CN112161501B

CN112161501B - 可控热管

Info

Publication number: CN112161501B
Application number: CN202011041191.8A
Authority: CN
Inventors: 刘思学; 刘畅; 吕巍; 郭霖; 黄金印; 王录; 张红星; 苗建印; 王慧志
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2022-02-25
Anticipated expiration: 2040-09-28
Also published as: CN112161501A

Abstract

本发明涉及热控技术领域，具体而言，涉及一种可控热管。可控热管包括第一热源、蒸发段、第一绝热段、冷凝段、第二绝热段和储气室；蒸发段、第一绝热段、冷凝段、第二绝热段和储气室依次连接，且蒸发段、第一绝热段、冷凝段、第二绝热段和储气室的内部连通为密闭空间，密闭空间的内壁上设置有毛细结构，毛细结构连接蒸发段、第一绝热段、冷凝段、第二绝热段和储气室；密闭空间内设置有传热工质和控制气体，控制气体设置在储气室的一端；第一热源与储气室连接。本发明实现了对冷凝段打开程度的调节，保证了冷凝段的热导能力与负载设备所需的工作温度相匹配，进而满足负载设备的发热量变化较大而需要工作在相对较窄的温度范围内的需求。

Description

可控热管

技术领域

本发明涉及热控技术领域，具体而言，涉及一种可控热管。

背景技术

可控热管是通过改变热管的热导能力来适应负载工况变化的一种特种热管。相对于普通的热管，可控热管具备热导可调节的优势。在冷源温度确定而热源发热量变化的情况下，可以通过改变热管的热导来实现热管两端的温度可调，从而使得发热的设备温度不发生较大的变化，有利于其长期稳定运行。

常规的可控热管在进行热导调节的时候，只是根据负载设备的发热量来改变冷凝器的打开程度，进而实现热导的改变，进而实现对负载设备的降温。而当负载设备的发热量较大时，冷凝器打开程度不够时，会影响到对降温幅度；当负载设备的发热量较小时，冷凝器打开程度太高时，会导致负载设备的降温幅度太大。

也就是说，常规的可控热管的温度调节范围，即工作温区较宽，难以满足一些复杂环境下的负载设备发热量变化较大而工作温度范围较窄的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可控热管，其能够满足发热量变化较大的负载设备工作在相对较窄的温度区间内的需求。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明实施例提供一种可控热管，包括第一热源、蒸发段、第一绝热段、冷凝段、第二绝热段和储气室；

所述蒸发段、所述第一绝热段、所述冷凝段、所述第二绝热段和所述储气室的内部依次连通，形成密闭空间，所述密闭空间的内壁上设置有毛细结构，所述毛细结构连接所述蒸发段、所述第一绝热段、所述冷凝段、所述第二绝热段和所述储气室；

所述密闭空间内设置有传热工质和控制气体，所述控制气体设置在所述储气室的一端；

所述第一热源与所述储气室连接，用于给所述储气室进行加热。

在可选的实施方式中，所述第一热源为加热温度可控装置。

在可选的实施方式中，所述加热温度可控装置为薄膜加热器。

在可选的实施方式中，还包括第一冷源，所述第一冷源用于对所述储气室进行降温。

在可选的实施方式中，所述毛细结构包括毛细槽道和多孔介质中的至少一种。

在可选的实施方式中，还包括第二热源和第二冷源；

所述第二热源用于对所述蒸发段进行加热，所述第二冷源用于对所述冷凝段进行降温。

在可选的实施方式中，所述传热工质在所述第二热源的工作温度范围内为气液两相态。

在可选的实施方式中，所述传热工质为氨、甲烷、酒精或氖单质。

在可选的实施方式中，所述控制气体为氮气或惰性气体。

在可选的实施方式中，所述第一绝热段和所述第二绝热段的材质为低导热材质或热绝缘材质。

本发明实施例的有益效果是：

通过蒸发段、第一绝热段、冷凝段构成热管，通过第一热源对储气室的加热，调整可控热管内的控制气体、传热工质的位置，进而实现对冷凝段打开程度的调节，保证了冷凝段的热导能力与负载设备所需的工作温度相匹配，进而满足负载设备的发热量变化较大而需要工作在相对较窄的温度范围内的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的可控热管的第一种实施方式的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的可控热管的第二种实施方式的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的可控热管的冷凝段完全打开时的状态示意图；

图4为本发明实施例提供的可控热管的冷凝段部分打开时的状态示意图；

图5为本发明实施例提供的可控热管的冷凝段完全关闭时的状态示意图。

图标：1-蒸发段；2-第一绝热段；3-毛细结构；4-冷凝段；5-第二绝热段；6-储气室；7-第一热源；8-第一冷源；9-第二冷源；10-第二热源；11-传热工质；12-控制气体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图1-附图5，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

