CN1328566C - 一种深冷回路热管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种深冷回路热管，包括：通过连接管串联成一体的主蒸发器和储液器；主蒸发器管壳为内孔表面上切割有轴向槽道的空心不锈钢管，其内同轴放置由不锈钢粉末烧结而成的筒状主吸液芯；储液器右端盖与储液器管壳之间填充不锈钢丝网；还包括：同轴放置在主吸液芯内孔中的带有中心内孔的毛细连接件，该毛细连接件经由连接管的内孔一直延伸至储液器中；毛细连接件与储液器管壳之间填充有不锈钢环形粗丝网片。可有效地防止深冷回路热管启动时发生的工质逆流现象，从而确保了深冷回路热管的成功启动，同时有可能提高深冷回路热管的传热极限，并使其获得更为稳定的工作性能。

Description

一种深冷回路热管
技术领域
本发明属于制冷与低温技术领域的回路热管，特别涉及一种空间用低温集成系统中用于改善低温制冷机与被冷却器件集成关系的深冷回路热管。
背景技术
随着低温制冷机技术的发展和广泛应用，越来越明显地需要考虑到如何才能有效地远距离传送冷量这样一个问题。因此，应把低温制冷机和被冷却器件集成在一起，看成一个系统而不是器件，可增强制冷系统的制冷能力。
当前，连接制冷机和被冷却器件的常用方法是用铜棒进行热传导，其缺点是当热传输距离变长时，两端温差会受到热传导横截面积的限制。为了在同一温差下能传输更多的热量，就需要寻找其他的传热方法。众所周知，利用了相变传热的热管正是这样一种有效的传热设备。但传统热管并不适合于远距离的热量传输，也不能避免低温制冷机对被冷却器件产生的机械振动和电磁干扰的影响。
为了适应远距离的热量传输，回路热管应运而生。其工作时同样利用了相变传热的原理。但因其结构的优点使其能够长距离、小温差地传递大量热量，并能实现相当灵活的布置。但是，以氨(冰点195K)为工质的常温回路热管只能在273K附近的温区工作。随着空间探测技术和低温制冷机技术的发展，则要求低温制冷机用于为各种光学器件提供深冷的工作环境(100K以下)。因此，需要发展能够工作在液氮温区(77K)乃至更低温区的深冷回路热管。
回路热管在结构上一般由蒸发器、储液器、蒸汽和液体传输管线以及冷凝器五部分组成。由于蒸发器和储液器被装配在一起，因而通常被看成是一个部件。蒸发器是产生毛细驱动压力的部件，因而其结构设计是整个回路设计的重中之重。储液器的作用是保证蒸发器中的吸液芯能一直被液体润湿，这是毛细力产生的必要条件，否则蒸发器很容易被烧干，从而导致回路热管不能启动或工作失效。蒸发器和储液器在结构上可用不同方式连接起来，已有的设计方式包括：1)储液器可直接与蒸发器在水力上连接成一个整体；2)储液器和蒸发器可通过副芯在水力上连接起来，这两者仍然是不可分离的整体；3)储液器和蒸发器是热分离的，是由一根短管相连，且短管包含着提供水力耦合的毛细连接件；4)储液器和蒸发器由短管相连通，此外，回流的液体通过引管直接引入蒸发器中。
深冷回路热管工作在深低温区，需要采用深低温工质作为工作流体。因而与传统回路热管相比，深冷回路热管在结构上还需增加一个次蒸发器和一个气库，以解决缩短主蒸发器的降温过程和确保常温下有足够的承压能力这两个问题。此外，一方面由于深低温工质能够产生的毛细压力小而其流动阻力大，从而使深冷回路热管的启动极为困难；另一方面由于深冷回路热管规模较小，因而主吸液芯的厚度受到主蒸发器管壳大小的限制，从而使沸腾极易发生在主吸液芯的内核中(在输入热功率较高时尤其如此)，进而使深冷回路热管的启动更容易失败，同时限制了它的传热能力。此问题也是传统回路热管在小型化方面所遇到的问题之一。
