CN107767753A - 一种内置储液器球形蒸发器环路热管实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种内置储液器球形蒸发器环路热管实验装置，通过储液器内置以及将蒸发器设计为球形，能够保证环路热管在地面重力场中运行时蒸发器与储液器内的气液分布保持不变，即在一定热载荷下蒸发器与储液器之间的传热传质特性基本不受蒸发器所处姿态的影响，同时蒸发器外壳与内置的储液器没有直接接触，减小了蒸发器向储液器的漏热。该发明属于高效传热技术领域，可以大大提高环路热管系统在地面应用时的控温精度，从而为我国地面热控提供了新的解决方案。

Description

一种内置储液器球形蒸发器环路热管实验装置

技术领域

本发明涉及一种适应于地面重力场工作环境的环路热管实验装置，其目的是保证环路热管在较大的姿态变化范围内仍然能够正常运行且工作温度不发生明显变化，为环路热管的地面高效应用提供新的思路与方法。本发明属于高效传热技术领域。

背景技术

环路热管技术是目前航天器上应用的最前沿的热控制技术，作为毛细力驱动的两相回路系统，具有传热温差小、传热性能高、远距离传输热量和控温特性良好的优点。

但是目前对环路热管的应用主要集中在微重力空间环境中，原因在于重力场的存在使得环路热管在不同姿态下的气液分布状况明显不同，直接影响了蒸发器和储液器内部的传热传质过程，导致环路热管控温精度下降甚至无法运行。而目前在地面应用中采用的圆柱形蒸发器双储液器环路热管虽然能够保证在不利姿态下环路热管不失效，但是姿态依然会对其控温精度产生较大的影响。除此之外，常规环路热管蒸发器与储液器轴向布置的结构形式也会造成蒸发器沿着不锈钢外壳向储液器的轴向漏热；而透过毛细芯的径向漏热则会造成液体干道和储液器之间强烈的相变换热，该相变换热会使得液体干道和储液器内的工质在压差作用下循环流动，增加了环路热管运行的不稳定性。

本发明通过对环路热管的蒸发器-储液器耦合结构进行结构设计，不仅保证了重力场中环路热管蒸发器-储液器内气液分布不会随姿态而改变，并且减小了蒸发器向储液器的漏热，因此本发明对进一步提高环路热管地面应用的性能具有重要意义且国内外尚没有相似的设计。

发明内容

本发明综合考虑了上述技术研究背景，目的是发明一种能够在地面重力场中高效运行的环路热管试验装置，能够保证环路热管的在重力场中运行时不会因为姿态的改变而造成工作温度的较大变化，并且能够在一定程度上减小蒸发器向储液器的漏热，改善环路热管的运行性能。

本发明基于地面应用的环路热管回路，通过对蒸发器与储液器进行结构设计，实现在环路热管姿态改变时工作温度基本不变的目的。实验装置主要包括蒸发器-储液器、冷凝器、蒸气管线和液体管线。

本发明采用的技术方案由如下两部分构成：

1.内置储液器球形蒸发器。蒸发器的主要组成部分包括储液器(内置)、球形毛细芯和蒸发器外壳。为了保证蒸发器内的气液分布不随蒸发器所处姿态而变化，蒸发器被设计为球形，与之相应的蒸发器外壳、毛细芯和储液器也均为球形，这样便能保证重力场中储液器内的气液分布与蒸发器所处姿态无关。蒸发器由外至内的顺序为蒸发器外壳、毛细芯、储液器，而储液器实际上是球形毛细芯内部加工出来的球形空间，即储液器内置于蒸发器毛细芯内。而毛细芯外表面则加工有蒸气槽道和螺纹，以保证蒸气的流动。毛细芯外表面与蒸发器外壳采用过盈配合，保证蒸发器外壳上的热量能够传递到毛细芯外表面。这样由于蒸发器的外壳与储液器没有直接的接触，因此常规环路热管中蒸发器向储液器的轴向漏热可以得到避免。

