CN114646234B - 一种顺次冷却型双储液器环路热管 - Google Patents

Abstract

一种顺次冷却型双储液器环路热管，属于航空电子设备热管理技术领域。其基本特征在于，包括蒸发器、储液器1、储液器2、液体引管、套管换热器、冷凝器、蒸汽管线、液体管线等，如附图5所示。本发明克服现有技术的不足，提供了一种顺次冷却型双储液器环路热管，针对重力场以及复杂加速度场环境下，电子设备姿态不断变化情况下的散热需求提供了一种切实可行的解决方案。通过在储液器2外侧设置一个套管换热器，并将套管换热器出入口与液体引管及液体管线出口分别相连，实现过冷液体对两个储液器的顺次高效冷却。该结构设计能够有效改善重力场或复杂加速度场环境下回流液体对两个储液器的冷却效果，确保顺次冷却型双储液器环路热管在重力场或复杂加速度场环境下任意姿态实现顺利启动并高效平稳运行，满足航空热管理系统的需求。

Description

一种顺次冷却型双储液器环路热管

技术领域

本发明涉及一种顺次冷却型双储液器环路热管，属于航空电子设备热管理技术领域。

背景技术

近年来，随着微电子技术的蓬勃发展，航空电子设备工作时产生的热量不断增大，热流密度持续上升，电子设备内热量无法及时排散的问题日益凸显，并成为影响航空器运行性能和可靠性的关键因素之一。此外，如战斗机、无人机等在进行滚转、大角度俯仰等机动动作时，机载电子设备将处于过载环境，加速度场变化复杂，这进一步加大了机载电子设备热管理系统的设计难度。传统的机载热管理技术如风冷、液冷系统质量/体积庞大，安装困难；其次，由于需要机械泵等运动部件驱动工质循环，导致系统能耗大，同时可靠性较低，寿命有限，对维修保障的要求很高；第三，系统传热能力有限，难以对高热流密度元件进行有效散热。因此，必须发展节能环保、紧凑高效、能在复杂变加速度场环境下稳定工作的新型散热技术。

环路热管(Loop Heat Pipe，简称LHP)是一种两相传热器件，它利用工质的蒸发/冷凝相变来传递热量，并利用蒸发器毛细芯产生的毛细压力驱动工质循环，无需外加动力，在航天器热控等方面获得广泛应用。环路热管具有不受冷源和热源的相对位置和距离限制，同时具有传热量大、传输距离远、控温精度高、反重力能力强以及体积小、重量轻、安装简易方便等诸多特点。目前，环路热管技术在航天器热控制领域已经得到应用，在微电子技术等方面也受到了普遍关注，并初步开展将其应用于航空热管理系统的尝试。

对于空间微重力环境，由于几乎不受重力的影响，通过设置副芯辅助供液，单储液器环路热管即可正常工作。然而，对于单储液器环路热管，在地面重力场或复杂加速度场中工作时，由于只有一个储液器，此时蒸发器和储液器相对位置的限制会对蒸发器毛细芯的供液产生影响，在一些不利姿态下储液器中液体难以进入蒸发器，导致蒸发器毛细芯的供液困难，进而导致环路热管系统产生无法正常启动、运行不稳定甚至失效等问题。单储液器环路热管的这个缺点严重阻碍了其在航空领域的发展，因为众多空天飞行器上的电子设备通常要承受来自各个方向、不同大小并且时刻变化的加速度。这种复杂加速度环境会造成环路热管无法正常启动或者运行中途突然无法工作而导致电子设备过热进而烧毁，严重危害航空器运行安全。

