CN112414188A - 冷凝器及低温环路热管 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种冷凝器及低温环路热管，涉及航天器热控制技术领域，包括：主体构件，由第一表面限定了主体构件所占据的空间；至少一条冷凝路径，冷凝路径包括位于冷凝路径两端的第一端口和第二端口，以及在第一端口和第二端口之间延伸的第二表面；第二表面完全位于由第一表面所限定的主体构件所占据的空间内。本申请提供的冷凝器，相当于将冷凝路径设置在主体构件的内部，因此相对于传统冷凝器，尤其能够在有效的体积内，将降低表面积的同时增加传热面积，由此大大提高了冷凝器的换热效率和稳定性。

Description

冷凝器及低温环路热管

技术领域

本申请涉及航天器热控制技术领域，尤其是涉及一种冷凝器及低温环路热管。

背景技术

在空间探测与对地观测技术中，红外探测技术作为一项重要的高新技术。红外探测系统一般包括红外光学系统、红外探测器、信息处理设备、显控装置和扫描机构等。其中，红外探测器将集聚的辐射能转换成电信号，经放大、采集和处理后送给显控装置。对于灵敏度最高的光子型探测器，一般需要在100K以下的低温条件工作。

为满足深低温区对高效热传输技术的需求，2000年，国外研究人员在环路热管(Loop Heat Pipe,LHP)的基础上，开发了一种新型结构的环路热管，即低温环路热管(Cryogenic Loop Heat Pipe,CLHP)，将LHP的工作温区由常温拓展到深低温区，成为目前最具应用潜力的高效深低温热传输器件之一。

由于低温环路热管与环境之间存在巨大的温差，比如80K温区的液氮工质、35K的液氖工质、20K的液氢工质、4K的液氦工质，与环境分别存在190K、240K、250K和270K的巨大温差，即存在巨大的环境漏热。而在这个工作温度范围内，制冷机的冷量很小，功率系数在1％以下，即100W的电量只能产生小于1W的冷量。

传统的低温环路热管冷凝器通常是在冷板上缠绕管线的方式，将冷凝器内的液体输送到热端蒸发器，通过相变进行传热进而达到热量传输的作用。但是这会导致冷凝器表面积较大，此外冷凝器管线与基板之间需要焊接，增大了传热温差。而对于深低温区(如20K液氢温区)的低温环路热管，热载荷的微小变化便会引起冷凝器内气液相变含量的剧烈变化，进而使冷凝器的换热效率大大降低。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种冷凝器，目的在于，实现有限体积内，表面积较小而传热面积较大的冷凝器；本申请还提供一种低温环路热管，包括前述冷凝器。

