CN108286911B - 低温回路热管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热控设备，提供一种低温回路热管，包括蒸发器以及冷凝器，冷凝器的出液口通过液体管路与蒸发器的进液口连通，蒸发器的气体出口通过气体管路与冷凝器的进气口连通，于液体管路内设置有第一毛细结构，于蒸发器内设置有吸液芯，第一毛细结构一端伸入冷凝器内，另一端与吸液芯连接，且于液体管路上罩设有绝热过渡结构。本发明中液体管路内设置有第一毛细结构，可以借助第一毛细结构的毛细作用输送液态工质，不需要借助重力辅助、额外功耗就能够为蒸发器持续提供液态工质供给，且通过绝热过渡结构可减小蒸发器轴向漏热，避免蒸发器与液体管路接触区域的液体发生烧干，阻断液体工质流向吸液芯，保证低温回路热管可靠启动、稳定运行。

Description

低温回路热管

技术领域

本发明涉及热控设备，尤其涉及一种低温回路热管。

背景技术

低温回路热管是一种高效的低温传热元件，主要用于航天器热控、超导磁体冷却以及光学器件冷却等领域，能在冷源与被冷却器件之间有效地实现远距离传热、隔离振动和电磁干扰等。目前，传统的回路热管包括蒸发器、冷凝器、气体管路和液体管路，它们组成一个封闭回路，向回路内充注的工质，在室温下为液态或者气液两相状态，该工质在回路内循环流动，通过气液相变进行高效传热。与传统回路热管相比，由于低温回路热管工作于更低的温度区域，所以有很多不同点：第一，低温工质在室温条件下为气态，在低温回路热管运行以前，必须一个额外的降温过程，经过漫长的时间，将大部分气态工质冷却为液态；第二，需要借助辅助手段、克服环境漏热影响，将冷凝器中产生的液态工质输送到蒸发器中；第三，低温工质热物性较差，如表面张力、汽化潜热较低，在蒸发器与液体管路连接位置附近更容易受热发生烧干，造成低温回路热管启动失败或运行失效；第四，为了使低温回路热管既能够在低温运行时具有足够液体，又要使回路内的压力在室温条件下达到安全要求，因此需要设置一个体积较大的气库。这些不同之处，给低温回路热管的设计、启动和运行带来了更大的难度和挑战。

如何使低温回路热管从室温顺利冷却到低温下的工作温区，并且可靠地启动运行，是一个非常关键的技术难题。现在主要有以下技术手段：第一，依靠重力辅助，在地面应用时，使低温回路热管的蒸发器位置低于冷凝器，冷凝器中形成的液体在重力辅助作用下流向蒸发器，将沿程管路和蒸发器冷却至工作温度，然后向蒸发器施加热负荷，启动低温回路热管；第二，设置次蒸发器，将次蒸发器串联在冷凝管路中间，以便于冷凝器中的液体尽快进入次蒸发器，加热次蒸发器，驱动冷凝液体逐渐向远端的主蒸发器流动，待主蒸发器被充分冷却以后，停止加热次蒸发器，然后再向主蒸发器施加热负荷开始启动过程；第三，设置二次回路，在原有回路基础上，增加一个循环回路，将次蒸发器、冷凝器和主蒸发器相连接，次蒸发器靠近冷凝器，待次蒸发器充分冷却以后进行加热，驱动液体工质沿着二次回路流向主蒸发器，当主蒸发器被冷却到工作温度以后，施加热负荷开始启动过程。

以上几种技术手段存在一些问题和不足：依靠重力辅助启动和运行的低温回路热管的应用环境严重受限，在水平状态或者抗重力状态无法工作；设置次蒸发器时，需要施加额外的加热能耗，而且这种低温回路热管降温过程缓慢；设置二次回路时，同样需要施加额外的加热能耗，同时导致低温回路热管的管路增多、结构复杂化。

发明内容

本发明针对上述问题和不足，提出了一种低温回路热管，不需要重力辅助和额外能耗，就能够顺利完成降温过程、可靠启动、稳定运行。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种低温回路热管，包括蒸发器以及冷凝器，所述冷凝器的出液口通过液体管路与所述蒸发器的进液口连通，所述蒸发器的气体出口通过气体管路与所述冷凝器的进气口连通，所述冷凝器、所述液体管路、所述蒸发器以及所述气体管路依次连通形成回路，于所述液体管路内设置有第一毛细结构，于所述蒸发器内设置有吸液芯，所述第一毛细结构一端伸入所述冷凝器内，另一端与所述吸液芯连接，且于所述液体管路上罩设有绝热过渡结构，所述绝热过渡结构一端与所述液体管路连接，另一端延伸至所述蒸发器，且所述绝热过渡结构的内壁与所述液体管路的外表面之间具有间隙。

