CN110988022A - 一种套管式冷却水套结构和重力热管检测装置及检测方法 - Google Patents

一种套管式冷却水套结构和重力热管检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种套管式冷却水套结构，一种套管式冷却水套结构，包括外侧套管和内侧套管，其中内侧套管从外侧套管的下端面向上、以内侧套管、外侧套管同轴线的方式插入到外侧套管内；所述内侧套管为上下两端均开口的套管，其内侧套管的下端为冷却水进口，外侧套管的底部侧壁或下端面开有冷却水出口，外侧套管的上端面开有容纳被冷却结构穿过的通孔A，内侧套管的上端开口正对容纳被冷却结构穿过的通孔A。

Description

一种套管式冷却水套结构和重力热管检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及热管检测领域，具体一种套管式冷却水套结构和重力热管检测装置及检测方法。
背景技术
热管是一种将沸腾和冷凝有机结合的高效传热元件，其具有高效的导热性、优良的等温性、热流密度可变性及恒温特性。因此，热管传热技术广泛应用于航空航天、电子散热及动力工程的工业领域。
如图所示1，重力热管是在封闭真空管内填充工作液体，利用液体的蒸发和液化相变转换进行热传导，把热能从一个不易传热的位置转移到另一个可有效散热位置的高效热转换元件。热管从轴向可分为三段，即蒸发段、绝热段和冷凝段，可以根据需要把绝热段布置在两段中间，并且可以将热管的冷凝段和蒸发段放置在任意位置。热管从径向也可分为三个部分，即管壳、吸液芯和蒸汽空间，当蒸发段受热时，吸液芯中的工作液体吸收热量后蒸发为气体；蒸发段的蒸气压力高于在冷凝段的平衡气体压力，所形成的压力差迅速推动蒸气向冷凝段流动，气体在冷凝段内的气液分界面上转换成液体并释放出大量的热，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用重新流回蒸发段，如此循环不已，从而使高效热传导得以进行。
在重力热管设计初，需要对重力热管的传热性能进行测试，获取热管启动、稳定传热等不同工作过程中详细准确的实验数据，测试实验需要提供热管蒸发段热源及冷凝段的冷源。
需要设计一种热管测试冷源结构，能够准确获得热管的传热特性。
发明内容
本发明提供一种套管式冷却水套结构和重力热管检测装置及检测方法，该装置可以以更为准确的方式检测热管或发热物体进行冷却。
本发明通过下述技术方案实现：
一种套管式冷却水套结构，
包括外侧套管和内侧套管，其中内侧套管从外侧套管的下端面向上、以内侧套管、外侧套管同轴线的方式插入到外侧套管内；
所述内侧套管为上下两端均开口的套管，其内侧套管的下端为冷却水进口，外侧套管的底部侧壁或下端面开有冷却水出口，外侧套管的上端面开有容纳被冷却结构穿过的通孔A，内侧套管的上端开口正对容纳被冷却结构穿过的通孔A。
还包括螺纹压头，螺纹压头开有容纳被冷却结构穿过的通孔B，通孔B与通孔A同轴线正对设置，容纳被冷却结构穿过的通孔A为台阶通孔，台阶通孔包括连通的大直径通孔和小直径的通孔，其中，大直径通孔内设置有O型密封圈，O型密封圈以过盈方式嵌入到大直径通孔内，所述外侧套管上端侧壁设置有配合螺纹压头的外螺纹，螺纹压头旋钮在外侧套管上端后压紧O型密封圈。
所述大直径通孔内还设置有定位圈，所述定位圈位于O型密封圈下方。
所述内侧套管内壁设置有定位销。
内侧套管内壁与被冷却结构之间的间距为L，L的取值范围为：0-3mm，不包括0mm。
所述内侧套管为圆管或方管。
所述外侧套管为圆管或方管。
重力热管检测装置，
包括上述一种套管式冷却水套结构，所述被冷却结构为重力热管，所述重力热管的冷凝段从内侧套管的上端开口插入到内侧套管内；
还包括与进水口连接的进水支路和与出水口连接的出水管，其中进水支路上安装有进水热电偶和流量计，出水管上设置有出水热电偶。