第一方面，本申请提供一种冷凝器，所述冷凝器包括：

主体构件，由第一表面限定所述主体构件所占据的空间；

至少一条冷凝路径，所述冷凝路径包括位于所述冷凝路径两端的第一端口和第二端口，以及在所述第一端口和所述第二端口之间延伸的第二表面；

所述第二表面完全位于由所述第一表面所限定的所述主体构件所占据的空间内。

优选地，所述主体构件包括：

基部，包括彼此背对的第一侧部和第二侧部；

围壁部，设置于所述第二侧部，所述围壁部和所述第二侧部共同限定有容纳部。

优选地，至少一条所述冷凝路径中的一条形成为第一冷凝流道，所述第一冷凝流道形成于所述基部，

在所述第一冷凝流道的第一端口和所述第一冷凝流道的第二端口之间，所述第一冷凝流道的第二表面的至少部分沿着涡状线延伸。

优选地，所述第一冷凝流道设置于所述主体构件的多个顺次相邻的层结构内；

所述第一冷凝流道的位于所述层结构内的部分被定义为冷凝部分，第i个所述冷凝部分的至少部分在第i个所述层结构中沿着第i条涡状线延伸；

i大于或者等于1，且i为整数。

优选地，所述层结构形成为至多三个；

在待冷却介质自所述第一冷凝流道的第一端口流入所述第一冷凝流道并自所述第一冷凝流道的第二端口流出所述第一冷凝流道的过程中，所述待冷却介质的旋向始终相同。

优选地，所述第一冷凝流道的第一端口和所述第一冷凝流道的第二端口均形成于所述第一表面。

优选地，至少一条所述冷凝路径中的一条形成为第二冷凝流道，所述第二冷凝流道形成于所述围壁部，

在所述第二冷凝流道的第一端口和所述第二冷凝流道的第二端口之间，所述第二冷凝流道的第二表面的至少部分沿着螺旋线延伸；

所述第二冷凝流道的第一端口和所述第二冷凝流道的第二端口均形成于所述第一表面。

优选地，所述主体构件还包括：

第一安装部，设置于所述第一侧部，所述第一安装部用于安装储液器；

第二安装部，设置于所述围壁部，所述第二安装部用于安装冷头；端口管路，分别与第一端口和第二端口连通；

所述冷凝器被设置为经由一体成型工艺获得。

优选地，所述一体成型工艺为3D打印工艺；

所述第一表面镀设有涂层，用于降低所述第一表面的表面发射率。

第二方面，本申请提供一种低温环路热管，所述低温环路热管包括如上所述的冷凝器。

本申请提供的冷凝器，相当于将冷凝路径设置在主体构件的内部，因此相对于传统冷凝器，尤其能够在有效的体积内，将降低表面积的同时增加传热面积，由此大大提高了冷凝器的换热效率和稳定性。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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申请的某些实施例，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示出了本申请冷凝器的轴测图的示意图；

图2示出了本申请冷凝器的主视图的示意图；

图3示出了图2中A-A视角的剖视图的示意图；

图4示出了图2中B-B视角的剖视图的示意图；

图5示出了本申请冷凝器的右视图示意图；

图6示出了图5中C-C视角的剖视图的示意图。

附图标记：

100-主体构件；110-基部；111-上侧部；112-下侧部；113-第一层结构；114-第二层结构；120-围壁部；130-储液器鞍座；140-冷头安装部；

200-第一冷凝流道；210-第一冷凝部分；220-第二冷凝部分；230-第一冷凝流道的第一端口；240-第一冷凝流道的第二端口；

300-第二冷凝流道；310-第二冷凝流道的第一端口；320-第二冷凝流道的第二端口；

410-第一端口管路；420-第二端口管路。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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申请中的具体含义。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

参见图1至图6，本申请提供的冷凝器包括主体构件、第一冷凝流道和第二冷凝流道，以下将具体描述这些结构的连接关系和工作原理。

如图5和图6所示，主体构件100可以包括大致形成为板状的基部110，该基部110可以包括彼此背对的第一侧部和第二侧部，在实施例中，基部110可以例如形成为圆柱形状，第一侧部和第二侧部可以分别形成为圆柱形状的基部110的上侧部111和下侧部112。主体构件100可以进一步包括围壁部120，围壁部120可以形成为大致的圆筒形状，并设置于基部110的下侧部112。优选的是，基部110的外径和围壁部120的外径可以相同，二者可以同轴的设置，如此有利于生产制造。

在此基础上，主体构件100还可以包括储液器鞍座130，储液器鞍座130可以适应于例如圆柱形状的储液器的外部轮廓而具有弧度为半圆的弧面，储液器可以与这一弧面相配合，并可以进一步经由钎焊或者机械连接而与储液器鞍座130相连接。此外，根据以上的描述可以得知的是，基部110和围壁部120实质上共同形成了一个无底的筒结构，由筒结构的基部110的下侧部112和围壁部120所共同限定出容纳部，用于制冷的冷头可以插入到容纳部中，用于为冷凝器提供冷源。

作为一种有利的选择，冷头可以通过例如机械连接的方式安装在容纳部内。参见图1，用于安装冷头的冷头安装部140可以设置于围壁部120，冷头安装部140可以包括凸出于围壁部120的外侧部的凸台，以及贯穿凸台和围壁部120的通孔。前述的机械连接可以例如为螺钉连接，即冷头插入到容纳部后，冷头的顶部可以与基部110的下侧部112接触，冷头的外侧部可以与围壁部120的内侧部接触，冷头的对应前述通孔的位置可以设置有内螺纹孔部，螺钉可以贯穿通孔以旋拧在内螺纹孔部内，螺钉的头部可以抵接于凸台的背对围壁部120的外侧部的侧部。优选的是，凸台的背对围壁部120的外侧部的侧部可以形成为平面，如此凸台能够与大部分螺钉的头部形成稳定的配合。

