CN109579585B - 一种多蒸发器回路热管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多蒸发器回路热管，该结构包括冷凝器、气液管线及四个蒸发器补偿器单元，采用了四个蒸发器共享一个冷凝器的设计方法，蒸发器之间耦合方式为气耦合。其中，冷凝器由蒸汽腔、汇流孔盖板、冷凝分流板构成，该冷凝器结构上的分层设计实现了蒸发器相对冷凝器的周向对称分布，管线的设计与冷凝器相匹配，过热蒸汽在冷凝器上层的蒸汽腔内耦合，经汇流孔进入下层冷凝分流板发生冷凝换热，沿分散流道均匀流出。蒸发器补偿器采用圆柱形结构的一体化设计。该发明实现了单一冷源对多个分散热源情形下高效传热部件的设计，气耦合、均匀分流的设计方法提高了各蒸发器之间的热均匀性。

Description

一种多蒸发器回路热管

技术领域

本发明涉及相变换热领域，尤其涉及一种基于回路热管换热原理的换热元件设计。

背景技术

随着空间探测技术的发展，卫星系统对集成度和轻量化要求不断提高，特别是针对较大规模红外遥感探测器、宽视场射线望远镜等应用领域，星上载荷的元件集成化程度不断的升高，载荷的功率也不断的加大，为满足更高的探测要求，大面积阵列的制冷需求逐步提高，为星上的载荷的热控制与热设计提出了更高的要求。因此需同时解决多热源控制、高热流密度散热和轻量化均温等难题。

传统的多热源热控技术一般采用槽道热管一对一式传热，即槽道热管外贴外热源表面，热管冷端与辐射板相连。该方法由于存在弯折局限，极大地影响载荷系统集成布置，同时蒸发器形状较单一，不满足复杂热源耦合等要求。而新兴的回路热管技术将气体管路与液体管路完全分离，蒸发器和冷凝器结构灵活多变，传输管路更具有柔性，受重力影响较小，更适用于应用于空间飞行器多热源热控、低温大面阵光学系统集成等领域。通过将多个蒸发器并联的方式，实现单个冷凝器就能够完成与多个蒸发器热传递过程，同时气耦合形式串联的多蒸发器回路热管，不仅能够完成冷凝器至蒸发器方向的传热过程，还能够在其独特的热分享特性作用下，完成各个蒸发器间的热量分享，解决了在同一个热沉条件下各个蒸发器温度的均匀性问题。因此，多蒸发器回路热管的设计与应用对未来热控技术中多热源、大面积热源的散热问题的解决意义重大。

发明内容

本发明的目的包括：

1为解决多热源、大面积热源的散热问题，提供可用的传热元部件。

2提高热设计过程中的传热器件的集成度，通过单一冷源的应用便能解决多个热源的热量高效传输问题。

3解决以往多蒸发器回路热管设计存在多热源只能分布在冷端同一侧的局限，扩大应用灵活度，提高对称性设计。

为了解决上述问题，本发明的设计思路为：在冷源制冷量提供充足的情形下，可采用单个冷凝器对应多个蒸发器的多蒸发器回路热管来有效解决多热源的散热问题。大面积热源通常也可以将大面积热源划分为若干小面积热源，看作一种多热源情形。这样，通过多蒸发器回路热管的设计，便能够在减少传热系统中组件个数的同时，具有高效的传热效率，并适应不同的应用场合；另外，针对传统多蒸发器回路热管中多个蒸发器需集中布置的局限，本发明进行了蒸发器四周型环绕冷凝器的结构设计，为了避免该情形下管线布置的干涉，将该多蒸发器回路热管的冷凝器设计在与传热相垂直的方向进行分层，四路与蒸发器相连的气、液管线分别在两层耦合，分层式设计也解决了不对称问题，开孔、开槽、管路及蒸发器位置的布置均可做到旋转对称，避免结构上不同蒸发器的有差别设计。

