CN113251839B - 蒸发器、储液器及环路热管 - Google Patents

蒸发器、储液器及环路热管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及换热装置技术领域，尤其是涉及一种蒸发器、储液器及环路热管。所述蒸发器，包括外壳、毛细芯和液体引管；所述毛细芯和所述液体引管设置在所述外壳内，且所述液体引管位于所述毛细芯远离所述外壳的一侧，所述液体引管的外壁与所述毛细芯的内壁之间设有间隔以形成液体干道，所述液体引管的出液端与所述液体干道连通，所述液体引管的进液端用于与储液器连通，所述蒸发器还包括过渡管段，所述过渡管段套设在所述液体引管的靠近所述进液端的位置；所述过渡管段的内壁上设有多个沿所述过渡管段的长度方向延伸的槽道，多个所述槽道沿所述过渡管段的圆周方向间隔设置，所述槽道用于液体流动且阻止气泡运动。

Description

蒸发器、储液器及环路热管
技术领域
本发明涉及换热装置技术领域，尤其是涉及一种蒸发器、储液器及环路热管。
背景技术
环路热管是一种高效两相传热设备，其具有高传热性能、远距离传输热量、优良的控温特性和管路的可任意弯曲、安装方便等特点；由于具有众多其它传热设备无可比拟的优点，环路热管在航空、航天以及地面电子设备散热等众多领域中具有十分广阔应用前景。
如图1所示，环路热管主要包括蒸发器、储液器2、冷凝器3、蒸气管路4和液体管路5；蒸发器包括蒸发器壳体11、设置在蒸发器壳体11内的毛细芯12、液体干道13和液体引管14，液体引管14的一端伸入储液器2内以与储液器2连通，毛细芯12的外壁和蒸发器壳体11的内壁之间间隔设置以形成蒸发槽15。整个循环过程如下：液体在蒸发器中的毛细芯11的外壁蒸发，吸收蒸发器外的热量，产生的蒸气从蒸气管路4流向冷凝器3，蒸气在冷凝器3中释放热量给热沉冷凝成液体，液体经过液体管路5流入储液器2，储液器2内的液体工质进入液体引管14，再由液体引管14的远离储液器2的一端进入液体干道13，液体干道13内的液体进入毛细芯12，从而完成换热蒸发。
毛细芯12是环路热管蒸发器的核心部件，其主要作用如下：多孔结构毛细芯12与热源接触的表面作为蒸发面，蒸发面的毛细小孔形成弯月面，提供驱动工质循环的毛细驱动力，而液体循环流入储液器后，通过毛细芯传输至蒸发器。
虽然环路热管技术早已实现空间应用，但是温度波动、温度迟滞、启动失败等运行不稳定现象仍是困扰研究人员的难点问题。已有研究成果表明，蒸发器向储液器的漏热是导致上述现象的主要原因之一。
蒸发器向储液器的漏热分为两部分，通过壳体和毛细芯的导热漏热Qleak-1和通过液体干道向储液器的相变换热Qleak-2。前者是必然存在的，后者通常为随机发生。对于储液器而言，存在能量平衡关系，即回流液体对储液器的制冷量Qsub与蒸发器向储液器漏热相等。理想状态下，当Qleak-2不存在时，有：
Qsub＝Qleak-1
即：
hccAcc(Tliq-Tcc)＝Gev-cc(Tev-Tcc)
其中，hcc为储液器内液体管路与储液器工质之间通过管路璧面的换热系数，Acc为储液器内液体管路与储液器工质之间换热的管路表面积，Tliq为液体管路内工质的温度，Tcc为储液器内工质的温度，Gev-cc为蒸发器与储液器之间固体导热的热阻(结构确定后为固定值)，Tev和Tcc分别为蒸发器壳体温度和储液器内工质温度。
当液体干道内随机发生核态沸腾进而产生蒸发器向储液器的相变换热时，总漏热量增加，此时：
Qsub＜Qleak-1+Qleak-2
即：
hccAcc(Tliq-Tcc)＜Gev-cc(Tev-Tcc)+Qleak-2
储液器温度Tcc将会升高。基于环路热管的工作机理，蒸发器温度Tev随之升高，蒸发器与储液器之间的温度差Tev-Tcc几乎不变。为了实现能量的再次平衡，需要回流液体的温度降低Tliq。
实际中，如果冷凝器设计合理，是能够实现再次平衡。原因在于一般地，漏热量相比于总加热功率Qin是小量，因此通过冷凝器排散的热量Qout可认为是恒定的。根据冷凝器部位能量平衡：
