專利名稱：一種用于深低溫區(qū)的低溫回路熱管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于制冷與低溫技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種空間用低溫集成系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一用于改善低溫制冷機與被冷卻器件集成關(guān)系的一種結(jié)構(gòu)簡單的用于深低溫區(qū)的低溫回路熱管。
背景技術(shù)：
21世紀是航天技術(shù)和超導(dǎo)技術(shù)大發(fā)展的世紀，制冷技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛而深入。目前，紅外探測器件以及高溫超導(dǎo)器件的冷源主要是微型低溫制冷機。當前的制冷技術(shù)所需改善的幾個方面，除了包括提高制冷量、減輕重量、改善效率和低溫性能、以及延長壽命外，還應(yīng)發(fā)展低溫集成技術(shù)把制冷機和被冷卻器件有效地集成在一起。在當前和以后的系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用中，越來越明顯地需要考慮到制冷機冗余和遠距離的冷量傳送這樣一些問題。因而，應(yīng)把低溫應(yīng)用看作一個系統(tǒng)，而不是器件的簡單混合。低溫集成技術(shù)從制冷機技術(shù)中分離出來，目的是為了增強制冷系統(tǒng)的能力。
當前，連接制冷機和被冷卻器件的常用方法是用銅棒進行熱傳導(dǎo)，其缺點是當熱傳輸距離變長時，兩端溫差會受到熱傳導(dǎo)橫截面積的限制。為了在同一溫差下能傳輸更多的熱量，就需要尋找其他的傳熱方法。眾所周知，熱管正是這樣一種有效的傳熱設(shè)備，由于它利用的是相變傳熱的原理，所以能夠在較小的溫差下傳輸較多的熱量。雖然傳統(tǒng)熱管的結(jié)構(gòu)較為簡單，但它并不適合于遠距離的熱量傳輸，也不能避免低溫制冷機對被冷卻器件產(chǎn)生的機械振動和電磁干擾的影響。
回路熱管與傳統(tǒng)熱管的區(qū)別是它分離了氣液兩相的流動，并且用以提供毛細力的多孔結(jié)構(gòu)只放置在蒸發(fā)器中，從而可以采用孔距極小的多孔結(jié)構(gòu)(幾個微米)提供極大的毛細壓力，并同時減少了工質(zhì)在傳輸管線中流動的壓降，因而使得這一設(shè)備能長距離、小溫差地傳遞大量熱量；并且由于它的蒸汽和液體管線中都沒有使用吸液芯，因此能以極小的管線(1.5～3mm)實現(xiàn)相當靈活的布置。回路熱管自上個世紀八九十年代發(fā)明以來，由于其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的性能，就受到傳熱界人士和空間飛行器研制者的重視，并成為航天器熱控制系統(tǒng)中一種先進的具有廣闊發(fā)展前景的技術(shù)。但隨著空間探測技術(shù)和制冷機技術(shù)的發(fā)展，則要求用低溫制冷機為各種光學(xué)設(shè)備提供深冷的低溫工作環(huán)境(100K以下)。因而以氨(冰點195K)為工質(zhì)的常溫回路熱管將不能滿足這一要求。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于為了改善低溫制冷機和被冷卻器件間的集成關(guān)系，而提供一種工作在深低溫區(qū)(液氮溫區(qū)及其以下溫區(qū))的空間用低溫回路熱管。它是一種能適應(yīng)空間應(yīng)用的、高效的遠距離傳熱設(shè)備，并能有效地解決制冷機和被冷卻器件間的分離技術(shù)，從而有效抑制來自制冷機的機械振動和電磁干擾。同時由于低溫回路熱管利用的也是相變傳熱的原理，所以具有很好的等溫性，可解決由于冷熱源間溫差大而使得制冷機效率降低的問題。本實用新型提供的低溫回路熱管具有一個結(jié)構(gòu)簡單的次蒸發(fā)器，從而使其整體結(jié)構(gòu)也較為簡單。
