两相流体回路冷凝管结构

摘要

本发明提供了一种两相流体回路冷凝管结构，包括冷凝管本体，所述冷凝管本体内部沿其长度方向开设有液体流道和蒸汽流道，所述液体流道和所述蒸汽流道之间通过连通狭缝相连通，所述蒸汽流道的截面尺寸大于所述液体流道的截面尺寸，所述液体流道的截面尺寸大于所述连通狭缝的截面尺寸。本发明的两相流体回路冷凝管结构，蒸汽流道与液体流道的设计使得气液在冷凝过程中能够有效分离，降低液膜和液塞带来的传导热阻；冷凝段的流动方向末端，液体流道与出口相连，蒸汽流道封闭，通过控制两相流体回路内的充液率可以避免蒸汽从出口排出。

权利要求

1.一种两相流体回路冷凝管结构，其特征在于，包括冷凝管本体(1)，所述冷凝管本体(1)内部沿其长度方向开设有液体流道(2)和蒸汽流道(3)，所述液体流道(2)和所述蒸汽流道(3)之间通过连通狭缝(4)相连通，所述蒸汽流道(3)的截面尺寸大于所述液体流道(2)的截面尺寸，所述液体流道(2)的截面尺寸大于所述连通狭缝(4)的截面尺寸，所述液体流道(2)、所述蒸汽流道(3)和所述连通狭缝(4)横截面的等效水力直径均小于相变换热工质的毛细直径，所述蒸汽流道(3)横截面的等效水力直径大于所述液体流道(2)横截面的等效水力直径，所述连通狭缝(4)横截面的等效水力直径小于所述液体流道(2)横截面的等效水力直径；

冷凝管本体(1)的第一端为两相流体回路的蒸汽出口，冷凝管本体(1)的第二端为两相流体回路的液体入口，相变工质在冷凝管本体(1)内由蒸汽冷凝为液体；

在冷凝管本体(1)的第一端，蒸汽流道(3)打开，液体流道(2)关闭，在冷凝管本体(1)的第二端，蒸汽流道(3)关闭，液体流道(2)打开；

所述冷凝管本体(1)的外表面(5)至少有一平面，所述平面便于与冷源相接触。

2.根据权利要求1所述的两相流体回路冷凝管结构，其特征在于，所述液体流道(2)的截面形状为圆形，所述蒸汽流道(3)的截面形状为圆形。

3.根据权利要求2所述的两相流体回路冷凝管结构，其特征在于，所述冷凝管本体(1)的横截面的特征长度小于所述冷凝管本体(1)的伸展长度。

4.根据权利要求3所述的两相流体回路冷凝管结构，其特征在于，所述冷凝管本体(1)能够根据冷凝段的需要进行弯曲设置。

5.根据权利要求4所述的两相流体回路冷凝管结构，其特征在于，所述冷凝管本体(1)由金属导热材料制成。

说明书

两相流体回路冷凝管结构

技术领域

[0001] 本发明涉及一种两相流体回路冷凝管结构，具体地，涉及一种气液分离式两相流体回路的蒸汽冷凝段的固体结构。

背景技术

[0002] 现有的两相流体回路技术主要包括分离式重力热管、环路热管、毛细抽吸回路和泵驱动两相流体回路。除了少数气液混合式的泵驱动两相流体回路，工业应用中的主流是气液分离式两相流体回路，不论是否有泵驱动。这些两相流体回路均需要在冷凝段将全部蒸汽冷凝，使工质在回到蒸发器之前，全部变成液体。现有的各种气液分离式的两相流体回路的冷凝段，除了极少数纯科研用途的环路热管在冷凝段采用反向毛细芯和复杂的结构腔体，大多是采用管线的形式与风冷翅片、换热器或者辐射器面板等冷源作导热连接。现有的管线的基本结构主要是圆形截面的金属管，通过来回弯折扩大与冷源的接触面积。

[0003] 大量的研究结果显示，现有的管线设计从绝热段到冷凝段之间会产生较大的热阻，在低功率的工作状态下热阻还要高不少。对于航天器所用的环路热管，其圆管截面的冷凝段管线结构，在微重力环境下的换热系数，往往只有在地面时的三分之一左右。究其原因，一方面，工质蒸汽在管线内冷凝时，会形成气柱-液塞或者环状流，完全冷凝的液塞阻断了管线与外界的相变换热，减少了冷凝段的有效散热面积。环状流的液膜虽然能允许蒸汽继续冷凝，但随着冷凝量的增加，冷凝液膜不断变厚，这不但增加了工质对外传热的热阻，而且蒸汽通道截面积减小还导致蒸汽的流动阻力变大。另一方面这些管线多是金属毛细圆管，为了降低系统重量和制造成本，选用的管径往往较小，但为了满足来回弯折的应用需求，毛细管对壁厚有一定要求，无法做得很薄。除了上述对热阻的不利影响以外，偏小的管径带来较小的外表面积，管线的圆形轮廓与风冷翅片或辐射面板等冷源的导热困难，也是增大系统热阻的重要因素。此外，在微重力环境下，圆管内的环状冷凝液膜的持续时间更长、更不易被蒸汽流动所破坏，导致管线的热阻形成得更早，对导热的负面影响更大。