发明内容
为了解决深冷回路热管启动困难的问题并提高其可传输的最大热流量，本发明提供一种深冷回路热管。这种深冷回路热管能有效地防止深冷回路热管启动时发生的工质逆流现象，从而可确保深冷回路热管的成功启动，同时可提高深冷回路热管的传热极限，并使其获得更为稳定的工作性能。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的深冷回路热管，包括：
一主蒸发器11；
一储液器12；所述主蒸发器11与储液器12通过一连接管5串联成一体；
所述主蒸发器11包括主蒸发器管壳1、主蒸发器左端盖2、主蒸发器右端盖3和主吸液芯4，所述主蒸发器管壳1为内孔表面上切割有轴向槽道的空心不锈钢管，其内同轴放置由不锈钢粉末烧结而成的筒状的主吸液芯4，主蒸发器左端盖2和主蒸发器右端盖3分别焊接在主蒸发器管壳1的两端；
所述储液器12包括储液器管壳7、储液器左端盖6和储液器右端盖8，所述储液器管壳7为内壁光滑的不锈钢管，其储液器右端盖8与储液器管壳7之间填充有不锈钢丝网；其特征在于，还包括：
同轴放置在所述主吸液芯4内孔中的带有中心内孔的毛细连接件9，所述毛细连接件9经由连接管5的内孔一直延伸至储液器12中；
所述毛细连接件9与储液器管壳7之间填充有不锈钢丝网。所述连接管5为不锈钢管。所述毛细连接件9由不锈钢丝网卷制而成。所述的主蒸发器左端盖2和主蒸发器右端盖3采用不锈钢材料制成。所述储液器左端盖6和储液器右端盖8采用不锈钢材料制成。
本发明提供的深冷回路热管，其主蒸发器11的管壳1由内表面切割了轴向槽道的不锈钢管制成。主蒸发器管壳1与主蒸发器左端盖2和主蒸发器右端盖3的连接是使用氩弧焊等方式焊接在一起。主蒸发器管壳1内孔中同轴放置的是由不锈钢粉末烧结而成的筒状多孔结构，即为主吸液芯。储液器12是由储液器管壳7、储液器左端盖6和储液器右端盖8组成。但储液器12的管壳7是内壁光滑的不锈钢管，其与左、右端盖也是采用焊接方式连接在一起。主蒸发器和储液器间通过一根薄壁的短管(连接管5)相连，此连接管5与主蒸发器右端盖和储液器左端盖的连接也是采用了焊接的方法。此外，一个由不锈钢细丝网卷制而成的毛细连接件9沿主吸液芯内孔轴向放置并一直延伸到储液器12中。此毛细连接件9的一部分是副芯。副芯的目的是通过毛细作用，把储液器12中的液体抽吸到主蒸发器11的主吸液芯4的整个核心内。此毛细连接件9的另一部分是蒸汽通道。此通道是为了把产生在主吸液芯4核心中的气泡或蒸汽疏散至储液器中。最后，为了防止启动时工质的逆流现象，在靠近储液器右端盖8处填充了约1mm厚的不锈钢细丝网片。同时，在毛细连接件外表面与储液器管壳内壁的空间中填充有数量较少的环形不锈钢粗丝网片，以减少深冷回路热管工作时，储液器内气液分界面的波动对其温度稳定性的影响，从而获得更为稳定的工作性能。
在深冷回路热管的启动和工作过程中，其主蒸发器必须满足以下两个条件：
1)主吸液芯4必须一直被液态工质润湿，只有这样主吸液芯才能提供毛细抽吸能力。正是这种毛细压力维持了蒸汽从主蒸发器流向冷凝器冷凝后再流回主蒸发器中的循环，此过程无需使用外部动力。如果主吸液芯没有被液体浸润，则不会产生毛细抽吸现象，从而导致系统无法启动或者流体循环无法进行。