进一步地，所述第一毛细结构的毛细尺度不小于所述吸液芯的毛细尺度。

进一步地，所述第一毛细结构为金属丝、粉末、纤维、泡沫金属、网状或者束状中的至少一种。

进一步地，所述蒸发器包括壳体，所述吸液芯位于所述壳体内，所述第一毛细结构与所述吸液芯连接，所述吸液芯与所述壳体内壁之间形成有槽道，所述槽道连通所述气体通道。

进一步地，所述吸液芯为杯状结构，且所述吸液芯靠近所述液体管道的一侧为开口，靠近所述气体管道的一侧封闭，所述液体管道沿所述开口伸入所述吸液芯内。

进一步地，所述壳体的外表面具有与被冷却器件耦合的至少一个平面。

进一步地，于所述吸液芯与所述第一毛细结构之间还设有第二毛细结构。

进一步地，还包括气库，所述气库与所述气体管路连通。

进一步地，所述第一毛细结构全部或者部分占据所述液体管路的轴截面上。

进一步地，所述液体管路与所述气体管路为金属薄壁管、金属软管或波纹管。

本发明具有以下有益效果：

本发明的低温回路热管中，冷凝器、液体管路、蒸发器以及气体管路形成一个完整的回路，在液体管路内设置有第一毛细结构，且第一毛细结构一端伸入冷凝器内，另一端与蒸发器内的吸液芯连接，从而可以借助第一毛细结构的毛细作用输送液态工质，结构简单，不需要借助重力辅助、额外功耗就能够使蒸发器顺利完成冷却降温，为蒸发器持续提供低温液体工质供给，另外在液体管路上罩设有绝热过渡结构，可以减小蒸发器轴向漏热，避免蒸发器与液体管路接触区域的液体发生烧干，阻断液体工质流向吸液芯，通过设置绝热过渡结构有效保证低温回路热管可靠启动、稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。

