深低温区低温回路热管 【技术领域】
本发明属于制冷与低温技术领域，特别涉及一种空间用低温集成系统中的关键技术之一：用于改善低温制冷机与被冷却器件集成关系的一种结构简单的深低温区低温回路热管。
背景技术
21世纪是航天技术和超导技术大发展的世纪，制冷技术的应用将更加广泛而深入。目前，红外探测器件以及高温超导器件的冷源主要是微型低温制冷机。当前的制冷技术所需改善的几个方面，除了包括：提高制冷量、减轻重量、改善效率和低温性能、以及延长寿命外，还应发展低温集成技术把制冷机和被冷却器件有效地集成在一起。在当前和以后的系统设计和应用中，越来越明显地需要考虑到制冷机冗余和远距离的冷量传送这样一些问题。因而，应把低温应用看作一个系统，而不是器件的简单混合。低温集成技术从制冷机技术中分离出来，目的是为了增强制冷系统的能力。
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地限制。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，热管正是这样一种有效的传热设备，由于它利用的是相变传热的原理，所以能够在较小的温差下传输较多的热量。虽然传统热管的结构较为简单，但它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。
回路热管与传统热管的区别是：它分离了气液两相的流动，并且用以提供毛细力的多孔结构只放置在蒸发器中，从而可以采用孔距极小的多孔结构(几个微米)提供极大的毛细压力，并同时减少了工质在传输管线中流动的压降，因而使得这一设备能长距离、小温差地传递大量热量；并且由于它的蒸汽和液体管线中都没有使用吸液芯，因此能以极小的管线(1.5～3mm)实现相当灵活的布置。回路热管自上个世纪八九十年代发明以来，由于其独特的结构和优越的性能，就受到传热界人士和空间飞行器研制者的重视，并成为航天器热控制系统中一种先进的具有广阔发展前景的技术。但随着空间探测技术和制冷机技术的发展，则要求用低温制冷机为各种光学设备提供深冷的低温工作环境(100K以下)。因而以氨(冰点195K)为工质的常温回路热管将不能满足这一要求。
【发明内容】
本发明的目的在于：为了改善低温制冷机和被冷却器件间的集成关系，而提供一种工作在深低温区(液氮温区及其以下温区)的空间用低温回路热管。它是一种能适应空间应用的、高效的远距离传热设备，并能有效地解决制冷机和被冷却器件间的分离技术，从而有效抑制来自制冷机的机械振动和电磁干扰。同时由于低温回路热管利用的也是相变传热的原理，所以具有很好的等温性，可解决由于冷热源间温差大而使得制冷机效率降低的问题。本发明提供的低温回路热管具有一个结构简单的次蒸发器，从而使其整体结构也较为简单。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的深低温区低温回路热管，一主蒸发器1以及通过液体管线2与主蒸发器1串联，并通过蒸汽管线8形成回路的一冷凝器11；所述冷凝器11由一块紫铜板4及呈盘旋状锡焊在紫铜板4上的紫铜管组成；所述主蒸发器1为内孔表面上切割有轴向槽道的不锈钢管，其内孔中同轴放置由不锈钢粉末烧结而成的杯状多孔结构管10；其特征在于，还包括：
安装在冷凝器11的冷凝管线上的次蒸发器5；所述次蒸发器5为一黄铜管或为内孔表面上切有轴向槽道的黄铜管；和
安装在冷凝器11的冷凝管线上靠近蒸汽管线的一侧管线上的气库7。
所述连接液体管线2和蒸汽管线8为柔性金属软管。所述连接液体管线2和蒸汽管线8为柔性不锈钢薄壁管。
次蒸发器5为带内孔的黄铜管或为内孔表面上切有轴向槽道的黄铜管，其目的是利用槽道热管的工作原理，在加热次蒸发器时产生一定的压头，从而推动次蒸发器5前的一段冷凝液流向主蒸发器1，从而促使主蒸发器1温度能加速下降至工质的临界温度以下；主蒸发器1为内孔表面上切割有轴向槽道的不锈钢管，其内孔中同轴放置有由不锈钢粉末烧结而成的杯状多孔结构管10；当主蒸发器1温度下降到工作温度时，就可加热主蒸发器，于是多孔结构管中的液态工质将受热蒸发，并形成气液分界面，该气液分界面两侧的压力差即为毛细压力，此压力差驱动主蒸发器1中产生的蒸汽通过蒸汽管线流向冷凝器11，同时推动冷凝后的冷凝液从液体管线流回主蒸发器1中；如此不断地循环，便可把热量从主蒸发器1传给冷凝器11；连接主蒸发器1和冷凝器11的是液体管线和蒸气管线，使用的都是外径较小(如3mm)的柔性不锈钢薄壁管；气库7连接在冷凝器11管线上靠近蒸汽管线的一侧，并通过一根细长管相连；本发明提供的深低温区低温回路热管给出了冷凝器11、次蒸发器5和气库7入口位置间的一种连接关系，这样的结构关系可使次蒸发器起到有效地促使主蒸发器加速降温的作用。
