一种特斯拉阀冷凝器低温环路热管

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1.本发明涉及低温相变换热领域，具体涉及到一种基于特斯拉阀和环路热管原理的换热元件设计。


背景技术：

2.航天器部件在深空探测、对地观测和空间超导应用中需要热控系统，以保证其在低温(200k以下)下工作的能力。制冷机对探测器有电磁干扰和机械振动，需要放置在远离探测器的地方。低温环路热管是制冷机和探测器之间的高效远距离传热装置。低温环路热管可以有效隔离制冷机的机械振动和电磁干扰，并且具有传热效率高、传热距离长、布局灵活、无运动部件、可靠性高等优点。低温环路热管的工质在常温下为超临界或过热蒸汽状态，即蒸发器毛细芯内无液体工质，无法加热蒸发器启动热管。因此，需要解决蒸发器毛细芯无液相低温工质润湿、高热流密度和轻量化等难题。
3.传统的低温环路热管技术一般采用串联或并联次蒸发器方法，启动阶段通过加热次蒸发器推动液体进入主蒸发器。串联次蒸发器方法在正常运行阶段，附加的流动阻力较大，极大降低环路热管的传热性能。并联次蒸发器方程在正常运行阶段，虽然不会对主回路产生附加流动阻力，但是由于并联次蒸发器结构会导致工质充装量增加，导致气库容积增加，极大的增加系统的重量。而本发明提出的低温环路热管技术通过两个特斯拉阀和局部加热器解决推动启动阶段液体进入蒸发器的问题，正常运行阶段工质沿特斯拉阀正向流动，附加流动阻力非常小，且增加的特斯拉阀流道容积很小，基本不会对工质充装量造成影响，在不影响传热热流密度和系统重量的条件下，解决了蒸发器毛细芯无液相低温工质润湿的问题。因此，特斯拉阀冷凝器低温环路热管的设计与应用对未来热控技术中高热流密度、低温热源的散热问题的解决意义重大。


技术实现要素：

4.本发明的目的包括：
5.1为解决高热流密度、低温热源的散热问题，提供可用的传热元件。
6.2提高热控技术中传热元件的集成度，通过增加简单的特斯拉阀便能解决蒸发器毛细芯无液相低温工质润湿的问题
7.3解决以往低温环路热管设计存在降低传热性能和增加系统重量的问题，增强应用的传热能力，提高系统轻量化设计。
8.为解决上述问题，本发明的设计思路为：
9.本发明提供了一种特斯拉阀冷凝器低温环路热管，在储液器和蒸发器3无液体工质的状态下，冷源对冷凝段1-2进行降温，工质冷凝成液体；打开局部加热器1-3，工质蒸发成过热蒸汽并膨胀做功；由于入口特斯拉阀1-4的反向流动阻力很大，使气体只能向冷凝段1-2流动，并推动冷凝段1-2内的液体流动，通过出口特斯拉阀1-1流出冷凝器(1)。关闭局部加热器1-3，由于出口特斯拉阀1-1的反向流动阻力很大，工质只能通过入口特斯拉阀1-4补
充到冷凝段1-2冷凝成液体。通过间歇打开和关闭局部加热器1-3，逐渐将液体推出冷凝器1，流经液体管线2进入储液器和蒸发器3。这样，通过特斯拉阀冷凝器低温环路热管的设计，便能解决蒸发器毛细芯无液相低温工质润湿的问题。
10.本发明的具体结构设计如下：
11.本发明提供了一种特斯拉阀冷凝器低温环路热管，包括冷凝器1中的出口特斯拉阀1-1、冷凝段1-2、局部加热器1-3和入口特斯拉阀1-4，液体管线2、储液器和蒸发器3和气体管线4。
12.在该特斯拉阀冷凝器低温环路热管中，冷凝器1与储液器和蒸发器3通过液体管线2和气体管线4相连，液体管线2分别焊接于冷凝器1管线的出口以及储液器和蒸发器3入口端盖上，气体管线3分别焊接于冷凝器1管线的入口以及储液器和蒸发器3出口端盖上。该结构的优点是，焊接连接可以有效地保证装置的密封性。
13.在该特斯拉阀冷凝器低温环路热管中，冷凝器1包括出口特斯拉阀1-1、冷凝段1-2、局部加热器1-3和入口特斯拉阀1-4；出口特斯拉阀1-1和入口特斯拉阀1-4流道进出口分别焊接小段管线，其管壁分别与冷凝段1-2的管线进出口、液体管线2和气体管线4焊接连接；出口特斯拉阀1-1和入口特斯拉阀1-4具有单向阀作用，使气体通过入口特斯拉阀1-4进入冷凝段1-2，冷凝成液体，局部加热器1-3产生的气体由于入口特斯拉阀1-4的止回作用，推动冷凝段1-2的液体通过出口特斯拉阀1-1流出冷凝器。该结构的优点是，正常运行阶段工质沿特斯拉阀正向流动，附加流动阻力非常小，且增加的特斯拉阀流道容积很小，基本不会对工质充装量造成影响，在不影响传热热流密度和系统重量的条件下，解决了蒸发器毛细芯无液相低温工质润湿的问题。
14.在该特斯拉阀冷凝器低温环路热管中，储液器和蒸发器3外壳可加工成任意的几何形状，内部结构为密封的圆柱形腔体，蒸发器腔体内部为多孔毛细芯结构，液体管线穿过储液器延伸至毛细芯内部，储液器和蒸发器3水平布置。
15.该结构的优点是，储液器和蒸发器3外壳可加工成任意的几何形状使得该装置与探测器的耦合更加方便，液体管线穿过储液器延伸至毛细芯内部，可保证毛细芯在启动过程中优先浸润。
附图说明：
16.图1为本发明特斯拉阀冷凝器低温环路热管的外观示意图；
17.图2为本发明特斯拉阀冷凝器低温环路热管冷凝器的示意图；
18.图中标号：
19.1.冷凝器；2.液体管线；3.储液器和蒸发器；4.气体管线；1-1.出口特斯拉阀；1-2.冷凝段；1-3.局部加热器；1-4入口特斯拉阀。
具体实施方式：
20.结合附图，以下对本发明的具体实施方式进行详细描述。
21.本发明所述的特斯拉阀冷凝器低温环路热管结构如附图1所示，包括冷凝器1、液体管线2、储液器和蒸发器3和气体管线4。其中冷凝器1进行了特殊的结构设计，由出口特斯拉阀1-1、冷凝段1-2、局部加热器1-3和入口特斯拉阀1-4构成。出口特斯拉阀1-1和入口特
斯拉阀1-4流道进出口分别焊接小段管线，其管壁分别与冷凝段1-2的管线进出口、液体管线2和气体管线4焊接连接；液体管线2和气体管线4另一端分别焊接于储液器和蒸发器3入口和出口端盖上。
22.本发明所述的特斯拉阀冷凝器低温环路热管的具体工作过程为：在储液器和蒸发器3无液体工质的状态下，冷源对冷凝段1-2进行降温，工质冷凝成液体；打开局部加热器1-3，工质蒸发成过热蒸汽并膨胀做功；由于入口特斯拉阀1-4的反向流动阻力很大，使气体只能向冷凝段1-2流动，并推动冷凝段1-2内的液体流动，通过出口特斯拉阀1-1流出冷凝器1。关闭局部加热器1-3，由于出口特斯拉阀1-1的反向流动阻力很大，工质只能通过入口特斯拉阀1-4补充到冷凝段1-2冷凝成液体。通过间歇打开和关闭局部加热器1-3，逐渐将液体推出冷凝器1，流经液体管线2进入储液器和蒸发器3。这样，通过特斯拉阀冷凝器低温环路热管的设计，便能解决蒸发器毛细芯无液相低温工质润湿的问题。
23.本发明所述的特斯拉阀冷凝器低温环路热管中的“特斯拉阀”不仅指发明中介绍的一个进口特斯拉阀和一个出口特斯拉阀，不同特斯拉阀个数、不同特斯拉阀流道个数和不同特斯拉阀安装位置的低温环路热管都要落入本发明的保护范围。