本发明的具体结构设计及优点如下：

该新型结构的多蒸发器回路热管，主要包括冷凝器、气液管线、蒸发器补偿器单元三个部分。

该多蒸发器回路热管的整体结构采用冷凝器位于正中，多个蒸发器气耦合四周向旋转对称布置。冷凝器包含蒸汽腔、汇流孔盖板、冷凝分流板三个部分，其中蒸汽腔沿四周侧壁旋转对称开孔，开孔处连有小段气体管线，同时其腔壁下端与汇流孔盖板上表面焊接、密封，汇流孔盖板沿四周壁面旋转对称开孔，开孔处与液体管线焊接，汇流孔盖板下端与冷凝分流板的底面相焊接、密封。每个蒸发器补偿器单元焊接在对应气液管线之中，总共并联四个支路。该结构的有益效果是，采用气层、液层分离的冷凝器结构设计，真正意义上做到了多个蒸发的旋转对称设计，对称设计可以使其在实验验证阶段做到各个蒸发器不会因为管线长短、相邻蒸发器位置的不同影响传热均温性能，从设计层面消除各个蒸发器之间的差异，并且旋转对称方式使该结构同样适用于蒸发器数目不为四的其他多蒸发器回路热管，四周型的设计也更适合于实际，应用场所更加灵活。

在该型多蒸发器回路热管中，汇流孔盖板的设计将整个冷凝器空间分割为上层的气层和下层的液层，盖板中央位置开孔连通两个区域，同时冷凝分流板的冷凝槽道设计为中央圆形凹台、四周沿弧线延伸的矩形截面槽道旋转对称布置，槽道末端与汇流孔盖板的壁面开孔相对齐。其有益效果是，汇流孔很好地保证了气层的过热蒸汽压力施加于冷凝分流板中央，这样进入冷凝器的过热蒸汽从中部汇流孔流经凹台冷凝，在过热蒸汽压力的推动下，沿弧线槽道向四周流动，最后均匀流出冷凝器，完成工质循环。

在该型多蒸发器回路热管中，蒸发器补偿器单元采用一体式设计，设计结构为封闭圆柱腔体，蒸发器一端烧结毛细芯，液体管线延伸穿过补偿器至毛细芯内部引流槽道靠近蒸发器一侧，蒸发器补偿器单元的水平位置与冷凝分流板与液体管线平齐，其有益效果是，一体式设计保证了蒸发器中毛细芯的持续浸润，蒸发器不易烧干和聚集不凝性气体，毛细芯引流管靠近蒸发器一侧可确保毛细芯完全浸润，不使其由于传输过程中的相变导致一部分毛细芯烧干，蒸发器补偿器单元与冷凝板管线平齐，可保证回路热管内工质运行时不抵抗液体工质的重力作用。

附图说明

图1为本发明多蒸发器回路热管的外观示意图；

图2为本发明多蒸发器回路热管冷凝器的示意图，(a)正等测图(b)剖视图；

图3为本发明多蒸发器回路热管中蒸汽腔示意图，(a)俯视图(b)剖视图；

图4为本发明多蒸发器回路热管中汇流孔盖板示意图，(a)俯视图(b)剖视图；

图5为本发明多蒸发器回路热管中冷凝分流板示意图，(a)俯视图(b)正等测图；

图6为本发明多蒸发器回路热管中蒸发器补偿器单元剖视图；

图中标号:

1.冷凝器；2.气液管线；3.蒸发器补偿器单元；1-1.蒸汽腔；1-2.汇流孔盖板；1-3.冷凝分流板；

具体实施方式

结合附图，以下对本发明的具体实施方式进行详细描述。

本发明所述的新型多蒸发器回路热管整机结构如附图1所示，由冷凝器(包含蒸汽腔1-1、汇流孔盖板1-2、冷凝分流板1-3)、气液管线2、蒸发器补偿器单元3三部分组成。其中冷凝器进行了特殊的分层设计，由蒸汽腔1-1、汇流孔盖板1-2、冷凝分流板1-3三个组件构成，整个装置的布局设计为冷凝器置于正中，四个蒸发器3位于冷凝器的四个不同方位，呈四周型旋转对称分布，该发明管线分布方式与工质耦合方式可适用于一定范围内的蒸发器数目不同的多蒸发器回路热管，具有一定普适性。同时在具体应用环境下便于管线的布置和结构改造，有着极强的应用环境适应力。

