一种渗透压驱动的两相流体回路的制作方法

本发明涉及设备散热技术领域，特别涉及航天器及地面其他电子设备的高效传热，具体涉及一种渗透压驱动的两相流体回路。

背景技术：

两相流体回路依靠工质的潜热来实现热量传输，相比单相流体回路和传统热管，其具有传热量大、温差小、远距离热传输、优良控温特性等特点。由于具有众多其他传热设备无可比拟的优点，两相流体回路是近十几年来重点发展的航天器热控制技术。

按驱动方式区分，两相流体回路技术主要包括：机械泵驱动的两相流体回路和毛细泵驱动的两相流体回路，如表1所示。典型的毛细泵驱两相回路包括环路热管和毛细抽吸两相环。机械泵驱、毛细泵驱两相回路已经在航天器上得到了广泛的应用。

表1各种热控技术的优缺点

对于机械泵驱两相回路，其驱动泵内含有活动部件，叶轮磨损、气蚀等问题使得泵本身存在可靠性和寿命问题，所以实际应用中需要采用并联多台驱动泵(备份)的工程方案来延长系统寿命，但考虑到重量、体积、电源等资源，不可能通过无限多的并联驱动泵来实现长寿命的宇航应用，比如空间站等执行长期在轨任务的航天器(20年)。

对于毛细泵驱两相流体回路，例如典型的环路热管(依靠毛细力驱动)在工程应用中也存在一些问题：

(1)毛细驱动力不够大。对于大功率(1kw以上)、超长距离热传输(如大于30m)、逆重力工作或过载环境，毛细驱动力已不太够用，常规的环路热管使用1μm的毛细芯，对氨工质只能提供不超过100kpa以下的驱动力，即使使用0.3μm毛细芯，毛细力也不超过300kpa，而减小毛细芯孔径还会带来芯内液体流阻增大的相关问题。

(2)存在不稳定现象。毛细芯通过毛细力将冷凝器内液体抽吸回蒸发器，单纯靠毛细力，液体管路至液体干道的液体不够稳定，一旦发生蒸发或沸腾，容易导致回路运行不稳定(温度波动、倒流、温度迟滞等现象)甚至是影响供液导致失效。

(3)并联系统中各支路会相互影响。当多个蒸发器并联、每个支路工况不一样时，可能出现各支路流动干扰，出现供液不充分或启动问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种渗透压驱动的两相流体回路，驱动力大且无需任何能源供给，稳定性高，传热量、热传输距离等传热性能好。

本发明的基于渗透压驱动的两相流体回路，包括储液器、蒸发器、蒸汽管路、冷凝器和液体管路；其中，在储液器或液体管路中设置半透膜，将液体工质分为上下两部分，上部分的工质中添加有溶于工质的溶质，溶质的沸点大于蒸发器温度；所述半透膜用于通过工质、并不通过溶质。

较优的，所述蒸发器为含有毛细芯的蒸发器。

较优的，在液体管路上设有控制阀。

较优的，所述工质为水，溶质为无机盐、有机物或纳米颗粒。

较优的，所述半透膜为细胞膜、膀胱膜、羊皮纸或人工制的胶棉薄膜。

较优的，在液体管路上设置阻力调节装置，通过阻力调节装置改变流动阻力，从而调节两相流体回路的散热功率。

较优的，通过改变半透膜的面积，改变渗透压，从而调节两相流体回路的散热功率。

较优的，所述液体管路为多个液体管路并联，所述半透膜设置在每个液体管路上。

较优的，所述蒸发器为多个蒸发器并联，半透膜设置在公共液体管路上。

有益效果：

(1)本发明以渗透压为驱动力，实现了两相流体回路的运行，是一种全新的流体回路驱动方式，实现简单易行且驱动力大，并且为完全被动的驱动力，无需任何能源供给，不存在机械部件损耗问题；0.1mol/l的溶液就可轻易提供1270kpa的渗透压驱动力，远大于直径1μm的毛细孔能提供的96kpa毛细力驱动力，可显著提高环路热管驱动力，提升传输距离和传热能力。

(2)稳定性高。渗透压的存在，可以使储液器始终充满液体，环路热管始终处于固定热导工作状态，避免因为蒸发器向储液器漏热导致不稳定现象。

(3)可适应于并联多热源方案。对于毛细驱动回路，其采用抽吸液体的方式驱动，采用多蒸发器并联时，多个蒸发器上功率大小不同、冷凝器到各个蒸发器的沿程流阻不同，会导致流量分配不均相互干扰的问题。而本发明中，在液体管路施加渗透压，可以以充分的渗透压力将液体充分的驱动进入各个蒸发器，解决毛细驱动多蒸发器存在的流量分配不均和相互干扰问题。