[0004] 因此，有必要提供一种在冷凝段能够使冷凝液体与蒸汽及时分离，确保蒸汽不能从出口排出，保持管线形状，不影响自由弯折，冷凝管结构能够保留液体阻塞管线的可变热导功能的两相流体回路冷凝管结构。

发明内容

[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种两相流体回路冷凝管结构。

[0006] 根据本发明提供的一种两相流体回路冷凝管结构，包括冷凝管本体，所述冷凝管本体内部沿其长度方向开设有液体流道和蒸汽流道，

[0007] 所述液体流道和所述蒸汽流道之间通过连通狭缝相连通，所述蒸汽流道的截面尺寸大于所述液体流道的截面尺寸，所述液体流道的截面尺寸大于所述连通狭缝的截面尺寸。

[0008] 进一步地，所述液体流道、所述蒸汽流道和所述连通狭缝横截面的等效水力直径均小于相变换热工质的毛细直径。

[0009] 进一步地，所述蒸汽流道横截面的等效水力直径大于所述液体流道横截面的等效水力直径，所述连通狭缝横截面的等效水力直径小于所述液体流道横截面的等效水力直径。

[0010] 进一步地，所述液体流道的截面形状为圆形，所述蒸汽流道的截面形状为圆形。

[0011] 进一步地，冷凝管本体的第一端为两相流体回路的蒸汽出口，冷凝管本体的第二端为两相流体回路的液体入口，相变工质在冷凝管本体内由蒸汽冷凝为液体。

[0012] 进一步地，在冷凝管本体的第一端，蒸汽流道打开，液体流道关闭，在冷凝管本体的第二端，蒸汽流道关闭，液体流道打开。

[0013] 进一步地，所述冷凝管本体的外表面至少有一平面，所述平面便于与冷源相接触。

[0014] 进一步地，所述冷凝管本体的横截面的特征长度小于所述冷凝管本体的伸展长度。

[0015] 进一步地，所述冷凝管本体能够根据冷凝段的需要进行弯曲设置。

[0016] 进一步地，所述冷凝管本体由金属导热材料制成。

[0017] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0018] (1)本发明的两相流体回路冷凝管结构，本发明中蒸汽流道与液体流道的设计使得气液在冷凝过程中能够有效分离，降低液膜和液塞带来的传导热阻；

[0019] (2)本发明的两相流体回路冷凝管结构，本发明中冷凝段的流动方向末端，液体流道与出口相连，蒸汽流道封闭，通过控制两相流体回路内的充液率可以避免蒸汽从出口排出；

[0020] (3)本发明的两相流体回路冷凝管结构，本发明中的管结构外形扁平，能与冷源面板充分接触，获得更大的接触面积，降低接触热阻；

[0021] (4)本发明的两相流体回路冷凝管结构，结构简单，设计合理，体积小巧、紧凑，工作可靠、稳定，适用范围广，通用性强，有良好的市场前景和应用前景。

附图说明

[0022] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0023] 图1为本发明的两相流体回路冷凝管结构的示意图；

[0024] 图2(a)为现有技术中冷凝段圆截面光管工作时气液分布的第一种情况示意图；

[0025] 图2(b)为现有技术中冷凝段圆截面光管工作时气液分布的第二种情况示意图；

[0026] 图3为本发明的两相流体回路冷凝管结构工作时气液分布的情况；

[0027] 图4为本发明的两相流体回路冷凝管结构在冷源温度过低，通过冷凝液体阻塞，自适应降低传热能力时的气液分布情况；

[0028] 图5为本发明的两相流体回路冷凝管结构根据应用需要弯折的结构示意图；

[0029] 图6为本发明的另一种多流道热管型材的结构示意图；

[0030] 图7(a)为本发明的另一种多流道热管型材的一个方向的剖视图；

[0031] 图7(b)为本发明的另一种多流道热管型材的另一个方向的剖视图。

[0032] 其中，图中对应的附图标记为：1-冷凝管本体，2-液体流道，3-蒸汽流道，4-连通狭缝，5-外表面，6-液体工质，7-蒸汽工质，8-冷凝管管壁。

具体实施方式

[0033] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0034] 实施例

[0035] 本发明实施例提供了一种两相流体回路冷凝管结构，包括冷凝管本体1，所述冷凝管本体1内部沿其长度方向开设有液体流道2和蒸汽流道3，

[0036] 所述液体流道2和所述蒸汽流道3之间通过连通狭缝4相连通，所述蒸汽流道3的截面尺寸大于所述液体流道2的截面尺寸，所述液体流道2的截面尺寸大于所述连通狭缝4的截面尺寸。

[0037] 所述液体流道2、所述蒸汽流道3和所述连通狭缝4横截面的等效水力直径均小于相变换热工质的毛细直径。

[0038] 所述蒸汽流道3横截面的等效水力直径大于所述液体流道2横截面的等效水力直径，所述连通狭缝4横截面的等效水力直径小于所述液体流道2横截面的等效水力直径。