2.其余装置部件。除了内置储液器球形蒸发器，该环路热管实验装置的其他部件包括：蒸气管线、冷凝器和液体管线。其中蒸气管线连接毛细芯外表面和蒸发器外壳之间的空间与冷凝器，作用是将毛细芯外表面受热产生的工质蒸气引入到冷凝器释放热量。冷凝器根据实际情况的不同有多种结构形式，其作用是将工质蒸气冷凝，将热量释放到热沉中。由于球形毛细芯外表面积大，蒸气流动阻力不均匀，因此蒸气管线与冷凝管线采用了并行结构。液体管线连接冷凝器出口与储液器，作用是将回流液体引入储液器，维持供液。

附图说明

图1是球形毛细芯内部结构示意图

图2是球形毛细芯三维示意图

图3是蒸发器装配示意图

图4是本发明内置储液器球形蒸发器环路热管实验装置示意图

具体实施方式

为了使本发明的特点和技术方案更加清楚，以下结合附图对本发明的设计、加工及装配过程作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

(1)工质选择

环路热管的工质决定了环路热管的工作性能和运行温区，同时也会造成后续部件设计的差异。工质的选择可根据设计工作温区内的Dunbar因数的相对大小来选择，一般在-60～60℃温度区间选择氨作为工质，80～150℃可以选择水或者丙酮作为工质。

(2)密封材料选择

密封材料的选择要考虑密封材料与工质的相容性以及对工作温度的耐受性，通常情况下硅胶密封圈可以在较大温度范围内满足密封要求。而当工质为氨时，应使用三元乙丙橡胶作为密封材料。

(3)传输管线设计

传输管线包括蒸气管线和液体管线，通常使用不锈钢圆管，并根据实际使用时的安装条件确定蒸汽管线和液体管线的长度以及折弯情况。本发明为了减小工质蒸气流出蒸发器的流阻，因此将蒸气管线设计为两路并联的形式。

(4)冷凝器设计、加工与装配

冷凝器的形式和尺寸需要根据实际使用情况确定，通常采用将冷凝管线焊接在冷板上的结构形式。冷凝管线采用不锈钢圆管，冷板材料使用纯铜或者铝，冷板表面铣槽，槽道截面尺寸根据冷凝管线的外径确定，冷板的尺寸、槽道的数量和间距根据冷凝管线的长度和强度综合确定。冷凝管线通过锡钎焊镶入冷板的槽道中以减小接触热阻。

(5)毛细芯设计、加工

如图1所示，由于毛细芯为球形并将储液器内置于毛细芯内部，因此毛细芯的尺寸计算需要确定毛细芯的内径(即储液器直径)、外径以及确定工质充装量。毛细芯尺寸和工质充装量需要根据环路热管其它部件(包括传输管线和冷凝器)的尺寸以及环路热管的设计工况(最低工作温度和最高工作温度)来确定，应保证环路热管在最低工作温度下，即使外回路(包括蒸气槽道、传输管线、冷凝器)被液体充满，蒸发器内的毛细芯也必须始终被工质液体浸润，通常应保证储液器内的工质液体占储液器容积的比例大于0.5，这样系统才能正常启动和运行；在最高工作温度下，冷凝器内除了设计过冷段外其它区域充满蒸气时，储液器仍有足够的容积容纳从冷凝器流出的工质液体。根据上述最高和最低工作温度列写质量守恒方程，联立求解便可得到毛细芯的尺寸和该环路热管系统的工质充装量。

通过粉末冶金(镍粉、铜粉等)的方式形成毛细芯的毛坯，其孔径在微米量级，能够形成较大的毛细力。由于毛细芯需要加工为中空的球形，因此需要分别加工两个半球，两个半球直接通过密封圈实现密封。除此之外还应在毛细芯外表面铣出蒸气槽道，由于球形毛细芯表面积较大，因此为了保证工质蒸气的顺利流动沿半球周向也应铣出蒸气槽道，并通过计算保证蒸气槽道划分出来的蒸发区域面积一致，以避免局部压力过高，蒸气的产生和流动更加均匀，如图2所示。最后还应在毛细芯外表面车螺纹，实现各个蒸气槽道之间的进一步连通，同时可以使毛细芯外表面工质的蒸发更加均匀。其中一半毛细芯应钻打液体引管的插入孔。以上机加工需要较高的加工工精度，需要在能实现精密加工的数控机床上进行。