目前，传统的热管测试使用水箱模拟热管冷源，水箱底部安装旋转叶轮，通过叶轮搅拌冷却水使得水箱中冷却水的温度保持均匀，通过测量水箱进出口温差推算热管的热管能力。这种热管冷却方式存在一些缺点：(1)水箱中冷却水量较大，热管传输的热量相对较小，可能使水箱进出口温差较小，增大了测量误差；(2)水箱中即使装配叶轮交混冷却水，但水箱中冷却水依然可能存在较大的不均匀性，靠近热管壁面的冷却水温度较高，远离热管的冷却水温度较低，甚至出现冷热水分层现象，严重影响实验测试的准确性；(3)由于水箱中水量较大，冷却水的温度变化对热管传热量不敏感，无法通过水箱进出口流速调节水箱内部换热过程。
本发明的套管式冷却水套结构，其采用同轴双套管的方式进行布局，其底部为进水口，上部为出水口，使得冷却用的水自下而上，然后自上而下流出，首先，由于内侧套管的定向导流，使得水均匀的向上，内套管内各点的压力基本保持不变，从而使得水的流速是非常均匀的，因此其热交换很均匀，可实现冷却水与热管之间充分换热，上部结构可实现热管及冷却水套管间绝缘密封，通过改变冷却水流量可改变热管测试实验工况，同时该结构可满足热管精确定位、进出口水温恒定准确，提高热管测试实验的精度提高热管系统整体换热效率，可广泛应用于热能工程、化工、航空航天等领域。
另外，由于外部进水是从内侧套管的底部进入，水流会向上直冲，为了避免水流速度大、压力大时造成顶部的密封结构出现无法密封的问题，本发明设置了特殊的密封结构，其采用螺纹压头，利用在外侧套管的顶面设置O型密封圈，在螺纹压头未旋紧时，O型密封圈的厚度是超过外侧套管的顶面的，在螺纹压头旋紧时，利用螺纹压头将O型密封圈下压，然后O型密封圈被挤压到被冷却结构侧壁上，与被冷却结构侧壁保持非常大的压力。从而形成密封。
基于重力热管检测装置的重力热管检测方法：
包括以下步骤：
S1、将重力热管的冷凝段插入到外侧套管后，使其重力热管从内侧套管的上端开口插入到内侧套管内；
S2、调节冷凝段插入到内侧套管内的深度(热管可按竖直方向确定冷凝段长度后精确定位)；
S3、运行重力热管；
S4、通过进水支路释放水从内侧套管的底部进入，使水从内侧套管的底部向上后再反向向下沿外侧套管进入到外侧套管底部侧壁或下端面的冷却水出口；
S5、记录进水热电偶和流量计、出水热电偶的参数；
S6、根据进水热电偶和流量计、出水热电偶的参数计算重力热管的换热状态。
调节冷凝段插入到内侧套管内的深度为：使得重力热管的冷凝段与绝热段的分界线与内侧套管的上端面齐平。
总的来说，本发明的有益效果为：本发明属于试验装置，具体涉及一种套管式冷却水套结构，主要包括螺纹压头、定位圈、O型密封圈、外侧套管、内侧套管、定位销、出水管、热电偶、流量计及相关连接管路等，其中内外套管结构实现冷却水自下而上流过热管并与之充分换热后，再自上而下流出，该发明结构可实现热管及冷却水套管间绝缘密封，通过改变冷却水流量可改变热管测试实验工况，同时该结构可满足热管精确定位、进出口水温恒定准确，提高热管测试实验的精度。可用于用于热管性能测试实验及柱状结构冷却，确保不同实验条件下热管充分冷却，冷却水进出口温度保持恒定准确，提高热管性能测试实验精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
附图1为热管的结构示意图。
附图2为单套管的结构示意图。
附图3为本发明的结构示意图。
图中附图标记分别表示为：1、热管冷凝段，2、螺纹压头，3、定位圈，4、O型密封圈，5、外侧套管，6、内侧套管，7、定位销，8、出水管，9、进水热电偶，10、流量计，11台阶通孔，12、出水热电偶。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图3所示，一种套管式冷却水套结构，
包括外侧套管5和内侧套管6，其中内侧套管6从外侧套管5的下端面向上、以内侧套管6、外侧套管5同轴线的方式插入到外侧套管5内；
所述内侧套管6为上下两端均开口的套管，其内侧套管6的下端为冷却水进口，外侧套管5的底部侧壁或下端面开有冷却水出口，外侧套管5的上端面开有容纳被冷却结构穿过的通孔A，内侧套管6的上端开口正对容纳被冷却结构穿过的通孔A。