图1为本发明实施例提供的低温回路热管的结构示意图；

图2为图1的低温回路热管的第一毛细结构充满液体管路的结构示意图；

图3为图1的低温回路热管的第一毛细结构为环形的结构示意图；

图4为图1的低温回路热管的第一毛细结构为圆形且部分填充液体管路的结构示意图；

图5为图1的低温回路热管的槽道位于吸液芯上的结构示意图；

图6为图1的低温回路热管的槽道位于壳体上的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-图4，本发明实施例提供一种低温回路热管，包括蒸发器1以及冷凝器2，冷凝器2的出液口通过液体管路3与蒸发器1的进液口连通，而蒸发器1的气体出口通过气体管路4与冷凝器2的进气口连通，即冷凝器2、液体管路3、蒸发器1以及气体管路4依次连通形成完整的回路，工质在冷凝器2内凝结为液态且经液体管路3进入蒸发器1内，液态的工质在蒸发器1内被蒸发为气态，且通过气体管路4进入冷凝器2内重新凝结为液态，在液体管路3内设置有第一毛细结构31，另外在蒸发器1内设置有吸液芯11，第一毛细结构31的一端伸入与冷凝器2内，而另一端与吸液芯11连接，另外在液体管路3靠近蒸发器1的一端罩设有绝热过渡结构32，该绝热过渡结构32一端与液体管路3连接，另一端延伸至蒸发器1，且绝热过渡结构32的内壁与液体管路3的外表面之间具有间隙，即表明绝热过渡结构32除了与液体管路3的连接处与液体管路3接触外，其它各部分均与液体管路3不接触。本实施例中，当回路热管的冷凝器2被冷源冷却以后，气态的工质在冷凝器2内凝结为液态，并且与液体管路3内第一毛细结构31接触，在第一毛细结构31的毛细力驱动下，液态的工质逐渐向蒸发器1内流动，对沿程的液体管路3进行冷却降温，最终进入吸液芯11中；当吸液芯11被液态的工质充分浸润以后，在蒸发器1上施加热负荷，液态的工质在吸液芯11表面蒸发为气态，气态工质通过气体管路4流回冷凝器2重新进行冷凝。在吸液芯11表面液体工质蒸发的过程中，吸液芯11表面多孔结构的毛细作用驱动后面的液体不断向前补充，进而使冷凝器2中的液态工质不断地沿着液体管路3流向蒸发器1。本实施例中，不需要借助重力辅助、额外功耗就能够使蒸发器1顺利冷却降温，第一毛细结构31的毛细尺度不小于吸液芯11的毛细尺度，因此吸液芯11比第一毛细结构31具有更大的毛细压力，使冷凝器2中的液态工质更顺利地留到蒸发器1中，为蒸发器1持续提供液态工质供给，保证低温回路热管启动可靠性、抗重力工作稳定性，使低温回路热管适用于更广泛的应用环境；另外在液体管路3上罩设有绝热过渡结构32，一方面，增大蒸发器1与液体管路3之间的传热热阻，增强绝热效果，可以减小蒸发器1轴向漏热，避免蒸发器1与液体管路3接触区域的液体发生烧干而阻断液体工质流向吸液芯11，造成蒸发器液体供给中断，进而导致低温回路热管停止工作或运行不稳定，另一方面，可以使更多的热量沿着径向向蒸发器1内部传递，用于吸液芯11表面液体工质蒸发相变，使低温回路热管在热量较小的情况下也能够顺利启动，通过设置绝热过渡结构32可进一步保证低温回路热管可靠启动、稳定运行。对于第一毛细结构31可以由粉末、纤维、泡沫金属构成，或为若干金属丝、纤维制成的网状、束状结构其中一种，或由至少两种上述结构组成。对于液体管路3与气体管路4，两者可为金属薄壁管、金属软管或波纹管等。第一毛细结构31在液体管路3的轴截面上全部或部分占据该截面空间，具体可根据低温回路热管的传热距离、吸液芯11的毛细压力等结构参数，设计第一毛细结构31的截面大小、孔隙率以及毛细尺度等，比如第一毛细结构31的轴截面为充满液体管路3的圆形，也可以为中间为空心的环状，还可以为面积小于液体管路3的轴截面的圆形等。

参见图1，进一步地，低温回路热管还包括气库41，气库41与气体管路4连通。当低温回路热管工作于低温温区时，工质在室温条件下全部为气态，为了避免气体管路4内压力超过安全范围，对此，低温回路热管还需要设置一个气库41，利用旁通管路将气库41与气体管路4连通，可以有效缓解气体管路4内压力过高的问题，同时也使低温回路热管在低温下运行时具有充足的气液两相工质，通过气液工质不断相变和循环流动，将热源的热量不断地向冷源传递和排散。

参见图1、图5以及图6，本发明实施例还提供一种蒸发器1，该蒸发器1可应用于上述的回路热管，包括壳体12，壳体12可以是圆柱状、圆盘状、平板状、鞍状等，蒸发器1的壳体12可以由钢、钛合金、铜、铝或其他高导热材料制成，也可以由不同材质的材料组合而成，加热区域选用导热较好的材料制作，与气体管路4、液体管路3连接的部位选用导热较差的材料制作，从而使所述蒸发器1减小径向传热热阻，减小轴向漏热，通常壳体12具有一个平面，该平面能够与外设的冷却器件耦合，使得两者具有较大的耦合面积。吸液芯11位于壳体12内，第一毛细结构31伸入吸液芯11内，吸液芯11与壳体12内壁之间形成有槽道13，槽道13连通气体管路4，槽道13沿吸液芯11表面的轴向设置，且槽道13至少为靠近气体管路4一端开口，该槽道13为气态工质的流动通道，液态工质在吸液芯11外表面被加热发生蒸发后，直接流向槽道13，然后经槽道13进入与蒸发器1连通的气体管路4内，气体由吸液芯11表面进入槽道13内，避免了气体穿过较厚多孔结构的过程，流动阻力和传热热阻都比较小，而槽道13的位置可以分为两种情况，其中一种槽道13位于吸液芯11的外表面上，吸液芯11外表面凸起与壳体12的内壁紧密配合接触，另外一种是槽道13位于壳体12的内壁上，壳体12内壁的凸起与吸液芯11外表面紧密配合接触。具体地，吸液芯11为杯状结构，且吸液芯11靠近液体管路3的一侧为开口，靠近气体管路4的一侧封闭，液体管路3沿该开口伸入吸液芯11内。