(6)蒸发器外壳的设计与加工

蒸发器外壳采用不锈钢，由于不锈钢导热系数较小，因此蒸发器外壳不能太厚。为保证蒸发器外壳与毛细芯的紧密接触，蒸发器外壳外表面与毛细芯内表面需要有一定的过盈。蒸发器外壳采用三段式设计，为了方便调节外壳与毛细芯外表面的过盈量以及方便后续的焊接，相邻两段之间采用楔形接口。蒸发器外壳的内表面应进行打磨。

(7)蒸发器的装配

将蒸发器按图3所示进行装配，必要时应对蒸发器外壳进行加热，蒸发器外壳最终需要经过焊接，焊缝应磨平。插入液体引管和两根蒸气引出管，并焊接。

(8)装置总装配

如图4所示，将蒸发器、传输管线与冷凝器通过焊接或者卡套连接的方式进行连接，完成装置的最终装配。

(9)毛细力校核

计算最高工作温度下回路总压降并测量毛细芯的最大毛细力，保证回路总压降不得超过毛细芯所能提供的最大毛细压力。

上述对实施方式的阐述仅用于说明本发明，其中工质的种类、毛细芯材料、等都是可以有所变化的。总之，凡是在本发明技术方案的基础上进行的变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种内置储液器球形蒸发器环路热管实验装置，其特征在于：系统包括球形蒸发器(包括内置球形储液器、球形毛细芯、球形蒸发器外壳)、并联蒸汽管线、液体管线、并联的冷凝器；热载荷施加在蒸发器球形外壳上并通过外壳的热传导传递到毛细芯外表面，毛细芯外表面的液体吸收热量并气化，沿毛细芯外表面交叉的蒸气槽道和螺纹槽道汇集到蒸气腔中；蒸气腔中的蒸气沿并联的蒸气管线流入并联的冷凝器，在冷凝器中释放热量并液化，最终液体汇集并通过液体管线流入储液器中，被并在储液器中在毛细芯的毛细力的作用下吸到毛细芯外表面继续吸热蒸发，从而形成稳定的两相流体回路循环；该装置能够保证无论蒸发器在重力场中处于何种姿态下，蒸发器内气液分布基本不变，同时能够减小蒸发器向储液器的漏热。

2.根据权利要求1所述的内置储液器球形蒸发器环路热管实验装置，其特点在于：毛细芯通过粉末冶金的形式成型，具有微米量级的孔径，其外形为球形，通过分别加工两个半球形毛细芯实现，内部加工出球形槽作为储液器(即储液器至于毛细芯内部)，外表面加工出交叉的蒸气槽道，并将毛细芯外表面分割为多个表面积相同的蒸发区域并车出螺纹槽，提高了外表面产生蒸气的均匀性。

3.根据权利要求1所述的内置储液器球形蒸发器环路热管实验装置，其特点在于：两个半球形毛细芯之间放置密封圈并在装配时加压，防止蒸气通过缝隙流入储液器并使得蒸发器外表面与储液器没有直接接触，减小了蒸发器向储液器的漏热。

4.根据权利要求1所述的内置储液器球形蒸发器环路热管实验装置，其特点在于：毛细芯外表面与蒸发器外壳有一定的过盈配合，蒸发器外壳采用三段式设计，相邻段之间采用楔形接口，方便调节安装间隙。

5.根据权利要求1所述的内置储液器球形蒸发器环路热管实验装置，其特点在于：蒸气管线采用多路并联的形式，分别从蒸气腔周向引出，降低毛细芯外表面的流动阻力以及压力不均匀性。