还包括螺纹压头2，螺纹压头2开有容纳被冷却结构穿过的通孔B，通孔B与通孔A同轴线正对设置，容纳被冷却结构穿过的通孔A为台阶通孔11，台阶通孔11包括连通的大直径通孔和小直径的通孔，其中，大直径通孔内设置有O型密封圈4，O型密封圈以过盈方式嵌入到大直径通孔内，所述外侧套管5上端侧壁设置有配合螺纹压头2的外螺纹，螺纹压头2旋钮在外侧套管5上端后压紧O型密封圈。
所述大直径通孔内还设置有定位圈3，所述定位圈3位于O型密封圈下方。
所述内侧套管6内壁设置有定位销7。
内侧套管6内壁与被冷却结构之间的间距为L，L的取值范围为：0-3mm。
由于，本发明中的出口设置在外侧套管5底部侧壁，由于是侧壁出口，因此，会在底部形成一定的压差，经过研究，我们发现，若将L的范围控制在3mm以内，则能有效的降低由于侧壁出口所导致的压差，使得整个水流处于很均匀的状态。而超过3mm，则会导致出现不利于检测的非均匀水流波动。导致检测不可靠。因此，本申请优选将其L的范围控制在3mm以内，以内表示包括3mm。
所述内侧套管6为圆管或方管。
所述外侧套管5为圆管或方管。
实施例2
重力热管检测装置，
包括上述一种套管式冷却水套结构，所述被冷却结构为重力热管，所述重力热管的冷凝段从内侧套管6的上端开口插入到内侧套管6内；
还包括与进水口连接的进水支路和与出水口连接的出水管8，其中进水支路上安装有进水热电偶9和流量计10，出水管上设置有出水热电偶12。
目前，传统的热管测试使用水箱模拟热管冷源，水箱底部安装旋转叶轮，通过叶轮搅拌冷却水使得水箱中冷却水的温度保持均匀，通过测量水箱进出口温差推算热管的热管能力。这种热管冷却方式存在一些缺点：(1)水箱中冷却水量较大，热管传输的热量相对较小，可能使水箱进出口温差较小，增大了测量误差；(2)水箱中即使装配叶轮交混冷却水，但水箱中冷却水依然可能存在较大的不均匀性，靠近热管壁面的冷却水温度较高，远离热管的冷却水温度较低，甚至出现冷热水分层现象，严重影响实验测试的准确性；(3)由于水箱中水量较大，冷却水的温度变化对热管传热量不敏感，无法通过水箱进出口流速调节水箱内部换热过程。
如图2所示，我们假设仅采用1个套管进行热交换，使得其进水口在下部，出水口在上部，由于进水口和出水口都位于一侧，那么此时如图2所示，其进水口和出水口的一侧由于之间的距离近，因此会造成该侧水阻力小，从而导致其一侧的水流大，热交换块，而对侧的水流小，这样就会造成水流不均，从而影响测量精度，同时，由于热管的不是一个热量均匀的结构，其时间部分的热量更大，端部的热量更小，那么就会加大这种不均匀性，虽然传统的采用水箱搅拌方法进行混合，但是由于存在不定向的流动问题，因此热量也是不均匀的。
而，如图3所示，本发明的套管式冷却水套结构，其采用同轴双套管的方式进行布局，其底部为进水口，上部为出水口，使得冷却用的水自下而上，然后自上而下流出，首先，由于内侧套管的定向导流，使得水均匀的向上，内套管内各点的压力基本保持不变，从而使得水的流速是非常均匀的，因此其热交换很均匀，可实现冷却水与热管之间充分换热，上部结构可实现热管及冷却水套管间绝缘密封，通过改变冷却水流量可改变热管测试实验工况，同时该结构可满足热管精确定位、进出口水温恒定准确，提高热管测试实验的精度提高热管系统整体换热效率，可广泛应用于热能工程、化工、航空航天等领域。
另外，由于外部进水是从内侧套管的底部进入，水流会向上直冲，为了避免水流速度大、压力大时造成顶部的密封结构出现无法密封的问题，本发明设置了特殊的密封结构，其采用螺纹压头2，利用在外侧套管的顶面设置O型密封圈4，在螺纹压头未旋紧时，O型密封圈4的厚度是超过外侧套管的顶面的，在螺纹压头旋紧时，利用螺纹压头将O型密封圈4下压，然后O型密封圈4被挤压到被冷却结构侧壁上，与被冷却结构侧壁保持非常大的压力。从而形成密封。
实施例3
基于重力热管检测装置的重力热管检测方法：
包括以下步骤：
S1、将重力热管的冷凝段插入到外侧套管5后，使其重力热管从内侧套管6的上端开口插入到内侧套管6内；
S2、调节冷凝段插入到内侧套管6内的深度(热管可按竖直方向确定冷凝段长度后精确定位)；
S3、运行重力热管；