Qin＝Qout＝hsatLsatAtub(Tev-Tsink)+hsubLsubAtub(Tliq-Tsink)
其中，hsat和hsub分别为饱和蒸气和过冷液体与管壁的换热系数，为固定值；Lsat和Lsub分别为饱和蒸气和过冷液体段的长度；Tsink为热沉温度，为固定值。由上式可知，蒸发器温度升高，导致饱和蒸气段换热量增大，但是只要Tliq温度降低，同时冷凝器内饱和蒸气和过冷液体段长度Lsat和Lsub自适应调整(Lsat增大、Lsub减小)，依然能够维持冷凝器部位能量平衡。
但是，如果漏热量过大，回流液体过冷量无法补偿这部分漏热，环路热管就会运行失效。因此，工程上为了避免该问题，需要设计较长的冷凝器管路，确保有足够的过冷度，但是，这样做会带来重量资源代价，同时，一旦环路热管不工作，为了避免散热面面积过低，还需要进行加热补偿，从而带来较大的工程资源浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蒸发器、储液器及环路热管，以在一定程度上解决现有技术中存在的需要设计较长的冷凝器管路，确保有足够的过冷度，但是，这样做会带来重量资源代价，同时，一旦环路热管不工作，为了避免散热面面积过低，还需要进行加热补偿，从而带来较大的工程资源浪费的技术问题。
本发明提供了，一种蒸发器，包括外壳、毛细芯和液体引管；所述毛细芯和所述液体引管设置在所述外壳内，且所述液体引管位于毛细芯远离所述外壳的一侧，所述液体引管的外壁与所述毛细芯的内壁之间设有间隔以形成液体干道，所述液体引管的出液端与所述液体干道连通，所述液体引管的进液端用于与储液器连通，所述蒸发器还包括过渡管段，所述过渡管段套设在所述液体引管的靠近所述进液端的位置；所述过渡管段的内壁上设有多个沿所述过渡管段的长度方向延伸的槽道，多个所述槽道沿所述过渡管段的圆周方向间隔设置，所述槽道用于液体流动且阻止气泡运动。
进一步地，所述液体引管外包裹有引管丝网，所述过渡管段的外壁包裹有过渡段丝网。
进一步地，所述过渡段丝网的接口通过点焊连接。
进一步地，所述进液端外包裹有限位丝网，所述限位丝网与所述过渡管段的一端抵接。
本发明提供一种储液器，用于上述蒸发器连接，所述储液器上设有通孔，所述液体引管的进液端插设在所述通孔内；所述通孔的内壁上铺设有通孔丝网，所述储液器的靠近所述蒸发器的内壁上设有丝网层。
进一步地，所述丝网层的厚度为1.5mm-2.5mm。
进一步地，所述丝网层通过点焊与所述储液器的内壁连接，所述点焊形成多个焊点，相邻两个焊点之间的间距为3-5mm。
进一步地，所述储液器的内壁上设有流道。
进一步地，所述储液器包括壳体和连接在所述壳体的两侧的端盖，所述壳体的内壁上以及所述端盖的内壁上均设有流道；所述通孔设置在靠近所述蒸发器的端盖上。
本发明提供一种环路热管，包括蒸汽管道、液体管道、冷凝器、上述蒸发器和如上述储液器；所述蒸汽管道的一端与所述蒸发器连通，所述蒸汽管道的另一端与冷凝器连通；所述液体管道的一端与所述储液器连通，所述蒸汽管道的另一端与所述蒸发器连通。
本发明提供一种蒸发器，包括外壳、毛细芯和液体引管；所述毛细芯和所述液体引管设置在所述外壳内，且所述液体引管位于毛细芯远离所述外壳的一侧，所述液体引管的外壁与所述毛细芯的内壁之间设有间隔以形成液体干道，所述液体引管的出液端与所述液体干道连通，所述液体引管的进液端用于与储液器连通，所述蒸发器还包括过渡管段，所述过渡管段套设在所述液体引管的靠近所述进液端的位置；所述过渡管段的内壁上设有多个沿所述过渡管段的长度方向延伸的槽道，多个所述槽道沿所述过渡管段的圆周方向间隔设置，所述槽道用于液体流动且阻止气泡运动。
在液体引管上设置过渡管段，过渡管段的内壁上设置槽道，槽道允许液体流动，避免阻碍液体向靠近储液器的方向运动，同时，槽道阻止气泡通过，从而阻止气泡靠近储液器，进而避免蒸发器内的气泡进入储液器内，从而避免了气泡与液体之间的换热，进而可以大大减少甚至消除蒸发器和储液器之间的两相漏热Qleak-2，从而减少蒸发器向储液器的漏热。本发明提供的蒸发器能够使环路热管避免设置长冷凝管线的同时减少蒸发生器向储液器的漏热，避免了资源浪费。