再次参见图1、图5以及图6，优选地，在吸液芯11内还设置有第二毛细结构14，第一毛细结构31位于蒸发器1内的端部伸入第二毛细结构14内。其中第二毛细结构14可以由粉末、纤维、泡沫金属构成，或为若干金属丝、纤维制成的网状、束状结构其中一种，或由至少两种上述结构组成，且第二毛细结构14的毛细尺度不小于吸液芯11的毛细尺度，且不大于液体管路3内第一毛细结构31的毛细尺度，从而形成了第一毛细结构31、第二毛细结构14、吸液芯11的毛细压力依次递增的结构，第二毛细结构14与吸液芯11和第一毛细结构31均紧密接触，使液体管路3内的液体工质能够顺利地流向吸液芯11。

参见图1，本发明实施例还提供一种冷凝器2，该冷凝器2也应用于上述的低温回路热管，包括冷凝管路21，冷凝管路21连通气体管路4与液体管路3。冷凝管路21为蛇形管结构，保证冷凝管路21的长度。冷凝器2还可以在靠近液体管路3的区域设置集液腔，液体管路3与集液腔连通，且集液腔通过冷凝管路21与气体管路4连通。集液腔将冷凝管路21与液体管路3合理过渡，便于冷凝管路21内的液态工质流入第一毛细结构31内。另外，冷凝管路21可以采用多种形式冷凝换热，冷凝管路21可以是蜿蜒的蛇形管结构，也可以是并排管路结构，还可以为其他能够使气体工质冷凝为液体的结构形式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低温回路热管，包括蒸发器以及冷凝器，所述冷凝器的出液口通过液体管路与所述蒸发器的进液口连通，所述蒸发器的气体出口通过气体管路与所述冷凝器的进气口连通，所述冷凝器、所述液体管路、所述蒸发器以及所述气体管路依次连通形成回路，其特征在于：于所述液体管路内设置有第一毛细结构，第一毛细结构为空心的环状，于所述蒸发器内设置有吸液芯，所述第一毛细结构一端伸入所述冷凝器内，另一端与所述吸液芯连接，且于所述液体管路上罩设有绝热过渡结构，所述绝热过渡结构一端与所述液体管路连接，另一端延伸至所述蒸发器，且所述绝热过渡结构的内壁与所述液体管路的外表面之间具有间隙；

所述吸液芯和所述第一毛细结构之间还设置有第二毛细结构；

所述绝热过渡结构为杯状，具有开口的端部和封闭的端部，绝热过渡结构靠近蒸发器并与蒸发器连接的端部为开口的端部，远离蒸发器并与液体管路连接的端部为封闭的端部，液体管路穿过封闭的端部；

第二毛细结构的毛细尺度不小于吸液芯的毛细尺度，且不大于液体管路内第一毛细结构的毛细尺度，从而形成了第一毛细结构、第二毛细结构、吸液芯的毛细压力依次递增的结构。

2.如权利要求1所述的低温回路热管，其特征在于：所述第一毛细结构的毛细尺度不小于所述吸液芯的毛细尺度。

3.如权利要求1所述的低温回路热管，其特征在于：所述第一毛细结构为金属丝、粉末、纤维、泡沫金属、网状或者束状中的至少一种。

4.如权利要求1所述的低温回路热管，其特征在于：所述蒸发器包括壳体，所述吸液芯位于所述壳体内，所述第一毛细结构与所述吸液芯连接，所述吸液芯与所述壳体内壁之间形成有槽道，所述槽道连通所述气体管路。

5.如权利要求4所述的低温回路热管，其特征在于：所述吸液芯为杯状结构，且所述吸液芯靠近所述液体管路的一侧为开口，靠近所述气体管路的一侧封闭，所述液体管路沿所述开口伸入所述吸液芯内。

6.如权利要求4所述的低温回路热管，其特征在于：所述壳体的外表面具有与被冷却器件耦合的至少一个平面。

7.如权利要求1所述的低温回路热管，其特征在于：还包括气库，所述气库与所述气体管路连通。

8.如权利要求1所述的低温回路热管，其特征在于：所述第一毛细结构全部或者部分占据所述液体管路的轴截面上。

9.如权利要求1所述的低温回路热管，其特征在于：所述液体管路与所述气体管路为金属薄壁管、金属软管或波纹管。