热阻与热导的定义式如下：

R为热阻，

为热导，ΔT为传热温差，Q为传热量。

对于常规可控热管，其由蒸发段1、过渡段、冷凝段4以及储气室6构成，且蒸发段1、过渡段和冷凝段4为同一根普通热管的不同部位。在常规可控热管内部充注一定量的传热工质11和控制气体12，其中，负载热源的温度可表示为下式：

其中，T_H为热源温度，T_C为冷源温度，Q为设备的发热量，R₁为发热设备与蒸发段1之间的传热热阻，R₂为蒸发段1的总传热热阻，R₃为过渡段的总传热热阻，R₄为冷凝段4总传热热阻，R₅为冷凝段4与冷源的传热热阻。

对于蒸发段1、过渡段以及冷凝段4，其内部有传热工质11的相变传热，因此其传热热阻包括工质传热热阻和固体传热热阻两部分，其关系如下：

其中，R_ia代表传热工质11通过相变传热途径传热的传热热阻；R_ib代表通过固体壁面导热的传热热阻。

因此，负载热源的温度为

针对普通热管，由于热导相对恒定，因此负载热源的温度与负载设备的发热量成正相关关系，在负载设备的发热量变化较大时，负载热源温度变化量也较大。

针对常规可控热管，其调控比η定义为：

其中，Q_max为负载设备的最大发热量，Q_min为即负载设备的最小发热量。

常规可控热管在热源最大发热量和最小发热量情况下负载设备的温度可分别表示为下式：

其中，

为负载设备的发热量最大时负载设备温度；

为负载设备的发热量最小时负载设备温度；R_iaH(i＝2,3,4)分别为负载设备的发热量最大时蒸发段1、过渡段和冷凝段4的工质传热热阻；R_ibH(i＝2,3,4)分别为负载设备的发热量最小时蒸发段1、过渡段和冷凝段4的工质传热热阻；R_ib(i＝2,3,4)分别为蒸发段1、过渡段和冷凝段4的固体壁面导热热阻。

由于传热工质11相变传热的热阻相较于固体导热热阻和界面传热热阻是小量，可以忽略，因此在负载设备的最大发热量和最小发热量情况下，负载设备的温度可分别表示为下式：

因此，针对常规可控热管，在负载设备的发热量较大的情况下，负载设备的温度也较高；而在负载设备的发热量较小的情况下，负载设备的温度也较低，难以适用于对负载设备的发热量需求变化范围较大(调控比较大)，而要求负载设备的工作温度区间较窄的场景。

针对上述问题，本发明实施例提供一种可控热管，如图1至图5，包括第一热源7、蒸发段1、第一绝热段2、冷凝段4、第二绝热段5和储气室6；蒸发段1、第一绝热段2、冷凝段4、第二绝热段5和储气室6的内部依次连通，形成密闭空间，密闭空间的内壁上设置有毛细结构3，毛细结构3连接蒸发段1、第一绝热段2、冷凝段4、第二绝热段5和储气室6；密闭空间内设置有传热工质11和控制气体12，控制气体12设置在储气室6的一端；第一热源7与储气室6连接，用于给储气室6进行加热。

具体的，在本实施例中，第一热源7为加热温度可控装置。

第一热源7为温控装置，能够对储气室6的温度进行调整，进而实现对冷凝段4的打开程度进行适应性调整，保证冷凝段4的打开程度与负载设备所需温度相匹配。

更具体的，在本实施例中，加热温度可控装置为薄膜加热器。

在使用时，将薄膜加热器粘贴在储气室6的外表面，通过控制对薄膜加热器的加热电压的方式来控制器加热功率，进而改变加热温度。

需要指出的是，第一热源7可以是使用薄膜加热器，但其不仅仅局限于薄膜加热器这一种装置，其还可以是其他的装置，其只要能够时限对储气室6内的温度进行加热即可。

在可选的实施方式中，还包括第一冷源8，第一冷源8用于对储气室6进行降温。

通过第一热源7和第一冷源8的配合，能够时限储气室6内的温度的自由调节，且调节效率较快。

在可选的实施方式中，毛细结构3包括毛细槽道和多孔介质中的至少一种。

也就是说，在蒸发段1、第一绝热段2、冷凝段4、第二绝热段5和储气室6内的毛细结构3可以是毛细槽道或多孔介质中的任意一种，也可以是任意几种的结合。

蒸发段1、第一绝热段2、冷凝段4、第二绝热段5和储气室6内的毛细结构3可以是相同的，也可以是不相同的，其只要能够进行连通，进而实现通过毛细力将传热工质11从冷凝段4输送到蒸发段1即可。

在可选的实施方式中，还包括第二热源10和第二冷源9；第二热源10用于对蒸发段1进行加热，第二冷源9用于对冷凝段4进行降温。

在正常的工作状态下，第二热源10即负载设备，第二冷源9为对外的散热设备，本实施例中的可控热管的作用是为负载设备进行降温，相当于是将负载设备的热量传导给第二冷源9。