应当理解，前述的一般描述和接下来的具体实施方式两者均是为了举例和说明的目的并且未必限制本公开。并入并构成说明书的一部分的附图示出本公开的主题。同时，说明书和附图用来解释本公开的原理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1为相关技术中环路热管的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的蒸发器的结构示意图；
图3为图2所示的蒸发器中液体引管和过渡管段的结构示意图；
图4为图2所示的蒸发器中过渡管段的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的储液器的结构示意图；
图6为图5所示的蒸发器中蒸发器侧端盖的结构示意图；
图7为本发明一实施例提供的环路热管的结构示意图；
图8为本发明另一实施例提供的环路热管的结构示意图。
图标：10-蒸发器；11-外壳；12-毛细芯；13-液体引管；14-液体干道；15-过渡管段；151-槽道；16-过渡段丝网；17-限位丝网；18-引管丝网；20-储液器；21-丝网层；22-壳体；23-蒸发器侧端盖；24-液体管路侧端盖；25-通孔丝网；26-流道；27-通孔；30-半导体制冷器；40-导热通道。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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显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，都属于本发明保护的范围。
如图2至图6所示，本发明提供一种蒸发器10，包括外壳11、毛细芯12和液体引管13；毛细芯12和液体引管13设置在外壳11内，且液体引管13位于毛细芯12远离外壳11的一侧，液体引管13的外壁与毛细芯12的内壁之间设有间隔以形成液体干道14，液体引管13的出液端与液体干道14连通，液体引管13的进液端用于与储液器20连通，蒸发器10还包括过渡管段15，过渡管段15套设在液体引管13的靠近进液端的位置；过渡管段15的内壁上设有多个沿过渡管段15的长度方向延伸的槽道151，多个槽道151沿过渡管段15的圆周方向间隔设置，槽道用于液体流动且阻止气泡运动。
本实施例中，在液体引管13上设置过渡管段15，过渡管段15的内壁上设置槽道151，槽道151允许液体流动，避免阻碍液体回流至储液器20，同时，槽道151阻止气泡通过，从而阻止气泡靠近储液器20，进而避免蒸发器内的气泡进入储液器内，从而避免了气泡与液体之间的换热，进而可以大大减少甚至消除蒸发器10和储液器20之间的两相漏热Qleak-2，从而减少蒸发器10向储液器20的漏热。本实施例提供的蒸发器10能够减少蒸发生器向储液器20的漏热，抑制了漏热的影响，从而降低了由于漏热导致的温度水平升高，运行不稳定性，使环路热管避免设置长冷凝管线的同时避免了资源浪费。
其中，槽道151的横截面的尺寸的大小，可以通过毛细芯形成的旗袍的大小来设置，为了能够阻止所有气泡通过，可以设置槽道的横截面的长小于最小气泡的长，槽道的横截面的宽小于最小气泡的长。例如：可以设置槽道151的横截面的长为1mm-1.5mm，槽道151的横截面的宽为1mm-1.5mm等。
过渡管段15的材质可以为玻璃、陶瓷、铁或者铝等。可选的，过渡管段15采用不锈钢，强度好，耐腐性强。
如图3和图4所示，所述液体引管外包裹有引管丝网18(可以采用不锈钢丝网)，过渡管段15的外壁包裹有过渡段丝网16。本实施例中，在过渡管段15的外壁上设置过渡段丝网16，过渡段丝网16使得过渡管段的表面形成有微孔状的结构，液体管段外包裹有丝网，则液体引管的外表面也形成有微孔状的结构，过渡段丝网16能够提供毛细连接，即过渡管段15上的微孔状的结构与液体引管上的微孔状的结构形成连接，避免毛细力存在“断点”。
其中，过渡段丝网16的材质采用不锈钢等导热性能差的材质。