本實用新型的技術(shù)方案如下本實用新型提供的用于深低溫區(qū)的低溫回路熱管，包括一主蒸發(fā)器1以及通過液體管線2與主蒸發(fā)器1串聯(lián)，并通過蒸汽管線8形成回路的一冷凝器11；所述冷凝器11由一塊紫銅板4及呈盤旋狀錫焊在紫銅板4上的紫銅管組成；所述主蒸發(fā)器1為內(nèi)孔表面上切割有軸向槽道的不銹鋼管，其內(nèi)孔中同軸放置由不銹鋼粉末燒結(jié)而成的杯狀多孔結(jié)構(gòu)管10；其特征在于，還包括安裝在冷凝器11的冷凝管線上的次蒸發(fā)器5；所述次蒸發(fā)器5為一黃銅管或為內(nèi)孔表面上切有軸向槽道的黃銅管；和安裝在冷凝器11的冷凝管線上靠近蒸汽管線的一側(cè)管線上的氣庫7。
所述連接液體管線2和蒸汽管線8為柔性金屬軟管。所述連接液體管線2和蒸汽管線8為柔性不銹鋼薄壁管。
次蒸發(fā)器5為帶內(nèi)孔的黃銅管或為內(nèi)孔表面上切有軸向槽道的黃銅管，其目的是利用槽道熱管的工作原理，在加熱次蒸發(fā)器時產(chǎn)生一定的壓頭，從而推動次蒸發(fā)器5前的一段冷凝液流向主蒸發(fā)器1，從而促使主蒸發(fā)器1溫度能加速下降至工質(zhì)的臨界溫度以下；主蒸發(fā)器1為內(nèi)孔表面上切割有軸向槽道的不銹鋼管，其內(nèi)孔中同軸放置有由不銹鋼粉術(shù)燒結(jié)而成的杯狀多孔結(jié)構(gòu)管10；當主蒸發(fā)器1溫度下降到工作溫度時，就可加熱主蒸發(fā)器，于是多孔結(jié)構(gòu)管中的液態(tài)工質(zhì)將受熱蒸發(fā)，并形成氣液分界面，該氣液分界面兩側(cè)的壓力差即為毛細壓力，此壓力差驅(qū)動主蒸發(fā)器1中產(chǎn)生的蒸汽通過蒸汽管線流向冷凝器11，同時推動冷凝后的冷凝液從液體管線流回主蒸發(fā)器1中；如此不斷地循環(huán)，便可把熱量從主蒸發(fā)器1傳給冷凝器11；連接主蒸發(fā)器1和冷凝器11的是液體管線和蒸氣管線，使用的都是外徑較小(如3mm)的柔性不銹鋼薄壁管；氣庫7連接在冷凝器11管線上靠近蒸汽管線的一側(cè)，并通過一根細長管相連；本實用新型提供的深低溫區(qū)低溫回路熱管給出了冷凝器11、次蒸發(fā)器5和氣庫7入口位置間的一種連接關(guān)系，這樣的結(jié)構(gòu)關(guān)系可使次蒸發(fā)器起到有效地促使主蒸發(fā)器加速降溫的作用。
本實用新型提供的用于深低溫區(qū)的低溫回路熱管利用工質(zhì)的蒸發(fā)和凝結(jié)的相變過程來傳遞熱量，因而是一種高效的傳熱設(shè)備，可在液氮溫區(qū)乃至更低的深低溫區(qū)下工作。其回路包括一個吸收低溫熱負荷的主蒸發(fā)器(與被冷卻器件直接接觸)，還有一個把熱釋放給制冷機冷端的冷凝器(與制冷機冷端直接接觸)。主蒸發(fā)器和冷凝器通過柔性的長薄壁管(如不銹鋼管或金屬軟管)相連，為低溫制冷機冷端和被冷卻器件間提供了良好的熱和振動隔離，并使得冷、熱源的布置更為靈活。此外，由于本深低溫區(qū)低溫回路熱管工作在深低溫區(qū)，因此還需考慮以下兩個問題一方面，需要采用氮氣等深低溫工質(zhì)作為工作流體，然而液態(tài)的深低溫工質(zhì)在體積不變的情況下到了常溫壓力將高達幾百公斤，為了確保常溫下的安全，就需要使用一個大容積的氣庫來降低常溫下的壓力；另一方面，由于主蒸發(fā)器和冷凝器間(即被冷卻器件與制冷機冷端之間)有一定的距離，而連接這兩者的是內(nèi)壁光滑的長薄壁管，只靠導(dǎo)熱作用讓主蒸發(fā)器從常溫降低到工作溫度將需要相當長的時間，因而需要采用次蒸發(fā)器來加快主蒸發(fā)器的降溫過程。由于主、次蒸發(fā)器工作時產(chǎn)生的驅(qū)動力是液態(tài)工質(zhì)受熱蒸發(fā)時產(chǎn)生的壓頭或毛細力，與重力無關(guān)，而使得本實用新型提供的低溫回路熱管能應(yīng)用于微重力和零重力的場合。