[0039] 所述液体流道2的截面形状为圆形，所述蒸汽流道3的截面形状为圆形。

[0040] 冷凝管本体1的第一端为两相流体回路的蒸汽出口，冷凝管本体1的第二端为两相流体回路的液体入口，相变工质在冷凝管本体1内由蒸汽冷凝为液体。

[0041] 其中，冷凝管本体1的第一端为冷凝管本体1的上游端，冷凝管本体1的第二端为冷凝管本体1的下游端。

[0042] 在冷凝管本体1的第一端，蒸汽流道3打开，液体流道2关闭，在冷凝管本体1的第二端，蒸汽流道3关闭，液体流道2打开。

[0043] 所述冷凝管本体1的外表面5至少有一平面，所述平面便于与冷源相接触。

[0044] 所述冷凝管本体1的横截面的特征长度小于所述冷凝管本体1的伸展长度。

[0045] 其中，所述冷凝管本体1的横截面的特征长度为横截面的宽度，所述冷凝管本体1的伸展长度为冷凝管本体1的长度。

[0046] 所述冷凝管本体1能够根据冷凝段的需要进行弯曲设置。

[0047] 所述冷凝管本体1由金属导热材料制成。

[0048] 更为具体地，请参阅图1-6。

[0049] 如图1所示，本发明是改用具有蒸汽流道3和液体流道2的型材管线取代了原有的圆形光管管线。

[0050] 如图2所示，对于现有的冷凝段管结构，蒸汽工质7冷凝时在管内可能存在两种状态。由于管线内径一般为毛细管光管。当冷凝量较大时，会出现图2(a)所示的情形，已经冷凝的蒸汽工质7在管内形成液塞，在该长度上堵塞了蒸汽工质7进一步冷凝的空间，导致冷凝段管线的实际有效工作长度减少。当冷凝量较小时，会出现图2(b)的情形，冷凝液膜随着蒸汽工质7的不断流动向下游伸展和变厚，直至厚度达到圆管的半径变成液塞，液膜虽然本身没有阻塞蒸汽工质7的流动，但是其厚度和液体的低导热率仍然对冷凝过程产生相当的热阻。

[0051] 图3是采用本发明后，冷凝段管线正常工作时的气液分布。当管线内产生冷凝液时，由于表面张力的作用，液体将首先集中在直径较小的液相流道。在轴向压力的作用下，液体可以通过管线内的液体流道2进行收集排走。冷凝过程中蒸汽与冷凝管管壁8之间的冷凝热阻不受液膜干扰影响。

[0052] 冷凝段管线在气液共存的饱和状态下，利用其自身的热管特性，可以实现冷凝段的均温化，从而提高冷凝段散热的效率。由于该管线型材中心的蒸汽通道直径仅2mm，对于液氨而言仍然属于毛细管。当冷凝段管线连接的风冷翅片或辐射器温度过低时，冷凝段管线内的冷凝液体将大幅增加，充满部分管线的液体和蒸汽通道，在冷凝段形成有效的导热阻塞，实现可变导热，如图4所示。

[0053] 因此该多流道管线并没有改变环路热管原有的特性。对与对环路热管的应用，除冷凝段外，多流道铝合金管线也可能对蒸发器的工作性能产生积极影响。当管线内液体较少时，多流道管线的内的蒸汽流道3可以与蒸发器的补偿腔内的蒸汽空间直接相连，确保补偿腔内处于两相状态，从而有利于环路热管的启动。而多流道管线内的液体流道2，也可以与蒸发器内的二级毛细芯相连，保证液体工质6的输送。

[0054] 由于本发明中管线的截面较小，因此管线借助金属材质的延展性，也可以像图2的毛细圆管一样根据需要进行弯折，如图5所示。由于本发明中管线的侧面带有平面，因此很容易与冷源平面，如空间辐射器面板等实现良好的导热。

[0055] 除了图1样式的管线截面设计，本发明也可以采用多流道热管的型材进行实施，如图6和图7所示。其中流道热管中心的蒸汽流道3水力直径要求小于工质的毛细直径。

[0056] 使用时，可以在冷凝段管线的进口处将8个液体流道2用焊接封闭，在出口处用细金属圆棒9将蒸汽流道3堵塞，使得冷凝液体从图7中的液体流道2流出。

[0057] 图6、图7(a)和图7(b)中的示例其截面大小约为4mm×5mm，与一般毛细圆管的截面积不同，易于弯曲伸展。

[0058] 综上，本发明的两相流体回路冷凝管结构，本发明中蒸汽流道与液体流道的设计使得气液在冷凝过程中能够有效分离，降低液膜和液塞带来的传导热阻；本发明中冷凝段的流动方向末端，液体流道与出口相连，蒸汽流道封闭，通过控制两相流体回路内的充液率可以避免蒸汽从出口排出；本发明中的管结构外形扁平，能与冷源面板充分接触，获得更大的接触面积，降低接触热阻；结构简单，设计合理，体积小巧、紧凑，工作可靠、稳定，适用范围广，通用性强，有良好的市场前景和应用前景。

[0059] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0060] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。