小型化环路热管.pdf

本发明公开了一种小型化环路热管，包含蒸发器、以及与蒸发器连接成一体的液池、冷凝器，这三个部件通过不锈钢细薄壁管连接到一起形成环路。当该小型环路热管用于低于200K的环境时，使用连接到蒸汽管线上的气库来降低其在常温环境中存放的压力。其主要特征在于：重新设计了蒸发器内部的吸液芯，使用金属丝网作为次吸液芯，并且在主吸液芯表面刻出周向螺纹槽道使液体分布均匀，刻出轴向矩形槽道作为蒸汽的流动通道。设计了一种新型冷凝器，并且在工质的流通通道上添加螺纹肋片、矩形肋片、或者锯齿作为强化凝结措施，提高了凝结效率

1.  一种小型化环路热管，包括蒸发器(1)、液池(2)、冷凝器(4)、液体管线(3)、气体管线(5)，其特征在于：
所述的蒸发器(1)的外径不超过15mm，内部使用多孔金属烧结材料作为主吸液芯(1-3)，使用金属丝网作为次吸液芯(1-4)，其中主吸液芯(1-3)表面刻出周向螺纹槽道(1-3-1)使液体分布均匀，刻出轴向矩形槽道(1-3-2)作为蒸汽的流动通道；
所述的冷凝器(4)直接在一块金属上打孔，形成弯曲的工质流动通道(4-2)，在孔内添加作为强化凝结措施的螺纹肋片、矩形肋片、或者锯齿(4-1)；当所述的环路热管用于200K以下温区时，热管环路上还添加有气库(6)，气库(6)连接到气体管线(5)上。

2.  根据权利要求1所述的一种小型化环路热管，其特征在于：在常温使用或者地面上在低温使用时，蒸发器壳体(1-2)和冷凝器(4)使用紫铜、铝、或铝合金材料，液池(2)、液体管线(3)、气体管线(5)使用不锈钢材料；在空间低温环境中使用时，蒸发器(1)、液池(2)、冷凝器(4)、液体管线(3)、气体管线(5)使用同种材料金属或者热膨胀系数差异下的金属，并且外表面镀金。