本发明所描述的蒸汽腔1-1为旋转对称结构，将120mm×120mm×24mm的无氧铜块通过铣削加工加工成壁厚6mm的腔体，其作用是收集从各个气体管道支路流入的过热蒸汽，提供气耦合空间，腔体承压面上表面作加厚处理，上表面壁厚留10mm。对腔体四周壁面相同位置处，旋转对称的方式钻出直径6mm的孔，作为蒸汽腔1-1的气体入口。然后对蒸汽腔的四个孔分别焊接定长50mm的直径6mm无氧铜管，确保焊缝密封良好，该小段铜管作用是在实际使用时方便与整个系统管路的连接、密封、清洗和拆卸。

本发明所描述的汇流孔盖板1-2同样为腔体结构，由于该腔体大平面不受压，因而铣削加工各个壁面均为6mm，汇流孔盖板1-2的腔体结构为冷凝器下部液层提供空间与支撑，同蒸汽腔1-1设计，在其腔体四周相同位置钻直径6mm孔并焊接直径6mm的无氧铜管，值得注意的是，该钻孔位置应位于本侧蒸汽腔壁面开孔位置的另一边，开孔与铜管提供冷凝器过冷液体出口。汇流孔盖板1-2的中心位置钻出直径10mm的汇流孔，其作用是连通气层和液层，并将上部过热蒸汽的压力集中在下部液体层的中央，促使液体向四周开孔处流出。汇流孔盖板1-2与蒸汽腔1-1间通过焊接进行密封连接，焊接前应做好充分的清洗工作，避免杂质进入腔体较难清除，此处的两个腔体的连接也可采用螺栓与密封圈压紧连接，保证密封性即可。

本发明所描述的冷凝分流板1-3为大小恰好满足汇流孔盖板1-2腔体的带有弧形槽道的无氧铜块。冷凝分流板1-3由108mm×108mm×22mm的无氧铜块铣削加工槽道而成，其中中央为圆柱形凹台，其截面大小与汇流孔盖板1-2的汇流孔大小一致，槽深12mm，然后在凹台四周铣出旋转对称的四个圆弧轨迹的矩形截面槽道，槽深同为12mm，确保槽底面与汇流孔盖板1-2上的开孔相切。该圆弧轨迹绘制方法为，将正方形截面对角线相连，与中间圆相交的四个点即为圆弧起点，圆弧终点设置为冷凝分流板1-3与汇流孔盖板1-2开孔处结合的圆心位置，设定圆弧中心在该开孔对应的边上，该绘制方式方便铣削加工的定位。冷凝分流板1-3与汇流孔盖板1-2之间设计为过盈配合，于底板处通过焊接固定、密封。冷凝分流板的流道设计使得具有一定流动性的凝结液体在冷凝面底板上可以沿流道从中心向四周液体出口流动，及时将液体输送到蒸发器端完成管路工质的循环。为了加强冷凝分流板1-3上的凝结换热，对系统流阻影响不大的前提下，对开槽部位的表面可进行适当的表面粗糙处理，提高凝结换热的效率。

本发明所描述的蒸发器补偿器单元3是采用圆柱形腔体，蒸发器补偿器一体化设计的回路热管热端元件。在无氧铜圆柱壳体内一端进行铜粉烧结，形成带有表面蒸汽槽道、中间留有引流槽道的无氧铜毛细芯，另一端保持空壳状态，作为储存液体工质的补偿器，将带有次级毛细芯引流管从补偿器一端深入毛细芯内部，次级毛细芯的烧结有效保证了主毛细芯的持续浸润，放置过热气体倒流，将装配好后的圆柱壳体两端用焊有管线的端盖焊接密封，蒸发器一端管线连接气体管线，补偿器一端管线连接液体管线，通过管线的连接将蒸发器补偿单元3串入整个系统的气液管线2中。为了达到预设的换热效果，蒸发器补偿器单元3连入管路时，应当保持蒸发器与补偿器相互水平，并且整个蒸发器补偿器单元3应与冷凝分流板1-3槽道底面处于同一水平面，保证该多蒸发器回路热管运行过程中不受液体工质逆重力流动的影响。在原理样机设计中，蒸发器补偿器单元3与气液管线2的布置遵循完全的旋转对称布置，确保四支管路存在固有设计偏差，而在实际应用中，应根据不同工作环境的需求，不同热源的分布在合理范围内改变气液管线2长度、形状以及蒸发器补偿器单元3的位置，多蒸发器回路热管有自身的热分享特性，因此在一定变化范围内不同蒸发器间有一定的自适应性调节，仍满足正常工作的条件。值得注意的是，此时也应满足蒸发器补偿器单元3的水平要求，避免重力影响，不同高度热源分布的处理可由设计不同的蒸发器鞍座完成。