2)可容忍蒸汽的存在是主蒸发器必不可少的特性：实际上，毛细蒸发器核心中气泡的形成是不可避免的。为了避免主蒸发器不能产生毛细力，主吸液芯必须能容忍蒸汽的存在。这是在任何回路工作条件下实现有效性和可靠性的前提条件。主吸液芯核心中形成气泡的原因有二：1、当液体温度升高至饱和温度附近时，溶解在过冷液中的不凝性气体(NCG)将导致气泡的生成。2、热负荷施加在主蒸发器管壳的外表面，通过主吸液芯将产生逆向热流。也就是说，除了大部分热流在主吸液芯外表面处由于液体的蒸发被蒸汽带走外，剩余的小部分热流会从径向经主吸液芯传导到其内核中，从而引起核心内蒸汽的形成。如果不能确保主蒸发器内主吸液芯的液体供应，则气体或蒸汽的膨胀将导致深冷回路热管无法启动。
本发明将主蒸发器11和储液器12集成在一起，是为了确保主蒸发器中的主吸液芯4能够一直被液体润湿。毛细连接件9的副芯可驱动液体从储液器流向主蒸发器，它确保了主吸液芯4总是被液体浸润。如此，就能产生毛细抽吸作用来维持回路内的循环。一旦主吸液芯4外表面处有液体蒸发，副芯内的液体将被抽吸至主吸液芯4外表面，从而使得该处的蒸发能够持续进行。此毛细抽吸压力必须能维持储液器和主吸液芯间的液体流动。由于这一流动路径很短，因此副芯的抽吸能力能够不断地把液体抽吸到主蒸发器中。而毛细连接件的蒸汽通道可把主吸液芯中已生成的气体疏散到储液器中，从而防止了主蒸发器的烧干现象，进而确保深冷回路热管的启动和工作能够顺利进行。
本发明在储液器右端盖附近填充圆形丝网片，能够有效地防止储液器压力升高时发生工质的逆向流动，从而确保了深冷回路热管启动的顺利进行，并有可能使其获得更大的传热极限。此外，由于储液器中往往处于气液共存的状态，当输入热功率增加时将导致储液器中气液分界面的波动，从而引起回路工作温度的波动。在毛细连接件外表面与储液器管壳内壁的空间中填充数量较少的不锈钢环形粗丝网片，可减少深冷回路热管工作时储液器内气液分界面的波动对回路工作温度稳定性的影响，从而获得更为稳定的工作性能。
本发明解决深冷回路热管启动困难的问题，并能防止启动时发生工质逆流现象，以及使沸腾不容易发生在主吸液芯内核中，从而确保了深冷回路热管的成功启动，同时有可能提高深冷回路热管的传热极限，并使其获得更为稳定的工作性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为主蒸发器管壳1的截面示意图；
图3为筒状的主吸液芯4的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
图1为本发明的结构示意图；图2为主蒸发器管壳1的截面示意图；图3为筒状主吸液芯4的结构示意图；由图可知，本发明提供的深冷回路热管，包括：
一主蒸发器11；
一储液器12；所述主蒸发器11与储液器12通过一连接管5串联成一体；
所述主蒸发器11包括主蒸发器管壳1、主蒸发器左端盖2、主蒸发器右端盖3和主吸液芯4，所述主蒸发器管壳1为内孔表面上切割有轴向槽道的空心不锈钢管，其内同轴放置由不锈钢粉末烧结而成的筒状的主吸液芯4，主蒸发器左端盖2和主蒸发器右端盖3分别焊接在主蒸发器管壳1的两端；
所述储液器12包括储液器管壳7、储液器左端盖6和储液器右端盖8，所述储液器管壳7为内壁光滑的不锈钢管，其储液器右端盖8与储液器管壳7之间填充有不锈钢丝网；其特征在于，还包括：