本发明提供的深低温区低温回路热管利用工质的蒸发和凝结的相变过程来传递热量，因而是一种高效的传热设备，可在液氮温区乃至更低的深低温区下工作。其回路包括一个吸收低温热负荷的主蒸发器(与被冷却器件直接接触)，还有一个把热释放给制冷机冷端的冷凝器(与制冷机冷端直接接触)。主蒸发器和冷凝器通过柔性的长薄壁管(如不锈钢管或金属软管)相连，为低温制冷机冷端和被冷却器件间提供了良好的热和振动隔离，并使得冷、热源的布置更为灵活。此外，由于本深低温区低温回路热管工作在深低温区，因此还需考虑以下两个问题：一方面，需要采用氮气等深低温工质作为工作流体，然而液态的深低温工质在体积不变的情况下到了常温压力将高达几百公斤，为了确保常温下的安全，就需要使用一个大容积的气库来降低常温下的压力；另一方面，由于主蒸发器和冷凝器间(即被冷却器件与制冷机冷端之间)有一定的距离，而连接这两者的是内壁光滑的长薄壁管，只靠导热作用让主蒸发器从常温降低到工作温度将需要相当长的时间，因而需要采用次蒸发器来加快主蒸发器的降温过程。由于主、次蒸发器工作时产生的驱动力是液态工质受热蒸发时产生的压头或毛细力，与重力无关，而使得本发明提供的低温回路热管能应用于微重力和零重力的场合。
本发明提供的低温回路热管主要致力于低温制冷机的空间低温应用，能够有效地改善低温制冷机和被冷却器件间的集成关系，并能避免来自低温制冷机的机械振动和电磁干扰。
【附图说明】
图1为本发明整体结构示意图；
图2为次蒸发器5的横截面剖面图；
图3为主蒸发器1的结构示意图；
图4为图3的A-A剖面示意图。
【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为本发明的整体结构示意图，图2和图3分别为次蒸发器5和主蒸发器1的结构简图。如图1所示，本发明提供的深低温区低温回路热管，包括主蒸发器1、冷凝器11(由一根紫铜管3盘旋后锡焊在一块薄紫铜板4上而形成)、次蒸发器5(安装在紫铜管3的管路上)、主蒸发器1和冷凝器11之间通过液体传输管线2和蒸汽传输管线8形成回路；气库7通过蒸汽管线9连接在冷凝器11的紫铜管3上靠近蒸汽管线的一侧；冷凝器管线3是由一根一米多长的紫铜管盘旋后锡焊在一块薄紫铜板4上而形成；串联在冷凝器管线上的次蒸发器5是一个内孔表面上切有轴向槽道的黄铜管(或者为内孔表面光滑的圆管)，其结构简图如图2所示。主蒸发器1是内孔表上切割有轴向槽道的不锈钢管，其内孔中同轴放置有由不锈钢粉末烧结而成的杯状多孔结构10，图3给出了主蒸发器1的结构简图。主蒸发器1和冷凝器管线3之间连接的是液体管线2和蒸气管线8，都是外径较小(如3mm)的柔性不锈钢薄壁管。气库7通过一根细长管9连接在冷凝器管线3上靠近蒸汽管线8的一侧，即图1中位置6处。
如果采用高纯氮作为工作液体，则本发明提供的低温回路热管可工作在液氮温区，此情况下只需使用低温制冷机把冷凝器冷板4冷却至并维持在78K即可。如图1所示，开始时低温回路热管整体处于环境温度下(如室温273K)。当使用低温制冷机把冷凝器冷板4冷却至78K后，由于冷凝器管线3与冷板4直接接触，而且次蒸发器5是热导率较高的黄铜管，所以靠导热的作用就可使冷凝器管线3和次蒸发器5中的工质液化。但由于主蒸发器1和冷凝器冷板4间有一定的距离，连接这两者的传输管线2和8又是热导率较小的不锈钢薄壁管，因而此时主蒸发器1仍处于较高的温度。在没有重力辅助作用的空间应用的场合，只靠导热作用让主蒸发器1的温度下降到工作温度将需要较长的时间，因而有必要采用次蒸发器5来缩短主蒸发器的降温过程。
当冷凝器管线3和次蒸发器5中的工质液化后，就可加热次蒸发器5，当次蒸发器5中的工质受热蒸发后，就会产生一定的压头，推动它前边的一段冷凝液流向主蒸发器1，从而使主蒸发器1快速降温。这部分已经蒸发的工质在向主蒸发器1方向流动时将在次蒸发器5前边的这段冷凝器管线3中再次冷凝。同时，次蒸发器5后的冷凝液将不断地往次蒸发器5中补充。这样，通过加热次蒸发器5，就能起到促使主蒸发器1快速降温的目的。需要特别指出的是：本发明提供的低温回路热管给出了冷凝器管线3、次蒸发器5和气库与回路的连接位置6之间的一种连接关系，这样的结构关系可使次蒸发器5受热时不容易烧干。因为当次蒸发器5后的冷凝液往次蒸发器5中补充时，气库7中的剩余气体将通过连接管10和气库与回路的连接位置6进入到冷凝器管线3中冷凝，反过来又推动冷凝液往次蒸发器5中补充，从而保证次蒸发器5不易烧干。于是通过加热次蒸发器5可起到有效地促使主蒸发器1加速降温的作用。
当主蒸发器1温度也降至工质的临界温度以下后，低温回路热管就进入了正常工作状态。此时，主蒸发器1将吸收被冷却器件的发热量，液态工质就在多孔结构10中的气液分界面上蒸发并产生一定的毛细力。在毛细力的驱动下，主蒸发器1中产生的蒸汽将由蒸汽管线8流向冷凝器管线3。同时，冷凝器管线3中的部分冷凝液也会在毛细力驱动下流回主蒸发器1中，如此不断地循环，依靠潜热把热量从主蒸发器1传给冷凝器冷板4。在正常工作方式下，无需对次蒸发器5加热。