在本实施例中，单独设置第二热源10和第二冷源9，可以对可控热管在进行使用前进行测试，在测试正常进行工作时，将第二热源10更换为负载热源即可。

在本实施例中，第一冷源8和第二冷源9可以是同一个冷源，也可以是不同的冷源。

在可选的实施方式中，传热工质11在第二热源10的工作温度范围内为气液两相态。

具体的，在本实施例中，传热工质11为氨、甲烷、酒精或氖单质；控制气体12为氮气或惰性气体。

更具体的，在本实施例中，控制气体12在所有工况下都以气态存在，且不与传热工质11、固体结构发生化学或者物理反应。

具体的，可以有氮气、氖单质气、氦气等。

需要指出的是，传热工质11可以是上述所述的氨、甲烷、酒精或氖单质等，但其不仅仅局限于上述几种工质，其只要能够满足在工作温度的范围内为气液两相态的条件即可。

在本实施例中，蒸发段1、第一绝热段2、冷凝段4、第二绝热段5和储气室6的形状结构可以是如图1和图2所示，但其不仅仅局限于该形状，其只要能够实现可控热管的功能即可。

在可选的实施方式中，第一绝热段2和第二绝热段5的材质为低导热材质或热绝缘材质。

具体的，在本实施例中，第一绝热段2和第二绝热段5的材质为钛合金。

本实施例中，蒸发段1、冷凝段4和储气室6的材质为铝合金，第一绝热段2、第二绝热段5的材质为钛合金材料，蒸发段1、第一绝热段2、冷凝段4、第二绝热段5的内部的毛细结构3为槽道结构；储气室6的内部的毛细结构3为金属丝网制作而成的多空介质毛细结构3；传热工质11为氨，控制气体12为氖单质。

其中，第一绝热段2与蒸发段1、冷凝段4之间的连接方式为焊接；第二绝热段5与冷凝段4、储气室6之间的连接方式为焊接。

在本实施例中，蒸发段1的轴向长度为400mm-600mm，第一绝热段2的长度为100mm-400mm，冷凝段4的长度为500mm-1000mm，第二绝热段5长度为100mm-200mm。

在本实施例中的储气室6与第一冷源8之间，冷凝段4与第二冷源9之间的换热方式均为辐射换热，且第一冷源8和第二冷源9为同一个冷源，其中冷源为与液氮相连的大面积金属换热面。

在本实施例中，如图3所示，在第二热源10的发热功率为60W的情况下，不对储气室6进行加热，即第一热源7无加热功率。蒸发段1由于在第二热源10的加热作用下，其温度会升高，会促使其内部的传热工质11吸热汽化，从而使得局部压力升高。压力升高后，蒸发段1内部的传热工质11气体会发生膨胀，从而带动控制气体12依次进入第一绝热段2、冷凝段4、第二绝热段5和储气室6。在控制气体12被传热工质11的气体挤压进入储气室6的同时，由于冷凝段4的温度相对蒸发段1的温度较低，传热工质11的蒸汽在进入冷凝段4后逐渐冷凝变为液体，冷凝后的液体工质在毛细结构3中由于毛细力的作用经由第一绝热段2回到蒸发段1内，并再次蒸发，如此循环往复实现对第二热源10的冷却。

同时，由于储气室6与第一冷源8之间存在辐射换热，因此储气室6温度会降低，使得其内部控制气体12压力降低，在压力差的驱动下，冷凝段4内部的控制气体12会进一步经由第二绝热段5进入储气室6内部，使得冷凝段4内部的传热工质11增多，传热工质11与冷凝段4的固体壁面之间的换热量增加，使得冷凝段4的冷凝传热能力增强。

因此，在第二热源10温度恒定的情况下，可控热管的各部位温度可以达到平衡并稳定。

在本实施例中，如图5所示，在第二热源10的加热功率极小的情况下，蒸发段1传热工质11吸收热量较小，因此汽化量较少，传热工质11的蒸汽压力较低，使得其饱和温度也相对较低。此时，开启第一热源7，通过对储气室6进行加热控温，使得储气室6内部的控制气体12经由第二绝热段5进入冷凝段4，进而会将传热工质11压缩，使得多数的传热工质11进入第一绝热段2和蒸发段1内部。此时，由于传热工质11在冷凝段4中存在的量极少，因此通过蒸发和冷凝的传热途径从蒸发段1进入冷凝段4的热量极少，蒸发段1与冷凝段4之间的传热途径主要为第一绝热段2的固体导热。而由于第一绝热段2的材料为低热导率的钛合金，因此其传热量较小，使得蒸发段1温度变化较小。