在过渡管段15的外壁上设置过渡段丝网16，可以先成型管状过渡段丝网16，将过渡段丝网16套设在过渡管段15外；可选的，采用矩形丝网片包裹在过渡管段15外，通过焊接将丝网片的两个侧边连接在一起，可选的，采用点焊，方便操作和工艺实施，效率高。
如图3所示，在上述实施例基础之上，进一步地，液体引管13的进液端外包裹有限位丝网17，限位丝网17与过渡管段15的一端抵接。
本实施例中，在液体引管13的进液端设置的限位丝网17能够与过渡段丝网16的第一侧(靠近液体引管的进液端的一侧)抵接，从而能够对过渡管段15进行限位，避免过渡管段15在流体的作用力下在液体引管13的长度方向上窜动。
也可以在液体引管上远离其进液端的位置设置限位丝网，该限位丝网与过渡段管的第二侧(远离液体引管的进液端的一侧抵接，从而对过渡管段的第二侧进行限位。可以在过渡段管的两侧均设置限位丝网。
如图5和图6所示，本申请还提供一种储液器20，用于与上述任一技术方案的蒸发器10连接；储液器20上设有通孔27，液体引管13的进液端插设在通孔27内；所述通孔的内壁上铺设有通孔丝网25，储液器20的靠近蒸发器10的内壁上设有丝网层21。
本实施例中，丝网层21的表面张力会吸收储液器20内的液体，从而在蒸发器10与储液器20之间形成一层“液膜”，液体工质的导热系数远小于蒸发器10和储液器20壳体22金属材料的导热系数，从而进一步减小了蒸发器10向储液器20通过壳体22的导热漏热；液体引管上的引管丝网、通孔丝网以及丝网层形成毛细连接，避免毛细力“断点”。
其中，丝网层21的厚度为1.5mm-2.5mm，例如：1.5mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm或者2.5mm等。如图5和图6所示，在上述实施例基础之上，进一步地，丝网层21通过点焊与储液器20的内壁连接，点焊形成多个焊点，相邻两个焊点之间的间距为3-5mm(例如：3mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm、4mm、4.5mm、4.7mm或者5mm等)。
通孔丝网和丝网层可以按照以下步骤进行实施：
(a)将设定厚度的不锈钢丝网平铺在蒸发器侧端盖的内表面，对丝网进行点焊固定，焊点间距3～5mm，从而形成丝网层。
(b)将裁好的丝网均匀平铺在通孔的内壁上，并对其进行点焊固定，焊点间距3～5mm，从而形成通孔丝网。
(c)将超出通孔部分的丝网按超出部分进行剪断，在周长方向上将丝网裁成多瓣结构，然后将高出部分平铺在蒸发器侧端盖的底面上，并进行点焊固定。
如图5和图6所示，在上述实施例基础之上，进一步地，储液器20的内壁上设有流道26。本实施例中，在储液器20的内壁上设置流道，能够增加回流液体(由蒸发器回流至储液器的液体)在储液器20部位的换热面积Acc，进而增大回流过冷量Qsub。同时考虑到空间微重力条件下，液体更容易附着在壁面位置，因此能够更好的实现热交换，充分利用回流液体的过冷度补偿漏热。
其中可以根据需要的储液器20的多个侧壁上设置流道。
作为一种可选方案，储液器20包括壳体22和连接在壳体22的两侧的端盖，其中，一个端盖为蒸发器侧端盖23，另一个端盖为液体管路侧端盖24；所述壳体的内壁上以及所述端盖的内壁上均设有流道所述通孔设置在靠近所述蒸发器的端盖上，也即流道设置在蒸发器侧端盖上。
其中，可以采用微加工MEMS或3D打印方式在储液器20的内壁上形成流道。储液器的壳体22与液体管道侧端盖采用电子束焊接形成一体结构，储液器的壳体22与蒸发器侧端盖23采用电子束焊接。
储液器可以按照以下步骤进行实施：
(a)储液器的壳体采用微加工MEMS或3D打印方式制作成流道。
(b)液体管线侧端盖与蒸发器侧端盖采用微加工MEMS或3D打印方式同样制作成流道。
(c)储液器的壳体与液体管线侧端盖采用电子束焊接形成一体结构。
(d)储液器壳体与蒸发器侧端盖采用电子束焊接。
其中，通孔可以设置在蒸发器侧端盖的中心位置，也可以设置在蒸发器的偏心位置，通孔的具体设置位置可以根据需要来设置。