在实施例中，在以上描述的特征的基础上，对于主体构件100而言，围设处其所占据的空间的表面可以被定义为第一表面，显然，第一表面形成为主体构件100的外表面。因此这里所说的“占据的空间”的含义，包括这样的含义：经由这些被占据的空间，能够直接确定主体构件100的体积。在此基础上，冷凝器还包括至少一条这样的冷凝路径，其被构造为包括位于冷凝路径两端的第一端口和第二端口，以及在第一端口和第二端口之间延伸的第二表面，并且第二表面完全位于由第一表面所限定的主体构件100所占据的空间内。也就是说，第二表面形成于主体构件100的内部。由此冷凝路径被实质上理解为“内藏”的，这特别有利于在有限的冷凝器体积下提供较大的换热面积。

在实施例中，至少一条冷凝路径中的一条可以形成为第一冷凝流道200，另一条可以形成为第二冷凝流道300，以下将分别作具体说明。

在实施例中，第一冷凝流道200的第二表面可以形成为管状表面，即第二表面限定了管状的通道。第一冷凝流道200可以设置于主体构件100的多个顺次相邻的层结构内。在实施例中，层结构可以被包含在基部110内，即层结构可以形成为圆柱形状的基部110的在基部110的轴向方向上的一部分，层结构的数量可以例如形成为两个，结合图3和图4，图3示出了图2中A-A视角的剖视图的示意图，即示出了第一层结构113。尤其参见图3，第一冷凝流道200的位于第一层结构113的部分可以被定义为第一冷凝部分210，第一冷凝部分210可以沿着第一涡状线在第一层结构113内卷曲延伸，第一冷凝流道的第一端口230可以位于第一层结构113的靠外侧的位置，例如基部110的外侧部，第一冷凝流道的第一端口230的外部可以进一步连接有第一端口管路410，用于外接其他管路。由此，当自上方向下观察时，第一冷凝部分210沿着顺时针方向逐渐旋入至第一层结构113的径向上的内部。

进一步参见图4，图4示出的是图2中B-B视角的剖视图的示意图，即示出了第二层结构114的示意图，第一冷凝流道200的位于第二层结构114的部分可以被相应地定义为第二冷凝部分220，类似的，第二冷凝部分220可以沿着第二涡状线延伸，即自第二层结构114的中部，沿着顺时针方向旋出至第一层结构113的径向上的外部，其末端即为第一冷凝流道的第二端口240(第一冷凝流道的第二端口240可以形成于例如基部110的外侧部)，第一冷凝流道的第二端口240可以进一步外接第二端口管路420，以便外接其他管路。

需要说明的是，第一冷凝部分210的中部与第二冷凝部分220的中部连通，二者可以经由与二者的旋向相同(即沿着图3和图4的视角观察时，沿着顺时针方向旋转延伸的方向)的螺旋部分连通。由此，待冷却介质经由第一冷凝流道的第一端口230能够依次流入第一冷凝部分210、螺旋部分和第二冷凝部分220，并最终经由第一冷凝流道的第二端口240流出，在这一过程中，待冷却介质被冷头所冷却。此外，在这一过程中，待冷却介质的流向始终是同一旋向，即前述的顺时针方向，因此也减小了流体可能出现频繁换向而导致的能量损失的情况出现。

在实施例中，优选的是，层结构的数量不超过三个，由于冷头与基部110的下侧部112接触，一旦层结构的数量超过三个，将会降低远离冷头的层结构内的冷凝部分的冷却效果。

结合图1、图2、图5和图6，第二冷凝流道300可以形成于围壁部120，正如以上提及的，第二冷凝流道300位于围壁部120的内部，前述四张附图中给出的是开放的结构，这是为了便于示出第二冷凝流道300的具体走向，实际上的第二冷凝流道300可以理解为在图示的结构的基础上外侧部进一步被筒状的实体部分所限定，使得流体能够沿着第二冷凝流道的第一端口310流入，并自第二冷凝流道的第二端口320流出。优选的是，第二冷凝流道300可以沿着螺旋线延伸，并且第二冷凝流道的第一端口310和第二冷凝流道的第二端口320均形成于围壁部120的外侧部。