为了解决上述问题，研究人员开发了双储液器环路热管(Dual-CompensationChamber Loop Heat Pipe，简称DCCLHP)，如图1所示。双储液器环路热管在单储液器环路热管的基础上发展而来，通过在蒸发器两端各设置一个储液器，如图2所示，巧妙解决了单储液器环路热管在不同姿态下的毛细芯供液问题。然而，目前的双储液器环路热管工作性能并非完美，仍存在一定的性能缺陷，限制了其在航空热管理领域的大规模推广应用。实验测试表明，当蒸发器热载荷较大时，双储液器环路热管能够在重力场条件下任意姿态正常启动和运行；而当蒸发器热载荷较小且蒸发器处于不利姿态时，将会发生启动困难、启动失败以及运行不稳定等一系列问题，严重阻碍了环路热管技术在航空热管理领域的应用。

这是由于，在实际运行过程中，对蒸发器施加热载荷后，由于蒸发器的反向漏热，毛细芯内表面将会产生气泡。此外，由于毛细芯压制过程自身的结构缺陷(如不可避免存在一些较大的孔)以及毛细芯外表面与蒸发器壳体内壁的精密密封存在微漏，在毛细芯内外侧压差作用下，均会出现毛细芯外表面蒸汽进入蒸发器核心区的现象。关于环路热管蒸发器核心区存在气泡的现象，已被很多可视化实验所证实。

当双储液器环路热管蒸发器处于竖直位置时，蒸发器核心的气泡由于浮力将会上升并聚集在上方储液器中，将大量热量从蒸发器带入储液器。若不能对上方储液器进行充分的冷却，将导致上方储液器内部工质温度不断升高，使双储液器环路热管发生启动困难和一定热载荷内运行温度偏高。更为严重时，气态工质在上方积聚过多，将液态工质从上方储液器中排出，导致毛细芯供液出现问题，双储液器环路热管无法正常运行。传统的双储液器环路热管只有一根液体引管，若竖直状态下液体引管从上方储液器穿过，如图3所示，则回流过冷液体可以携带大量冷量直接冷却上方储液器，使上方储液器中的蒸汽冷凝、液体降温，从而避免上述问题的发生。而若竖直状态下液体引管从下方储液器穿过，如图4所示，则由于蒸发器的沿程加热作用，加之回流液体的质量流量很小，回流过冷液体到达上方储液器时过冷度几乎消失，无法对上方储液器进行有效冷却，此时环路热管即会在小热载荷下发生启动困难、启动失败以及运行不稳定等一系列问题。

为解决上述问题，本项目提出了一种顺次冷却型双储液器环路热管，如图5所示，有效改善重力场或复杂加速度场环境下不同姿态情况下回流液体对两个储液器的冷却效果，确保双储液器环路热管在重力场或复杂加速度场环境下任意姿态实现顺利启动和正常运行，满足航空热管理系统的需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：

针对现有双储液器环路热管在重力场或复杂加速度场环境下不利姿态加载小热载荷时存在启动困难、启动失败以及运行不稳定的问题，本发明提出了一种顺次冷却型双储液器环路热管。通过在储液器2外侧设置一套管换热器，如图6所示，并将其出入口分别与液体引管和液体管线出口连接，本发明可有效改善重力场或复杂加速度场环境不利姿态下回流液体对两个储液器的冷却效果，实现顺次冷却型双储液器环路热管在重力场或复杂加速度场下的任意姿态顺利启动并高效运行。