技术特征：
1.一种特斯拉阀冷凝器低温环路热管，包括冷凝器(1)、液体管线(2)、储液器和蒸发器(3)和气体管线(4)，其特征在于：所述的冷凝器(1)与储液器和蒸发器(3)通过液体管线(2)和气体管线(4)相连，液体管线(2)分别焊接于冷凝器(1)管线的出口以及储液器和蒸发器(3)入口端盖上，气体管线(4)分别焊接于冷凝器(1)管线的入口以及储液器和蒸发器(3)出口端盖上。2.根据权利要求1所述的一种特斯拉阀冷凝器低温环路热管，其特征在于：所述的冷凝器(1)包括出口特斯拉阀(1-1)、冷凝段(1-2)、局部加热器(1-3)和入口特斯拉阀(1-4)；出口特斯拉阀(1-1)和入口特斯拉阀(1-4)流道进出口分别焊接小段管线，其管壁分别与冷凝段(1-2)的管线进出口、液体管线(2)和气体管线(4)焊接连接；出口特斯拉阀(1-1)和入口特斯拉阀(1-4)具有单向阀作用，使气体通过入口特斯拉阀(1-4)进入冷凝段(1-2)，冷凝成液体，局部加热器(1-3)产生的气体由于入口特斯拉阀(1-4)的止回作用，推动冷凝段(1-2)的液体通过出口特斯拉阀(1-1)流出冷凝器。3.根据权利要求1所述的一种特斯拉阀冷凝器低温环路热管，其特征在于：所述的储液器和蒸发器(3)的内部结构为密封的圆柱形腔体，蒸发器腔体内部为多孔毛细芯结构，液体管线穿过储液器延伸至毛细芯内部，储液器和蒸发器(3)水平布置。

技术总结
本发明公开了一种特斯拉阀冷凝器低温环路热管。其结构包括储液器、蒸发器、气液管线和特斯拉阀冷凝器。储液器用于储存蒸发器多余的液体工质。蒸发器内芯为多层丝网或多孔介质，蒸发器外壳可加工成多种外形结构，利于与探测器等接口耦合。冷凝器由特斯拉阀、冷凝段和局部加热器构成，该冷凝器的加热器间歇加热设计实现了冷凝段液体工质的驱动，特斯拉阀设计实现了冷凝段内液体工质的单向循环，液体工质沿液体管线进入蒸发器。本发明的优点在于冷凝器特斯拉阀和局部加热器设计，解决了低温环路热管蒸发器内无液体工质的问题，提高低温环路热管启动的稳定性。管启动的稳定性。管启动的稳定性。


技术研发人员：吴亦农 赵晨阳 蒋珍华 李南茜 陈志超 邵博 刘乐 周雪
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2022.03.16
技术公布日：2022/8/4