CN107529363B - 一种小型深冷环路热管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型深冷环路热管，包括主蒸发器、主储液器、副蒸发器、副储液器、冷凝器、液体管路和蒸气管路。冷凝器为螺旋冷凝柱结构，其底面与制冷机实现物理连接和热耦合，其上部有螺旋段和回转段两部分槽道，槽道内安装有两段管路，螺旋段管路为蒸气工质主冷凝管路；回转段管路为工质流回副储液器前的副冷凝管路。主蒸发器和主储液器分别与冷凝器的螺旋段管路上下端相连；副蒸发器安装在靠近冷凝器处，其一端连接副储液器，另一端连接冷凝器的螺旋段管路；副储液器另一端连接到回转段管路；回转段管路另一端连接到主储液器中。本发明的小型深冷环路热管结构提高了深冷环路热管对小热载荷的适应性，并提升了环路热管的超临界启动性能。

Description

一种小型深冷环路热管

技术领域

本发明属于航天器热控制技术领域，涉及一种小型深冷环路热管。

背景技术

针对天基红外详查卫星、导弹预警卫星等对空间冷源的特殊需求，必须在红外探测器和空间深低温制冷机之间创造一个“桥梁”，即深冷热传输和排散系统，实现深低温条件下热的高效率收集和传输。

常温环路热管如图1所示，主要包括蒸发器1、冷凝器2、储液器3、蒸气管线4和液体管线5。液体在蒸发器中的毛细芯外表面蒸发，吸收蒸发器外的热量，产生的蒸气从蒸气管线流向冷凝器，在冷凝器中释放热量给热沉冷凝成液体，为了避免回到蒸发器的液体中含有蒸气堵塞毛细芯，液体继续在冷凝器中过冷，最后流入储液器，储液器内的液体工质维持对蒸发器内毛细芯的供给。

深冷环路热管与常温环路热管所选工质不同，深冷环路热管一般选用深冷工质，如氮、氧、氢、氦等，其临界温度较低，在常温下处于超临界状态。空间制冷机开始工作后深冷环路热管不能立即开始传输热量，工质必须先降温，从超临界状态变为气液两相状态，而回路内工质不运行，依靠传导来冷却蒸发器内的工质到临界温度是很困难的。因此，深冷环路热管在结构上通常还需要一个副蒸发器。图2示出了现有技术中一种深冷环路热管的结构，包括主蒸发器1、副蒸发器7、主储液器3、副储液器8、冷凝器2、蒸气管线4、液体管线5和6、储气室9，系统由两个回路组成：主蒸发器回路和副蒸发器回路，两个回路中都由蒸发器、储液器、沿程管线和冷凝器组成。副蒸发器的储液器和冷凝器紧贴在一起，制冷机一旦工作，副蒸发器储液器内工质低于临界温度后，在热载荷驱动下可将液体工质带入主蒸发器，降低主蒸发器温度，当主蒸发器温度低于临界温度后，主蒸发器内存在液体工质可以启动开始运行，这就是深冷环路热管所谓的“超临界启动”过程。主蒸发器开始运行后，副蒸发器上的热载荷即可卸载，从而降低制冷机的负荷。如果热沉冷却能力充分，副蒸发器也可以一直维持较小的热负荷，辅助回路一直工作。整个回路中副储液器中压力应是最低的，有利于将主蒸发器芯内孔产生的气泡抽吸到附加冷凝器中冷凝。由于深低温区的工质在常温下处于超临界状态，回路中的压力会远高于正常运行时的水平，系统设计有一个压力缓冲容器，即储气室。正常运行时，储气室仍处于常温状态，通过储气室到回路的管路热阻很大，因此漏热较小。

针对空间应用背景，深冷环路热管需要解决两个技术问题：1)进行环路热管的小型化以提高对红外热源以及制冷机小热载荷的适应性；2)解决常温环境的超临界启动问题。目前，主要采取尺寸的小型化以提高其对热载荷的适应性，但主要是针对蒸发器、储液器、蒸气/液体管路进行的改进，而冷凝器形式多沿袭常规环路热管，为辐射板上钎焊蛇形管路的形式，一方面，这种结构形式难以实现尺寸的小型化，导致漏热过大，影响到系统适应小热载荷的目标以及实现超临界启动的功能；另一方面，这种结构形式的热耦合面较大，不适合以热传导为主的制冷机冷却模式。而为解决超临界启动问题，通常将副蒸发器的储液器做成细长结构钎焊在冷凝器上。这种形式要占据较大的空间，不利于环路热管的小型化。

发明内容

本发明解决的技术问题是克服了现有传统深冷环路热管部件难以实现小型化、冷凝器与制冷机难以实现紧凑耦合的问题，提供了一种小型化的深冷环路热管结构，提高了深冷环路热管对小热载荷的适应性，并提升了环路热管的超临界启动性能。

为解决上述技术问题，本发明的小型深冷环路热管包括主蒸发器、主储液器、副蒸发器、副储液器、冷凝器、液体管路和蒸气管路。冷凝器为螺旋冷凝柱结构，其底面与制冷机实现机械连接和热耦合，其上部有两部分螺旋式的槽道——螺旋段和回转段，槽道内安装有两段管路。其中，螺旋段内管路为主冷凝管路，蒸气工质在此段冷凝；回转段内管路为副冷凝管路，为工质流回副储液器前的冷却区域，保证超临界启动时副储液器能得到有效供液。主蒸发器一端连接主储液器，另一端通过蒸气管路与冷凝器的螺旋段主冷凝管路上端相连；主储液器另一端通过液体管路与冷凝器的螺旋段主冷凝管路下端相连。副蒸发器安装在靠近冷凝器处，其一端连接副储液器，另一端通过蒸气管路与冷凝器的螺旋段主冷凝管路相连；副储液器另一端通过液体管路与冷凝器的回转段副冷凝管路相连；回转段副冷凝管路另一端连接到主储液器中。

