包括：工质容器(101)、相变工质(102)、工质出口(103)；相变工质(102)位于工质容器(101)内，工质容器(101)的出口构成工质出口(103)，工质源模块(1)通过工质出口(103)与工质流动管路连接；

工质流动管路包括：从工质源模块(1)延伸出用于连接到热管接口的管道、从抽真空模块(6)延伸出用于连接到热管接口的管道、从工质回收模块(7)延伸出用于连接到热管接口的管道；

控制阀组模块包括：均安装于工质流动管路的管道上的工质源模块出口处的阀门(301)、抽真空模块进口处的阀门(302)、工质回收模块进口处的阀门(303)、热管接口处的阀门(304)；控制阀组模块通过阀门控制用于相变工质充装过程的切换；

温度控制模块(4)控制加热模块对工质源模块(1)、工质流动管路、热管进行温度调节；

加热模块(5)包括：加热工质源模块(1)的工质源加热器(501)、加热热管的热管加热平台(502)、加热工质流动管路的加热器(503)；

抽真空模块对热管及加热工质流动管路进行抽真空；

工质回收模块对热管充装后工质流动管路中残留的相变工质进行回收。

2.一种权利要求1所述的热管相变工质的充装装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：完成热管(801)与热管接口处的阀门(304)的连接，完成抽真空模块(6)与抽真空模块进口处的阀门(302)的连接；

第二步：关闭工质源模块出口处的阀门(301)，打开抽真空模块进口处的阀门(302)、工质回收模块进口处的阀门(303)、热管接口处的阀门(304)；

第三步：打开抽真空模块(6)抽真空至极限真空度后，关闭抽真空模块进口处的阀门(302)；打开工质源加热器(501)、热管加热平台(502)、加热器(503)，分别将工质源模块(1)、热管、工质流动管路加热至设定的温度，所述设定的温度使得相变工质在充注过程中一直处于液态；

第四步：充装热管，具体为：打开工质源模块出口处的阀门(301)，使从工质源模块(1)延伸出用于连接到热管接口的管道内充满相变工质，然后打开热管接口处的阀门(304)充装热管，待相变工质充装完成后关闭热管接口处的阀门(304)；热管充装完成后，取下热管；

第五步：回收相变工质，具体为：关闭工质源模块出口处的阀门(301)，打开工质回收模块进口处的阀门(303)，依靠工质回收模块内部真空将工质流动管路中的相变工质吸走回收。

3.根据权利要求2所述的热管相变工质的充装装置的使用方法，其特征在于，还包括如下步骤：

第六步：关闭工质源加热器(501)、热管加热平台(502)、加热器(503)。

4.根据权利要求2所述的热管相变工质的充装装置的使用方法，其特征在于，所述热管为航天用槽道相变热管，所采用的相变工质凝固点在-10℃到45℃的范围内。

5.根据权利要求1所述的热管相变工质的充装装置，其特征在于，相变工质充装过程的加热温度为热管高温检测所达到的温度，保证充装过程热管中有足够的膨胀量。