该新型结构多蒸发器回路热管的具体工作过程为：对装置进行检漏、除气、抽真空后，对应应用环境的温区选择合适的工质进行一定气液相比例的充装。工作过程中，冷凝器底部冷凝分流板1-3与冷源(如制冷机)相连，蒸发器补偿器单元3通过各自的鞍座与热源(待散热物)相连，工质在蒸发器补偿器3中受热蒸发，蒸发后的过热蒸汽沿气体管线流动至冷凝器部分，四支路的气体管道将各个蒸发器中的过热蒸汽收集到蒸汽腔1-1中，蒸汽腔1-1中的过热蒸汽通过汇流孔盖板1-2的汇流孔进入冷凝分流板1-3槽道中遇冷冷凝，冷凝后的液体聚集，在汇流孔处的蒸汽压力下，沿着弧形流道向四周汇流孔盖板1-2的液体出口流动，均匀流入四路液体管线，各支路液体管线的液体在铜毛细芯的毛细力作用下，流回蒸发器补偿器单元3一端，如此往复，工质便不停地在装置中循环往复，在热端吸热蒸发，冷端放热凝结，这样便实现了4个热源向1个冷凝器源源不断的相变换热过程。

本发明所描述的多蒸发器回路热管中的“多蒸发器”不单指发明中介绍的“四蒸发器”，“多蒸发器”中“多”的含义指两个以上，因此不同蒸发器数目条件下基于本发明冷凝器结构设计下的多蒸发器回路热管也落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种多蒸发器回路热管，包括冷凝器(1)、气液管线(2)、蒸发器补偿器单元(3)，其特征在于：

所述的多蒸发器回路热管中的冷凝器(1)位于正中心，四个蒸发器补偿器单元(3)气耦合连接布置于冷凝器(1)四周，冷凝器(1)与四个蒸发器补偿器单元(3)通过上下分层布置的气液管线(2)相连，气液管线(2)分别焊接于冷凝器(1)外壳的引管以及蒸发器补偿器单元(3)两侧的开口端盖上，蒸发器补偿器单元(3)呈旋转对称分布，并置于每条管线的下层；

所述的冷凝器(1)包括蒸汽腔(1-1)，汇流孔盖板(1-2)和冷凝分流板(1-3)，蒸汽腔(1-1)沿侧壁四个方向旋转对称开孔，开孔处焊接小段气体引管，其腔壁下端与汇流孔盖板(1-2)上表面焊接、密封；汇流孔盖板(1-2)四周壁面旋转对称开孔，开孔处焊接小段液体引管；汇流孔盖板(1-2)下端与冷凝分流板(1-3)的底面相焊接、密封；汇流孔盖板(1-2)将整个冷凝器空间分割为上层的气层和下层的液层，盖板中央位置开孔连通两个区域，保证气层的过热蒸汽压力施加于冷凝分流板(1-3)中央，同时冷凝分流板(1-3)的冷凝槽道设计为中央圆形凹台、四周沿弧线延伸的矩形截面槽道旋转对称布置，槽道末端与汇流孔盖板(1-2)的壁面开孔相对齐，进入冷凝器的过热蒸汽从中部汇流孔流经凹台冷凝，最后沿弧线槽道向四周流动，均匀流出冷凝器；

所述的蒸发器补偿器单元(3)结构为封闭圆柱腔体，蒸发器一端为毛细芯结构，液体管线延伸穿过补偿器至毛细芯内部引流槽道靠近蒸发器一侧，蒸发器补偿器单元(3)的水平位置与冷凝分流板(1-3)与气液管线(2)平齐。

2.根据权利要求1所述的一种多蒸发器回路热管，其特征在于：

所述的蒸发器补偿器单元(3)不限于四个，且呈旋转对称分布于冷凝器(1)周围。