本實用新型提供的用于深低溫區(qū)的低溫回路熱管主要致力于低溫制冷機的空間低溫應(yīng)用，能夠有效地改善低溫制冷機和被冷卻器件間的集成關(guān)系，并能避免來自低溫制冷機的機械振動和電磁干擾。


圖1為本實用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為次蒸發(fā)器5的橫截面剖面圖；圖3為主蒸發(fā)器1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖3的A-A剖面示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型做進一步說明圖1為本實用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2和圖3分別為次蒸發(fā)器5和主蒸發(fā)器1的結(jié)構(gòu)簡圖。如圖1所示，本實用新型提供的用于深低溫區(qū)的低溫回路熱管，包括主蒸發(fā)器1、冷凝器11(由一根紫銅管3盤旋后錫焊在一塊薄紫銅板4上而形成)、次蒸發(fā)器5(安裝在紫銅管3的管路上)、主蒸發(fā)器1和冷凝器11之間通過液體傳輸管線2和蒸汽傳輸管線8形成回路；氣庫7通過蒸汽管線9連接在冷凝器11的紫銅管3上靠近蒸汽管線的一側(cè)；冷凝器管線3是由一根一米多長的紫銅管盤旋后錫焊在一塊薄紫銅板4上而形成；串聯(lián)在冷凝器管線上的次蒸發(fā)器5是一個內(nèi)孔表面上切有軸向槽道的黃銅管(或者為內(nèi)孔表面光滑的圓管)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。主蒸發(fā)器1是內(nèi)孔表上切割有軸向槽道的不銹鋼管，其內(nèi)孔中同軸放置有由不銹鋼粉末燒結(jié)而成的杯狀多孔結(jié)構(gòu)10，圖3給出了主蒸發(fā)器1的結(jié)構(gòu)簡圖。主蒸發(fā)器1和冷凝器管線3之間連接的是液體管線2和蒸氣管線8，都是外徑較小(如3mm)的柔性不銹鋼薄壁管。氣庫7通過一根細長管9連接在冷凝器管線3上靠近蒸汽管線8的一側(cè)，即圖1中位置6處。
如果采用高純氮作為工作液體，則本實用新型提供的用于深低溫區(qū)的低溫回路熱管可工作在液氮溫區(qū)，此情況下只需使用低溫制冷機把冷凝器冷板4冷卻至并維持在78K即可。如圖1所示，開始時低溫回路熱管整體處于環(huán)境溫度下(如室溫273K)。當使用低溫制冷機把冷凝器冷板4冷卻至78K后，由于冷凝器管線3與冷板4直接接觸，而且次蒸發(fā)器5是熱導(dǎo)率較高的黃銅管，所以靠導(dǎo)熱的作用就可使冷凝器管線3和次蒸發(fā)器5中的工質(zhì)液化。但由于主蒸發(fā)器1和冷凝器冷板4間有一定的距離，連接這兩者的傳輸管線2和8又是熱導(dǎo)率較小的不銹鋼薄壁管，因而此時主蒸發(fā)器1仍處于較高的溫度。在沒有重力輔助作用的空間應(yīng)用的場合，只靠導(dǎo)熱作用讓主蒸發(fā)器1的溫度下降到工作溫度將需要較長的時間，因而有必要采用次蒸發(fā)器5來縮短主蒸發(fā)器的降溫過程。
當冷凝器管線3和次蒸發(fā)器5中的工質(zhì)液化后，就可加熱次蒸發(fā)器5，當次蒸發(fā)器5中的工質(zhì)受熱蒸發(fā)后，就會產(chǎn)生一定的壓頭，推動它前邊的一段冷凝液流向主蒸發(fā)器1，從而使主蒸發(fā)器1快速降溫。這部分已經(jīng)蒸發(fā)的工質(zhì)在向主蒸發(fā)器1方向流動時將在次蒸發(fā)器5前邊的這段冷凝器管線3中再次冷凝。同時，次蒸發(fā)器5后的冷凝液將不斷地往次蒸發(fā)器5中補充。這樣，通過加熱次蒸發(fā)器5，就能起到促使主蒸發(fā)器1快速降溫的目的。