本发明的技术方案是：

一种顺次冷却型双储液器环路热管，其基本特征包括储液器1、液体引管、蒸发器、毛细芯、储液器2、套管换热器、液体管线、冷凝器、冷板和蒸汽管线。

根据使用温度要求、压力要求、材料相容性、传热能力等，选取不同的工质，常见工质如水、氨、丙酮、氟利昂等。

储液器与蒸发器通过真空电子束或其它焊接方式固定在一起，安装储液器两侧的端盖和液体引管，使储液器、蒸发器和液体引管连接起来，然后在储液器2的外侧安装套管换热器。

蒸发器的气态工质出口与蒸汽管线连接，通过氩弧焊或其它焊接方式连接到一起。蒸汽管线的出口与冷凝器管线的入口连接，通过氩弧焊或其它焊接方式连接到一起。

冷凝器管线与冷板通过焊接的方式，连接在一起，根据传热功率的需求，进行冷板的散热方式的选择，根据应用场景的不同，一般有自然对流、强制对流等。

冷凝器管线出口与液体管线入口连接，通过氩弧焊或其它焊接方式连接到一起。液体管线出口与套管换热器入口连接，通过氩弧焊或其它焊接方式连接到一起。

套管换热器出口通过管线与液体引管连接，通过氩弧焊或其它焊接方式连接到一起。

液体引管插入到蒸发器毛细芯的液体干道，液体引管与储液器端盖之间通过焊接连接到一起。

整个系统连接安装完成后，对系统进行抽真空处理，保证内部的洁净度，消除或尽量减少不凝气体的影响；然后充装一定量的工质，保证系统能够满足不同工况的散热需求。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明技术方案中，回流过冷液体先沿液体管线经过套管换热器，对储液器2进行冷却，而后沿液体引管穿过储液器1并进入蒸发器。如此，顺次冷却型双储液器环路热管在图8和图9的不利姿态下两个储液器都可以通过过冷液体获得足够的冷却，解决在重力场或复杂加速度场环境下不利姿态加载小热载荷时存在启动困难、启动失败以及运行不稳定的问题。实验结果证实，该方案能够确保顺次冷却型双储液器环路热管在重力场任意姿态下均能顺利启动，达到高效平稳运行。而传统的双储液器环路热管，当处于重力场不利姿态时，在小热载荷下，由于回流液体流量很小，在蒸发器的沿程加热作用下，到达储液器2时，将接近于饱和状态，对储液器2的冷却效果很差，储液器2难以实现自身能量平衡，因而造成启动困难，并伴随一系列运行不稳定现象，如温度波动和工质倒流等，甚至启动失败，无法正常运行，严重阻碍环路热管在航空热管理系统的工程应用。

附图说明

图1一种常规形式的双储液器环路热管结构示意图；

图2常规形式双储液器环路热管的水平工作姿态示意图；

图3常规形式双储液器环路热管的竖直工作姿态1示意图；

图4常规形式双储液器环路热管的竖直工作姿态2示意图；

图5一种顺次冷却型双储液器环路热管结构示意图；

图6顺次冷却型双储液器环路热管储液器2截面示意图；

图7顺次冷却型双储液器环路热管水平工作姿态示意图；

图8顺次冷却型双储液器环路热管竖直工作姿态1示意图；

图9顺次冷却型双储液器环路热管竖直工作姿态2示意图。

具体实施方式

本发明涉及用于航空电子设备处于重力场或复杂加速度场下任意姿态的散热问题，根据图1，常规形式的双储液器环路热管包括储液器1(1)、液体引管(2)、圆柱形蒸发器(3)、毛细芯(4)、储液器2(5)、液体管线(6)、冷凝器(7)、冷板(8)、蒸汽管线(9)。

由于传统双储液器环路热管在重力场或复杂加速度场不利姿态下存在小热载荷启动困难、启动失败以及运行不稳定等问题，本发明技术方案提供了一种顺次冷却型双储液器环路热管。通过在储液器2外围设置一套管换热器，并将其出入口分别与液体引管和液体管线出口连接，顺次冷却型双储液器环路热管可有效改善重力场或复杂加速度场环境下不利姿态回流过冷液体对两个储液器的冷却效果，使顺次冷却型双储液器环路热管能够在重力场或复杂加速度场任意姿态顺利启动并高效运行。

其具体实施步骤如下：首先根据使用温度要求、压力要求、材料相容性、传热能力等，选取不同的工质，常见工质如水、氨、丙酮、氟利昂等。

加工出储液器1(1)、液体引管(2)、圆柱形蒸发器(3)、毛细芯(4)、储液器2(5)、套管换热器(6)、液体管线(7)、冷凝器(8)、冷板(9)、蒸汽管线(10)。