本发明冷凝器采用了螺旋式冷凝柱的紧凑结构形式，实现了冷凝器体积、尺寸的小型化，小型化后环路热管的系统漏热减少，有助于环路热管常温下实现超临界，提高系统对小热载荷的适应性。

作为本发明的一种改进，副储液器与冷凝器紧贴在一起，并通过案座固定在冷凝器的冷凝柱上，与冷凝器热耦合，避免了副储液器做成细长结构，在实现超临界启动功能的同时，使部件结构更紧凑。

附图说明

图1为现有技术中常温环路热管系统示意图。

图2为现有技术中深冷环路热管的系统示意图。

图3为本发明深冷环路热管的系统组成示意图。

图4为本发明深冷环路热管的三维示意图。

图5为本发明深冷环路热管的冷凝器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的小型深冷环路热管包括主蒸发器1、主储液器3、副蒸发器7、副储液器8、冷凝器2、液体管路5、6和蒸气管路4，如图3、图4所示。冷凝器2为螺旋冷凝柱结构，如图5所示，其底面与制冷机10实现物理连接和热耦合，其上部有两部分螺旋式槽道——螺旋段和回转段，槽道内钎焊有两段管路。其中，螺旋段内管路为主冷凝管路11，蒸气工质在此段冷凝；回转段内管路为副冷凝管路12，为工质流回副储液器前的冷却区域，保证超临界启动时副储液器能得到有效供液。主蒸发器1一端连接主储液器3，另一端通过蒸气管路4与冷凝器2的螺旋段主冷凝管路11上端相连；主储液器3另一端通过液体管路与冷凝器2的螺旋段主冷凝管路11下端相连。副蒸发器7通过案座14安装在靠近冷凝器2处，其一端连接副储液器8，另一端通过蒸气管路连接到主蒸发器1的蒸气管路4上，并最终通过蒸气管路4与冷凝器2的螺旋段主冷凝管路11相连；副储液器8另一端通过液体管路与冷凝器2的回转段副冷凝管路12相连；回转段副冷凝管路12另一端连接到主储液器3中。

该小型深冷环路热管的工作原理如下：

该系统包括两个回路：主蒸发器1、主储液器3、蒸气管路4、主冷凝管路11和液体管路5构成主蒸发器回路；副蒸发器7、副储液器8、蒸气管路4、主冷凝管路11、液体管路5、液体管路6、副冷凝管路12构成副蒸发器回路。两回路的蒸气管路在冷凝器入口处汇合。

环路热管启动时，首先制冷机开始工作，当副蒸发器储液器内工质低于临界温度后，在热载荷驱动下可将液体工质带入主蒸发器，降低主蒸发器温度，当主蒸发器温度低于临界温度后，主蒸发器内存在液体工质启动开始运行，从而实现深冷环路热管的超临界启动。

启动后，集热座15吸收来自空间应用系统红外探测器等光学系统散发的热量，该热量使主蒸发器毛细芯外表面的液体蒸发，产生的蒸气从蒸气管路流向冷凝器螺旋段管路，在冷凝器中释放热量给热沉冷凝成液体，并经螺旋段管路另一端流出，通过液体管路流向主储液器，主储液器中一部分液体流向主蒸发器，保持对主蒸发器内毛细芯的供给，另一部分液体从主储液器流出，经冷凝器的回转段管路连向副储液器，保持对副蒸发器内毛细芯的供给。

主蒸发器开始运行后，副蒸发器上的热载荷即可卸载，从而降低制冷机的负荷。如果热沉冷却能力充分，副蒸发器也可以一直维持较小的热负荷，辅助回路一直工作。整个回路中副储液器中压力应是最低的，有利于将主蒸发器芯内孔产生的气泡抽吸到回转段副冷凝管路中冷凝。可提高系统的运行稳定性。

为避免副储液器8做成细长结构，在实现超临界启动功能的同时，使部件结构更紧凑，本实施例中副储液器8与冷凝器紧贴在一起，并通过案座14固定在冷凝器2的冷凝柱上，与冷凝器2热耦合。

Claims (2)

1.一种小型深冷环路热管，包括主蒸发器、主储液器、副蒸发器、副储液器、冷凝器、液体管路和蒸气管路，其特征在于：所述冷凝器为螺旋冷凝柱结构，其底面与制冷机物理连接和热耦合，其上部有两部分螺旋式槽道，分别为螺旋段和回转段，槽道内安装有两段管路，所述螺旋段内管路为主冷凝管路，蒸气工质在此段冷凝，所述回转段内管路为副冷凝管路，为工质流回副储液器前的冷却区域；所述主蒸发器一端连接主储液器，另一端通过蒸气管路与冷凝器的螺旋段主冷凝管路上端相连；所述主储液器另一端通过液体管路与冷凝器的螺旋段主冷凝管路下端相连；所述副蒸发器安装在靠近冷凝器处，其一端连接副储液器，另一端通过蒸气管路与冷凝器的螺旋段主冷凝管路相连；所述副储液器另一端通过液体管路与冷凝器的回转段副冷凝管路相连；所述回转段副冷凝管路另一端通过液体管路连接到主储液器中。

2.按照权利要求1所述的小型深冷环路热管，其特征在于：副储液器与冷凝器紧贴在一起，并通过案座固定在冷凝器的冷凝柱上，与冷凝器热耦合。