小型化环路热管
技术领域
本发明涉及传热技术，具体指一种小型化环路热管，它应用于小型航天器的热控制以及低温光学系统中。
背景技术
小型化环路热管是环路热管未来发展的重要趋势之一。在航天领域中，应用于微型卫星的小型化高效热量传输部件如小型化环路热管是微型卫星研制中关键技术之一。另外在低温光学系统中，为了提高低温光学系统的集成度，降低整个系统的重量，应用于制冷机与探测器耦合的小型化低温环路热管也是关键技术之一。
限制小型化环路热管的主要技术难题就是设计高效的小型化冷凝器。传统环路热管冷凝器是将弯曲成蛇形的紫铜管或不锈钢管直接焊接到紫铜板或不锈钢板上。由于受紫铜管或不锈钢管弯曲半径的影响，该冷凝器的尺寸大，重量重。并且由于使用的不锈钢管和紫铜管都是光管，因此气态工质在冷凝器中受冷时凝结效率不高，需要添加强化凝结的措施。
限制小型化环路热管的另外一个技术难题就是小型的蒸发器。目前主要使用外径超过20mm以上的蒸发器。虽然这种蒸发器使环路热管具有很大的传热能力，但是这种传热能力已经超过了小型航天器或低温光学系统中传热的需求。若换用不超过15mm的蒸发器，不仅能够满足这种需求，还能降低环路热管的重量。
发明内容
本发明的目的是提供了一种小型化环路热管，在环路热管冷凝器的设计中，提供了一种新的设计思路，添加了强化凝结措施，降低了冷凝器的重量和尺寸。另外还使用了外径低于15mm的小型蒸发器，在满足传热能力的前提下，降低了环路热管的重量，解决了环路热管的小型化问题。
本发明采用的技术法案如下：
该小型化环路热管包含蒸发器1、液池2、冷凝器4，使用液体管线3、气体管线5将上述三个部件串联到一起，形成环路；其中蒸发器1与液池2连接到一起，蒸发器内部含有主吸液芯1-3和次吸液芯1-4；当该小型环路热管拓展到低温环境中使用时，添加气库6。
该小型化环路热管的特征在于：
冷凝器4直接在一块金属上打孔，形成弯曲的工质流动通道4-2，在孔内添加螺纹肋片、矩形肋片、或者锯齿4-1作为强化凝结措施。
当该小型化环路热管用于200K以下温区时，添加气库6，并连接到气体管线5上。
在常温使用或者地面上在低温使用时，蒸发器1、冷凝器4使用紫铜、铝、铝合金等导热系数大的金属材料，液池2、液体管线3、气体管线5使用不锈钢材料；在空间低温环境中使用时，蒸发器1、液池2、冷凝器4、液体管线3、气体管线5使用同种金属材料或者热膨胀系数变化不大的金属，并且表面镀金或者覆盖多层。
使用了小型蒸发器，其外径不超过15mm，内部使用多孔金属烧结材料作为主吸液芯1-3，使用金属丝网作为次吸液芯1-4，其中主吸液芯1-3表面刻出周向螺纹槽道1-3-1使液体分布均匀，刻出轴向矩形槽道1-3-2作为蒸汽的流动通道。
本发明的优点如下：
(1)在冷凝器的设计上添加了强化凝结措施，使冷凝器内部饱和气态工质的凝结效率更高，减小了冷凝器的管线长度和体积。
(2)在主吸液芯表面刻出周向螺纹槽道，使蒸发器表面的温度均匀。在主吸液芯表面刻出轴向矩形槽道，减少蒸汽的流动压力。
(3)直接使用丝网做为次吸液芯，放弃了环路热管中常用的金属多孔材料，可以降低成本。
(4)在空间低温环境中使用时，要求小型化的低温环路热管的各种部件使用同种材料，可以避免因为热膨胀系数的差异造成的应力集中。
附图说明
图1使用新型冷凝器和新型蒸发器环路热管的总体结构图。
图2蒸发器与液池连接的剖面图。
图3冷凝器结构图。
图4主吸液芯结构图。
具体实施方式
现结合附图对本发明做详细说明。
图1所示，本发明的小型化环路热管包含蒸发器1、液池2、冷凝器4，使用液体管线3、气体管线5，将上述三个部件串联到一起，形成环路，其中蒸发器1与液池2连接到一起，蒸发器内部含有主吸液芯1-3和次吸液芯1-4。
当该小型化环路热管在常温工作时，直接往液池2冲注液态工质。由于主吸液芯1-3毛细力的作用，主蒸发器1内部充满液体。由于主吸液芯1-3外表面的周向螺纹槽道1-3-1的作用，液体的分布会很均匀。加热蒸发器1，由于蒸发器壳体1-2的内表面存在强化沸腾措施，汽化核心在蒸发器内壁1-2快速形成。蒸汽沿着主吸液芯1-3外表面轴向槽道1-3-2，通过气体管线5流向冷凝器4。由于冷凝器4内部肋片的作用，增大了换热面积，减薄了液膜厚度，因此强化工质凝结。液态工质在冷凝器4中过冷，然后又通过液体管线5重新流回蒸发器。当流入蒸发器1中的液态工质过量时，会存在液池中。
当小型化环路热管在低温下使用时，将气库6连接到小型化环路热管的蒸汽管线5上。连接冷源之后，由于液态工质最初在冷凝器4内部出现。在冷凝器4靠近液体管线一侧布置一个最大加热功率不超过5W的薄膜型加热片。加热液体产生驱动，使之流向蒸发器4。当蒸发器4的温度与冷源温度相差不大时，关闭驱动加热片，加热蒸发器4，接下来的工作过程如上段所述。