将经过机加工、烧结等工艺加工完成的环路热管用蒸发器(3)和毛细芯(4)连接到一起，进行毛细力测试，保证蒸发器壳体与毛细芯之间形成紧密配合，同时检测毛细芯没有出现损坏。

通过电子束或其它焊接的方式将储液器1(1)、储液器2(5)与蒸发器(3)固定在一起，安装储液器两侧的端盖和液体引管，使储液器(1)(5)、蒸发器(3)和液体引管(2)连接起来，然后将套管换热器(6)与储液器2(5)连接起来。

蒸发器(3)壳体上的出口与蒸汽管线(10)连接，通过氩弧焊连接到一起。蒸汽管线的出口与冷凝器(8)的管线的入口连接，通过氩弧焊连接到一起。

冷凝器(8)与冷板(9)通过焊接的方式，连接在一起，根据传热功率的需求，进行冷板(9)的散热方式的选择，根据实际应用场景，一般有自然对流、强制对流等。

冷凝器(8)出口与液体管线(7)的入口连接，通过氩弧焊连接到一起。液体管线(7)出口与套管换热器(6)的入口连接，通过氩弧焊连接到一起。

套管换热器(6)出口通过管线与液体引管(2)连接，通过氩弧焊连接到一起。

液体引管(2)插入到蒸发器毛细芯的液体干道，液体引管与储液器端盖之间通过焊接连接到一起。

整个系统连接安装完成后、投入运行前，需要对系统抽真空(＜0.01Pa)，保证内部的洁净度，消除或尽量减少不凝气体的影响；然后充装适量的工质，保证系统在图7、图8、图9等不同姿态下的散热需求。

以上所述只是本发明的通常实施方式，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

本发明技术方案中，在储液器2(5)外围加入一个套管换热器，并将其与液体管线(7)和液体引管(2)连接，从而让顺次冷却型双储液器环路热管在任意姿态下回流过冷液体均能对两个储液器进行有效冷却。实验结果证实，该顺次冷却型双储液器环路热管在重力场或复杂加速度场环境任意姿态均能顺利启动并高效平稳运行。而对于传统双储液器环路热管，当其处于重力场或加速度场不利姿态时，在蒸发器小热载荷下存在启动困难、启动失败以及运行不稳定等一系列问题，严重阻碍环路热管技术在航空热管理系统的工程应用。

Claims (6)

1.一种顺次冷却型双储液器环路热管，其特征在于，包括储液器1(1)、液体引管(2)、圆柱型蒸发器(3)、毛细芯(4)、储液器2(5)、套管换热器(6)、液体管线(7)、冷凝器(8)、冷板(9)、蒸汽管线(10)，储液器1(1)和储液器2(5)均为圆柱型，外径不小于蒸发器(3)直径，且二者与蒸发器(3)同轴；液体引管(2)经过储液器1(1)，并进入毛细芯(4)的内孔，与储液器同轴，套管换热器(6)位于储液器2(5)外侧，其入口与液体管线(7)出口连接，其出口与液体引管(2)连接。

2.根据权利要求1所述的一种顺次冷却型双储液器环路热管，其特征在于：蒸发器(3)壳体内嵌套多孔材料毛细芯(4)，毛细芯(4)采用微米级高导热系数金属粉末制成。

3.根据权利要求1所述的一种顺次冷却型双储液器环路热管，其特征在于：储液器1(1)、储液器2(5)与蒸发器(3)通过真空电子束焊接。

4.根据权利要求1所述的一种顺次冷却型双储液器环路热管，其特征在于，其通过蒸汽管线(10)和液体管线(7)与冷凝器(8)形成一个环路。

5.根据权利要求1所述的一种顺次冷却型双储液器环路热管，其特征在于：蒸汽管线(10)和液体管线(7)长度根据所需要的传输距离确定。

6.根据权利要求1所述的一种顺次冷却型双储液器环路热管，其特征在于：冷凝器(8)管线通过钎焊方式固定在冷板(9)上，冷板(9)散热方式根据实际应用条件采用自然对流、强迫对流。