同时，由于第二绝热段5的隔热作用，使得储气室6与冷凝段4之间的传热量也极小，可以使得冷凝段4稳定在一个较低的温度水平，使得冷凝段4与第二冷源9之间的温差减小，进而使得通过冷凝段4向第二冷源9辐射散热量也减小，可以维持所述可控热管的温度稳定。

在本实施例中，通过本发明可以使得在热源发热量在1.4W-60W内变化时，蒸发段1温度在0℃-30℃的较窄的范围内变化，各部位的温度与加热功率见下表。

对于不采用本发明的情况，根据此前的实验数据，第二热源10的发热量在1.4W～60W内变化时，蒸发段1温度在-35℃～40℃内变化。因此，本发明的采用，可以使得第二热源10的发热量一定的情况下大幅度缩小蒸发段1以及第二热源10的温度变化量。同时，在温度变化量一定的情况下，本发明可以允许第二热源10的发热量变化范围相对较宽，实现窄温区高调控比传热。

有上述可以看出，本发明的有益效果如下：

如图3所示，在负载设备的发热量Q较大，为Q_max时。

蒸发段1的传热工质11饱和蒸汽压力较大，控制气体12较多地进入储气室6，使得冷凝段4最大程度导通，冷凝段4热阻R_4aH减小，使得冷凝段4总热阻R₄减小；储气室6通过与第一冷源8之间的传热作用，使得控制气体12的温度降低；由于在冷凝段4与储气室6之间增加了第二隔热段，使得储气室6与冷凝段4之间的传热热阻增大，因此可以维持储气室6与冷凝段4之间较大的温差，使得储气室6温度明显低于冷凝段4温度，进一步使得冷凝段4打开比例增大，冷凝段4的热阻R_4aH进一步减小，使得冷凝段4的总热阻R₄进一步减小。因此，在负载设备的发热量较大的情况下，一方面可以通过降低储气室6的温度，增加储气室6与冷凝段4之间热阻的方式，来实现增强热导通能力，减小传热热阻，进而减小第二冷源9与第二热源10之间的传热温差，从而降低了

如图5所示，在负载设备的发热量Q较小，为Q_min的情况下。

此时通过第一热源7对储气室6进行加热控温，使得储气室6的温度高于冷凝段4温度，此时储气室6内部的控制气体12较多地通过第二隔热段进入冷凝段4，并将传热工质11较多地排挤到蒸发段1的内部，使得第一隔热段、冷凝段4、第二隔热段以及储气室6内部较多地是控制气体12，而传热工质11则主要存在于蒸发段1。

因此，在负载设备的发热量Q较小的情况下，第一隔热段、冷凝段4内传热工质11量较少或没有传热工质11，热阻R_3aC和R_4aC极大，此时第一隔热段和冷凝段4的固体导热为热量传递的主要途径；而由于第一隔热段固体材料为低热导率材料，因此其热阻较大，使得第二冷源9和第二热源10之间的总传热热阻进一步增大，使得第二热源10的温度相对于第二冷源9的温度较高，从而提升了

因此，负载设备在最大发热量和最小发热量情况下的温度分别为：

其中，R₅＇_H为可控热管在负载设备的发热量较大时冷凝段4与第二冷源9之间的传热热阻，其相对于常规可控热管的热阻R_5H有所降低；R₃＇_bC为第一隔热段的固体壁面导热的热阻；Q_RC为负载设备的最小发热量时储气室6通过第二隔热段向冷凝段4传递的热量；

相比于常规可控热管，本发明所述的可控热管可以降低最大发热量时的负载设备的温度，并提高最小发热量时负载设备的温度。使得负载设备工作在相对较窄的温度区间内，可以确保其运行稳定性和寿命。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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

1.一种可控热管，其特征在于，包括第一热源、蒸发段、第一绝热段、冷凝段、第二绝热段和储气室；

所述第一热源与所述储气室连接，用于给所述储气室进行加热；

还包括第一冷源，所述第一冷源用于对所述储气室进行降温；

还包括第二热源和第二冷源；

所述第二热源用于对所述蒸发段进行加热，所述第二冷源用于对所述冷凝段进行降温；

所述传热工质在所述第二热源的工作温度范围内为气液两相态。

2.根据权利要求1所述的可控热管，其特征在于，所述第一热源为加热温度可控装置。

3.根据权利要求2所述的可控热管，其特征在于，所述加热温度可控装置为薄膜加热器。

4.根据权利要求1所述的可控热管，其特征在于，所述毛细结构包括毛细槽道和多孔介质中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的可控热管，其特征在于，所述传热工质为氨、甲烷、酒精或氖单质。

6.根据权利要求1所述的可控热管，其特征在于，所述控制气体为氮气或惰性气体。

7.根据权利要求1所述的可控热管，其特征在于，所述第一绝热段和所述第二绝热段的材质为低导热材质或热绝缘材质。