同轴放置在所述主吸液芯4内孔中的带有中心内孔的毛细连接件9，所述毛细连接件9经由连接管5的内孔一直延伸至储液器12中；
所述毛细连接件9与储液器管壳7之间填充有不锈钢丝网。所述连接管5为不锈钢管。所述毛细连接件9由不锈钢丝网卷制而成。所述的主蒸发器左端盖2和主蒸发器右端盖3采用不锈钢材料制成。所述储液器左端盖6和储液器右端盖8采用不锈钢材料制成。
深冷回路热管在启动时需要先在主吸液芯4的内、外表面两侧形成压力差。当系统中没有流动发生以及主蒸发器管壳1外壁上没有热负荷时，主吸液芯4的两侧也不会产生压力或温度梯度。一旦加热主蒸发器管壳1的外壁，主吸液芯4的两侧就会形成温度梯度，从而使得深冷回路热管能够启动。当施加在主蒸发器管壳1外表面处的热负荷非常低时，从主吸液芯4向储液器12的导热将处于主导地位，就是说：只有小部分的热负荷用于加热主蒸发器管壳1内表面槽道中的液体；而大部分热负荷则从径向经过主吸液芯4传导给其核心中的液体。这样导致的结果，一方面使启动所需的温度梯度的建立变得困难，另一方面使主吸液芯4内核中容易产生气泡。尽管已生成的气泡会通过毛细连接件9的蒸汽空间疏散到储液器12中，并聚集在储液器12上部。但当工质的正向流动发生之前，因为没有过冷液经由储液器右端盖8中部的通孔回流到储液器12中并重新将已形成的蒸汽冷凝；或者因为回路工作时回流冷凝液的过冷度不足以冷却已形成的蒸汽，于是储液器12的压力将不断上升。当储液器12的压力上升到某一数值时，将有可能把其下部的冷凝液反向经储液器右端盖8中部的通孔压入蒸汽管线中，从而引起工质逆向流动，进而使得主蒸发器11迅速烧干，最后导致深冷回路热管无法启动或维持正常工作。

Claims (5)

1、一种深冷回路热管，包括：
一主蒸发器(11)；
一储液器(12)；所述主蒸发器(11)与储液器(12)通过一连接管(5)串联成一体；
所述主蒸发器(11)包括主蒸发器管壳(1)、主蒸发器左端盖(2)、主蒸发器右端盖(3)和主吸液芯(4)，所述主蒸发器管壳(1)为内孔表面上切割有轴向槽道的空心不锈钢管，其内同轴放置由不锈钢粉末烧结而成的筒状的主吸液芯(4)，主蒸发器左端盖(2)和主蒸发器右端盖(3)分别焊接在主蒸发器管壳(1)的两端；
所述储液器(12)包括储液器管壳(7)、储液器左端盖(6)和储液器右端盖(8)，所述储液器管壳(7)为内壁光滑的不锈钢管，其储液器右端盖(8)与储液器管壳(7)之间填充有不锈钢丝网；其特征在于，还包括：
同轴放置在所述主吸液芯(4)内孔中的带有中心内孔的毛细连接件(9)，所述毛细连接件(9)经由连接管(5)的内孔一直延伸至储液器(12)中；
所述毛细连接件(9)与储液器管壳(7)之间填充有不锈钢丝网。
2、根据权利要求1所述的深冷回路热管，其特征在于：所述连接管(5)为不锈钢管。
3、根据权利要求1所述的深冷回路热管，其特征在于：所述毛细连接件(9)由不锈钢丝网卷制而成。
4、根据权利要求1所述的深冷回路热管，其特征在于：所述的主蒸发器左端盖(2)和主蒸发器右端盖(3)采用不锈钢材料制成。
5、根据权利要求1所述的深冷回路热管，其特征在于：所述储液器左端盖(6)和储液器右端盖(8)采用不锈钢材料制成。
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