需要特別指出的是本實用新型提供的用于深低溫區(qū)的低溫回路熱管給出了冷凝器管線3、次蒸發(fā)器5和氣庫與回路的連接位置6之間的一種連接關(guān)系，這樣的結(jié)構(gòu)關(guān)系可使次蒸發(fā)器5受熱時不容易燒干。因為當次蒸發(fā)器5后的冷凝液往次蒸發(fā)器5中補充時，氣庫7中的剩余氣體將通過連接管10和氣庫與回路的連接位置6進入到冷凝器管線3中冷凝，反過來又推動冷凝液往次蒸發(fā)器5中補充，從而保證次蒸發(fā)器5不易燒干。于是通過加熱次蒸發(fā)器5可起到有效地促使主蒸發(fā)器1加速降溫的作用。
當主蒸發(fā)器1溫度也降至工質(zhì)的臨界溫度以下后，低溫回路熱管就進入了正常工作狀態(tài)。此時，主蒸發(fā)器1將吸收被冷卻器件的發(fā)熱量，液態(tài)工質(zhì)就在多孔結(jié)構(gòu)10中的氣液分界面上蒸發(fā)并產(chǎn)生一定的毛細力。在毛細力的驅(qū)動下，主蒸發(fā)器1中產(chǎn)生的蒸汽將由蒸汽管線8流向冷凝器管線3。同時，冷凝器管線3中的部分冷凝液也會在毛細力驅(qū)動下流回主蒸發(fā)器1中，如此不斷地循環(huán)，依靠潛熱把熱量從主蒸發(fā)器1傳給冷凝器冷板4。在正常工作方式下，無需對次蒸發(fā)器5加熱。
權(quán)利要求1.一種用于深低溫區(qū)的低溫回路熱管，包括一主蒸發(fā)器(1)以及通過液體管線(2)與主蒸發(fā)器(1)串聯(lián)，并通過蒸汽管線(8)形成回路的一冷凝器(11)；所述冷凝器(11)由一塊紫銅板(4)及呈盤旋狀錫焊在紫銅板(4)上的紫銅管組成；所述主蒸發(fā)器(1)為內(nèi)孔表面上切割有軸向槽道的不銹鋼管，其內(nèi)孔中同軸放置由不銹鋼粉末燒結(jié)而成的杯狀多孔結(jié)構(gòu)管(10)；其特征在于，還包括安裝在冷凝器(11)的冷凝管線上的次蒸發(fā)器(5)；所述次蒸發(fā)器(5)為一黃銅管或為內(nèi)孔表面上切有軸向槽道的黃銅管；安裝在冷凝器(11)的冷凝管線上靠近蒸汽管線的一側(cè)管線上的氣庫(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深低溫區(qū)低溫回路熱管，其特征是所述連接液體管線(2)和蒸汽管線(8)為柔性金屬軟管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的深低溫區(qū)低溫回路熱管，其特征是所述連接液體管線(2)和蒸汽管線(8)為柔性不銹鋼薄壁管。
專利摘要本實用新型涉及深低溫區(qū)低溫回路熱管，包括主蒸發(fā)器以及與之串聯(lián)并形成回路的冷凝器；冷凝器由一紫銅板及呈盤旋狀錫焊在其上的紫銅管組成；主蒸發(fā)器為內(nèi)孔表面上切割有軸向槽道的不銹鋼管，其內(nèi)孔同軸放置由不銹鋼粉末燒結(jié)成的杯狀多孔結(jié)構(gòu)；裝在冷凝器冷凝管線上的次蒸發(fā)器，其為一黃銅管或為內(nèi)孔表面上切有軸向槽道的黃銅管；裝在冷凝器冷凝管線上靠近蒸汽管線一側(cè)的氣庫。主、次蒸發(fā)器工作產(chǎn)生的驅(qū)動力是液態(tài)工質(zhì)受熱蒸發(fā)時產(chǎn)生的毛細力或壓頭，與重力無關(guān)，可用于微重力和零重力場合；同時利用的也是相變傳熱，具有好的等溫性，能實現(xiàn)遠距離、小溫差傳熱，改善低溫制冷機和被冷卻器件間的集成關(guān)系，并隔離來自制冷機的機械振動和電磁干擾。
文檔編號F28D15/02GK2767942SQ200520000940
公開日2006年3月29日 申請日期2005年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月18日
發(fā)明者梁驚濤, 莫青, 蔡京輝 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所