需要说明的是，为了有利于液体的流动，壳体的内壁上的流道与端盖上的流道较佳的一一对应设置，具体的，蒸发器侧端盖上的一个流道与壳体内壁上的一个流道的一端连通，壳体内壁上该流道的另一端与液体管路侧端盖上的一个流道连通，从而形成液体流动的通路。
如图7所示，本发明还提供一种环路热管，包括蒸汽管道、液体管道、冷凝器、上述任一技术方案的蒸发器10和上述任一技术方案的储液器20；蒸汽管道的一端与蒸发器连通，蒸汽管道的另一端与冷凝器连通；液体管道的一端与储液器20连通，蒸汽管道的另一端与蒸发器10连通。本实施例提供的环路热管的蒸发器10向储液器20的漏热少，成本低。
如图8所示，本发明还提供另一种环路热管，包括导热通道40和半导体制冷器30(TEC)，还包括蒸汽管道、液体管道、冷凝器、上述任一技术方案的蒸发器10和上述任一技术方案的储液器20；蒸汽管道的一端与蒸发器连通，蒸汽管道的另一端与冷凝器连通；液体管道的一端与储液器20连通，蒸汽管道的另一端与蒸发器10连通；半导体制冷器30(TEC)与储液器连接，导热通道40的一端与半导体制冷器连接，导热通道的另一端与蒸发器连接。
对于常规的采用TEC的环路热管而言，通过半导体制冷器30向储液器输送冷量，以抵消来自于蒸发器的漏热，达到控温和改善热性能的作用；相比于增大散热面的方案，半导体制冷器30能够有效的促进启动过程、削弱温度波动、消除温度迟滞，从而维持LHP工作在正常运行状态；对于常规的采用TEC的环路热管，TEC需要电功率驱动，因此会带来供电的代价；其次，TEC工作本身还会产生额外的热量，这部分热量也需要依靠散热面排散。
而本实施例提供的环路热管采用了本申请实施例任一技术方案的蒸发器和储液器，能够抑制漏热，有助于解决漏热引起的环路热管运行不稳定，从而削弱对于TEC的依赖。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。

Claims (10)

1.一种蒸发器，包括外壳、毛细芯和液体引管；所述毛细芯和所述液体引管设置在所述外壳内，且所述液体引管位于所述毛细芯远离所述外壳的一侧，所述液体引管的外壁与所述毛细芯的内壁之间设有间隔以形成液体干道，所述液体引管的出液端与所述液体干道连通，所述液体引管的进液端用于与储液器连通，其特征在于，
所述蒸发器还包括过渡管段，所述过渡管段套设在所述液体引管的靠近所述进液端的位置；所述过渡管段的内壁上设有多个沿所述过渡管段的长度方向延伸的槽道，多个所述槽道沿所述过渡管段的圆周方向间隔设置，所述槽道用于液体流动且阻止气泡运动。
2.根据权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，所述液体引管外包裹有引管丝网，所述过渡管段的外壁包裹有过渡段丝网。
3.根据权利要求2所述的蒸发器，其特征在于，所述过渡段丝网的接口通过点焊连接。
4.根据权利要求2或3所述的蒸发器，其特征在于，所述进液端外包裹有限位丝网，所述限位丝网与所述过渡管段的一端抵接。
5.一种环路热管，其特征在于，包括蒸汽管道、液体管道、冷凝器、储液器和如权利要求1-4中任一项所述蒸发器；所述蒸汽管道的一端与所述蒸发器连通，所述蒸汽管道的另一端与冷凝器连通；所述液体管道的一端与所述储液器连通，所述蒸汽管道的另一端与所述蒸发器连通；所述储液器上设有通孔，所述液体引管的进液端插设在所述通孔内。
6.根据权利要求5所述的环路热管，其特征在于，所述通孔的内壁上铺设有通孔丝网，所述储液器的靠近所述蒸发器的内壁上设有丝网层。
7.根据权利要求6所述的环路热管，其特征在于，所述丝网层的厚度为1.5mm-2.5mm。
8.根据权利要求6所述的环路热管，其特征在于，所述丝网层通过点焊与所述储液器的内壁连接，所述点焊形成多个焊点，相邻两个焊点之间的间距为3-5mm。
9.根据权利要求6所述的环路热管，其特征在于，所述储液器的内壁上设有流道。
10.根据权利要求9所述的环路热管，其特征在于，所述储液器包括壳体和连接在所述壳体的两侧的端盖，所述壳体的内壁上以及所述端盖的内壁上均设有流道；所述通孔设置在靠近所述蒸发器的端盖上。
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