首先，由于第一冷凝流道200的两个端口和第二冷凝流道300的两个端口均形成于第一表面，这使得对于同一冷凝流道而言，它的两个端口之间可以有更大的余量来设置更长的延伸长度的流道。进一步地，上述利用涡状线定位延伸和利用螺旋线定位延伸的设置方式，使得有限空间内的流道的长度大大增加。因此，总的来看，本实施例提供的冷凝器，在有限的体积内，实现了较大的换热面积和流道长度的设计，确保冷凝器能够将待冷却介质冷却为足够的液体，进而能够使充足的液体流动到低温环路热管的热端进行蒸发，可以确保冷凝器在外部边界变化时内部不出现烧干的情况。

在此基础上，冷凝器可以经由一体成型工艺获得，一体成型工艺可以例如为3D打印工艺。为了适应3D打印工艺，冷凝器的整体材料可以选用铜、不锈钢和铝合金等材料，或者其他适用于3D打印的高导热效果的材料。通过3D打印技术，将上述多个结构集成在一起，可以减少机械加工带来的误差，省去了焊接等工序，同时也省去了由于焊接带来的传热热阻，对冷凝器的高等温性和高稳定性具有重要意义。此外，优选的是，第一表面可以镀涂层处理，例如镀金处理，从而减小冷凝器的表面发射率，进而减小其与周围环境之间的辐射漏热，增加冷凝器的稳定性。

本实施例还提供一种低温环路热管，包括如上所述的冷凝器，也包括如上的有益效果，在此不再赘述。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的保护范围，凡是在本申请的创新构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种冷凝器，其特征在于，所述冷凝器包括：

主体构件，由第一表面限定所述主体构件所占据的空间；

至少一条冷凝路径，所述冷凝路径包括位于所述冷凝路径两端的第一端口和第二端口，以及在所述第一端口和所述第二端口之间延伸的第二表面；

所述第二表面完全位于由所述第一表面所限定的所述主体构件所占据的空间内。

2.根据权利要求1所述的冷凝器，其特征在于，所述主体构件包括：

基部，包括彼此背对的第一侧部和第二侧部；

围壁部，设置于所述第二侧部，所述围壁部和所述第二侧部共同限定有容纳部。

3.根据权利要求2所述的冷凝器，其特征在于，

至少一条所述冷凝路径中的一条形成为第一冷凝流道，所述第一冷凝流道形成于所述基部，

在所述第一冷凝流道的第一端口和所述第一冷凝流道的第二端口之间，所述第一冷凝流道的第二表面的至少部分沿着涡状线延伸。

4.根据权利要求3所述的冷凝器，其特征在于，

所述第一冷凝流道设置于所述主体构件的多个顺次相邻的层结构内；

所述第一冷凝流道的位于所述层结构内的部分被定义为冷凝部分，第i个所述冷凝部分的至少部分在第i个所述层结构中沿着第i条涡状线延伸；

i大于或者等于1，且i为整数。

5.根据权利要求4所述的冷凝器，其特征在于，

所述层结构形成为至多三个；

在待冷却介质自所述第一冷凝流道的第一端口流入所述第一冷凝流道并自所述第一冷凝流道的第二端口流出所述第一冷凝流道的过程中，所述待冷却介质的旋向始终相同。

6.根据权利要求3所述的冷凝器，其特征在于，

所述第一冷凝流道的第一端口和所述第一冷凝流道的第二端口均形成于所述第一表面。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的冷凝器，其特征在于，

至少一条所述冷凝路径中的一条形成为第二冷凝流道，所述第二冷凝流道形成于所述围壁部，

在所述第二冷凝流道的第一端口和所述第二冷凝流道的第二端口之间，所述第二冷凝流道的第二表面的至少部分沿着螺旋线延伸；

所述第二冷凝流道的第一端口和所述第二冷凝流道的第二端口均形成于所述第一表面。

8.根据权利要求2所述的冷凝器，其特征在于，

所述主体构件还包括：

第一安装部，设置于所述第一侧部，所述第一安装部用于安装储液器；

第二安装部，设置于所述围壁部，所述第二安装部用于安装冷头；

端口管路，分别与第一端口和第二端口连通；

所述冷凝器被设置为经由一体成型工艺获得。

9.根据权利要求8所述的冷凝器，其特征在于，

所述一体成型工艺为3D打印工艺；

所述第一表面镀设有涂层，用于降低所述第一表面的表面发射率。

10.一种低温环路热管，其特征在于，所述低温环路热管包括如权利要求1至9中任一项所述的冷凝器。

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