S4、通过进水支路释放水从内侧套管6的底部进入，使水从内侧套管6的底部向上后再反向向下沿外侧套管5进入到外侧套管5底部侧壁或下端面的冷却水出口；
S5、记录进水热电偶9和流量计10、出水热电偶12的参数；
S6、根据进水热电偶9和流量计10、出水热电偶12的参数计算重力热管的换热状态。
调节冷凝段插入到内侧套管6内的深度为：使得重力热管的冷凝段与绝热段的分界线与内侧套管6的上端面齐平。
热管换热性能测试实验时，可将本发明结构安装在热管冷凝段，冷却水通过流量计10测量后从内侧套管内自下而上流入与热管充分换热后，再自上而下流入外侧套管内，最终通过出水管流出。冷却水进出口温度可通过热电偶测量。此外，该发明也适用于柱状发热体的冷却，将柱状发热体视为热管，用同样方法也可实现对柱状发热体的冷却及测量。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种套管式冷却水套结构，其特征在于，
包括外侧套管(5)和内侧套管(6)，其中内侧套管(6)从外侧套管(5)的下端面向上、以内侧套管(6)、外侧套管(5)同轴线的方式插入到外侧套管(5)内；
所述内侧套管(6)为上下两端均开口的套管，其内侧套管(6)的下端为冷却水进口，外侧套管(5)的底部侧壁或下端面开有冷却水出口，外侧套管(5)的上端面开有容纳被冷却结构穿过的通孔A，内侧套管(6)的上端开口正对容纳被冷却结构穿过的通孔A。
2.根据权利要求1所述的一种套管式冷却水套结构，其特征在于，
还包括螺纹压头(2)，螺纹压头(2)开有容纳被冷却结构穿过的通孔B，通孔B与通孔A同轴线正对设置，容纳被冷却结构穿过的通孔A为台阶通孔(11)，台阶通孔(11)包括连通的大直径通孔和小直径的通孔，其中，大直径通孔内设置有O型密封圈(4)，O型密封圈以过盈方式嵌入到大直径通孔内，所述外侧套管(5)上端侧壁设置有配合螺纹压头(2)的外螺纹，螺纹压头(2)旋钮在外侧套管(5)上端后压紧O型密封圈。
3.根据权利要求2所述的一种套管式冷却水套结构，其特征在于，
所述大直径通孔内还设置有定位圈(3)，所述定位圈(3)位于O型密封圈下方。
4.根据权利要求1所述的一种套管式冷却水套结构，其特征在于，所述内侧套管(6)内壁设置有定位销(7)。
5.根据权利要求1所述的一种套管式冷却水套结构，其特征在于，
内侧套管(6)内壁与被冷却结构之间的间距为L，L的取值范围为：0-3mm。
6.根据权利要求1所述的一种套管式冷却水套结构，其特征在于，
所述内侧套管(6)为圆管或方管。
7.根据权利要求1所述的一种套管式冷却水套结构，其特征在于，
所述外侧套管(5)为圆管或方管。
8.重力热管检测装置，其特征在于，
包括权利要求1-5中任意一种套管式冷却水套结构，所述被冷却结构为重力热管，所述重力热管的冷凝段从内侧套管(6)的上端开口插入到内侧套管(6)内；
还包括与进水口连接的进水支路和与出水口连接的出水管(8)，其中进水支路上安装有进水热电偶(9)和流量计(10)，出水管上设置有出水热电偶(12)。
9.基于重力热管检测装置的检测方法，其特征在于，
包括以下步骤：
S1、将重力热管的冷凝段插入到外侧套管(5)后，使其重力热管从内侧套管(6)的上端开口插入到内侧套管(6)内；
S2、调节冷凝段插入到内侧套管(6)内的深度；
S3、运行重力热管；
S4、通过进水支路释放水从内侧套管(6)的底部进入，使水从内侧套管(6)的底部向上后再反向向下沿外侧套管(5)进入到外侧套管(5)底部侧壁或下端面的冷却水出口；
S5、记录进水热电偶(9)和流量计(10)、出水热电偶(12)的参数；
S6、根据进水热电偶(9)和流量计(10)、出水热电偶(12)的参数计算重力热管的换热状态。
10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，
调节冷凝段插入到内侧套管(6)内的深度为：使得重力热管的冷凝段与绝热段的分界线与内侧套管(6)的上端面齐平。
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