附图说明

图1为本发明基于渗透压驱动的两相流体回路组成示意图(半透膜设置在储液器中)。

图2为本发明基于渗透压驱动的两相流体回路组成示意图(半透膜设置在液体管路中，蒸发器为带有毛细芯的蒸发器)。

图3为半透膜示意图。

图4为渗透和渗透压的测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于渗透压驱动的两相流体回路。

两相流体回路包括储液器、蒸发器、蒸汽管路、冷凝器和液体管路，储液器中的工质在驱动力作用下进入蒸发器变为气态，气态工质经蒸汽管路到达冷凝器，经冷凝器将工质热量传递至设备，回路中的气态工质变为液态，液态工质经液体管路返回储液器中；工质在驱动力作用下不断循环流动，实现热量传递。回路类似环路热管，形成蒸汽/液体工质循环流动的真空回路。本发明在储液器中设置半透膜，半透膜将储液器分为上下两部分；在储液器的上半部分，以储液器中的工质为溶剂，添加溶于工质的溶质，且溶质的沸点大于蒸发器工作温度，形成高浓度的溶液；储液器的下半部分仍为纯液体工质；半透膜只允许溶剂即液体工质通过，溶质不能通过，半透膜的两侧形成浓度差，从而在半透膜处产生渗透压。蒸发器位于储液器的上方，对储液器中的工质进行加热，由于蒸发器的高温，储液器上半部分溶液中的工质在蒸发器的作用下被蒸发为气态，进入蒸汽管路，而溶质的沸点高于蒸发器工作温度，不会被蒸发掉，储液器上半部分保持为高浓度溶液，因此储液器下半部分的工质在渗透压的作用下不断地被吸入上半部分进而形成循环的工质回路，实现两相流体回路工质的运转，如图1所示。另外，也可以将半透膜设置在液体管路中，储液器中液体为高浓度溶液，同样也能产生渗透压，回路在渗透压驱动下运行，如图2所示。

本发明利用渗透压可有效驱动两相流体回路运转。渗透现象与渗透压一般用于基础化学和医学应用领域。渗透(osmosis)：溶剂通过半透膜从低浓度溶液向高浓度溶液扩散的过程，如水分子经半透膜扩散的现象，它由高水分子区域(即低浓度溶液)渗入低水分子区域(即高浓度溶液)，直到半透膜内外浓度平衡(等渗)为止。水分子会经由扩散方式通过半透膜，这样的现象，称为渗透。渗透压(osmoticpressure)，对于两侧水溶液浓度不同的半透膜，为了阻止水从低浓度一侧渗透到高浓度一侧而在高浓度一侧施加的最小额外压强称为渗透压。渗透压的大小和溶液的体积摩尔浓度、溶液温度和溶质解离度相关。依照范特荷夫定律，稀溶液的渗透压与溶液的体积摩尔浓度及绝对温度成正比。半透膜(semipermeablemembrane)：是一种只给某种分子或离子扩散进出的薄膜，对不同粒子的通过具有选择性的薄膜。如细胞膜、膀胱膜、羊皮纸以及人工制的胶棉薄膜等。半透膜通过孔径控制是只允许离子和小分子自由通过，大分子不能自由通过，如图3所示。

渗透压的测量：使用渗透压计可以很容易地证明渗透，通过用选择性渗透膜封闭蓟管的开口端来构建(如图4)。如果管充满糖溶液并倒入一定体积的纯水中，则管中溶液的体积将随时间增加。溶液体积的增加将持续，直到管中产生的流体静压力足以平衡驱动水进入溶液的力。渗透压的计算公式如下：

p＝crt

其中，p为渗透压(pa)；c为溶液体积摩尔浓度(mol/l)；r为理想气体常数(8.341×10³pa.l/mol.k)；t为绝对温度(k)。

上述公式的定量计算限于不挥发的非电解质的稀溶液。例如：37℃人血液渗透压为775kpa，折合葡萄糖水溶液0.3mol/l。

对木质部的渗透压研究试验发现，木质部内溶液浓度达到110mmol/l时，其渗透压可达到约1270kpa。可见，渗透压的量值是相当可观的，完全可以用以作为驱动力。

本实施例中，两相流体回路中的工质采用水；以工质水作为溶剂，溶质根据蒸发器工作温度，选择沸点高且溶于水的物质，典型的溶液包括无机盐溶液(如溶质为na⁺、k⁺、nh4⁺、mg²⁺等氯化物)、有机溶液(如溶质为糖类、乙醇、乙二醚、有机盐等)、纳米流体溶液等。半透膜可以采用细胞膜、膀胱膜、羊皮纸或人工制的胶棉薄膜等。溶液的浓度可根据驱动力需求配置。测算可得，300k下、0.5mol/l的nacl溶液渗透压就可达2.5mpa。可见，渗透压可以大大提升环路热管的驱动力，从而提升其传热量、热传输距离等传热性能，渗透压产生的驱动力要远大于直径1μm的毛细孔能提供的毛细力驱动力。并且，渗透压为完全被动的驱动力，无需任何能源供给(如供电需求等)。当然，也可以采用其他的流体回路工质作为溶剂，选取溶于该溶剂的溶质配比为一定浓度的溶液，从而利用半透膜产生渗透压，作为回路的驱动力。

较佳的，蒸发器采用带有毛细芯的蒸发器，采用毛细芯可以提高蒸发器的温度均匀性、极限热流密度值，并提升回路驱动力。此外，所述蒸发器还可以采用多个蒸发器并联的形式，从而可以用一套回路解决多个热源的热收集、传输和排散问题。当采用多蒸发器并联时，回路共用冷凝器、公共蒸气管路和公共液体管路，半透膜设置在各蒸发器的储液器中，或者也可以直接设置在公共液体管路上(冷凝器出口后)。

此外，由于渗透压是不间断的始终存在，为实现对回路内工质循环的控制，可以在液体管路上串联上一个控制阀实现对循环的控制，当回路需要循环传热时，打开控制阀；当回路不需要循环传热时则关闭控制阀。

为了提高渗透压驱动流体回路的适用性，可以在液体管路同时加装阻力调节装置，通过调节回路中工质的流动阻力，调节通过半透膜的工质循环流量，从而实现不同传热功率匹配。或者也可以将液体管路设置为多个液体管路并联的形式，将半透膜设置在每个液体管路上，通过控制各液体管路上的开关控制阀，调节工质循环流量，从而实现传热功率匹配。或者采用多液体管路并联和各液体管路加装阻力调节装置共同调节工质循环流量。或者通过采用其他的调节工质循环流量和/或改变半透膜面积的方式，提高渗透压驱动流体回路的功率匹配适应性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。