一種工作于160K至220K溫區的雙回路深冷環路熱管的制作方法

發明涉及一種環路熱管，具體涉及一種雙回路深冷環路熱管，屬于低溫區電子設備散熱技術領域。

背景技術：

環路熱管是一種高效兩相傳熱設備，其具有高傳熱性能、遠距離傳輸熱量、優良的控溫特性和管路的可任意彎曲、安裝方便等特點，由于具有眾多其它傳熱設備無可比擬的優點，環路熱管在航空、航天以及地面電子設備散熱等眾多領域中具有十分廣闊應用前景。

如圖1所示，環路熱管主要包括：蒸發器1、冷凝器2、儲液器3、蒸氣管路4和液體管路5，其整個循環過程為：液體在蒸發器1中的毛細芯6外表面蒸發，吸收蒸發器1外的熱量，產生的蒸氣從蒸氣管路4流向冷凝器2，在冷凝器2中釋放熱量給熱沉冷凝成液體，最后經過液體管路5流入儲液器3，儲液器3內的液體工質維持對蒸發器1內毛細芯的供給。

儲液器對于環路熱管具有兩點重要作用：其一，保證啟動時能對主毛細芯進行有效供液；其二，適應運行中蒸發器上熱載荷變化引起的系統氣液分布變化。采用如圖1所示結構，通過工質充裝量和儲液器的匹配設計，可以確保環路熱管在一定工作溫區內正常啟動和可靠運行。

但是，當一些設備要求工作在160k至220k的低溫區時，需要使用相應低溫工質的深冷環路熱管，相比常溫區環路熱管，深冷環路熱管不僅應具備在該溫區(160k至220k溫區)正常啟動和運行的能力，還應具備覆蓋從300k常溫到160k低溫整個溫區的啟動和運行能力，從而實現從常溫存儲到低溫運行的跨溫區啟動和運行過程。

圖1所示的常規結構的環路熱管使用一種工質難以實現從常溫存儲到低溫運行的跨溫區啟動和運行功能，主要存在如下問題：

(1)160k至220k溫區，乙烷工質具有良好的性能。但如果環路熱管選用乙烷工質，存在兩個問題：

●在常溫區啟動過程中，例如環路熱管初始溫度為25℃，施加熱功率后，蒸發器溫度將很容易超過32℃(即乙烷的臨界溫度，高于臨界溫度，工質只能以氣體的狀態存在，無法液化)，一旦蒸發器溫度超過32℃，則蒸發器內液體氣化，不存在液體，環路熱管將無法正常啟動和運行。

●對于常規的環路熱管，因為液體工質密度變化太大，儲液器體積和工質充裝量難以適應從常溫300k至160k這么大工作溫差范圍(溫差達140k)。比如，當儲液器和工質充裝量適應160k低溫時，300k常溫下，液體工質體積膨脹，儲液器將無法容納膨脹后的液體工質。而當儲液器和工質充裝量適應300k常溫時，160k低溫下，液體工質體積收縮，儲液器內液體將不足以對蒸發器進行有效供液，環路熱管將無法正常運行。

(2)220k至320k，丙烯工質均有良好的性能。如果環路熱管選用丙烯工質，雖然可在常溫區正常啟動，但是在220k以下溫區，環路熱管的傳熱能力太差，無法滿足160k至220k溫區對環路熱管傳熱性能的要求。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明提供一種適應160k至220k工作溫區的雙回路深冷環路熱管，可實現從常溫區至160k低溫區的跨溫區啟動和運行功能，解決了常規環路熱管常溫區啟動失效、儲液器和工質充裝量難以適應跨大溫區的技術難題。

所述的適應160k至220k工作溫區的雙回路深冷環路熱管包括：兩套由蒸發器、冷凝器、儲液器、蒸氣管線和液體管線組成的環路熱管；其中一套環路熱管使用乙烷作為工質，即乙烷工質環路熱管；另一套環路熱管使用丙烯作為工質，即丙烯環路熱管；兩套所述環路熱管的蒸發器通過集熱座熱耦合在一起并與熱源貼合吸收熱量，兩套所述環路熱管的冷凝器熱耦合在一起并與熱沉貼合釋放熱量。

在所述乙烷工質環路熱管中設置有外置儲液器，所述外置儲液器通過連接管路與乙烷工質環路熱管中的儲液器相連。

所述丙烯環路熱管的儲液器和工質充裝量按照220k至300k溫區設計；所述乙烷工質環路熱管的儲液器和工質充裝量按照160k至200k溫區設計；常溫時，所述丙烯環路熱管啟動并運行實現熱傳輸，將熱源連同乙烷環路熱管的溫度一起從常溫逐步拉低至220k；在160k至200k溫區內，所述乙烷工質環路熱管實現熱傳輸。

有益效果：

(1)乙烷、丙烯工質的雙回路環路熱管實現了從300k常溫存儲到160k低溫運行的跨溫區啟動和運行功能。熱耦合在一起的丙烯環路熱管實現了從300k常溫區到220k溫區的降溫，而乙烷環路熱管實現了160k至220k工作溫區的高效熱傳輸功能。

(2)外置儲液器解決了乙烷環路熱管的儲液器和工質充裝量難以同時適應常溫區和160k低溫區的問題。

(3)熱耦合在一起的丙烯環路熱管解決了常溫區啟動時可能出現的因為溫度超過臨界點而導致的啟動失敗問題。

附圖說明

圖1為環路熱管的結構示意圖；

圖2為本發明雙回路深冷環路熱管示意圖；

圖3為蒸發器與熱源熱耦合方式示意圖；

圖4為冷凝器與熱沉熱耦合方式示意圖；

其中：1-蒸發器、2-冷凝器、3-儲液器、4-蒸氣管路、5-液體管路、6-毛細芯、7-集熱座、8-外置儲液器、9-連接管路、10-熱源、11-熱沉

具體實施方式

下面結合附圖并舉實施例，對本發明進行詳細描述。

本實施例提供一種適應160k至220k工作溫區的雙回路深冷環路熱管，能夠實現從常溫區至160k低溫區的跨溫區啟動和運行功能。

該雙回路深冷環路熱管采用蒸發器和冷凝器熱耦合在一起的兩套環路熱管解決了160k至220k溫區的熱傳輸問題，具體結構如圖2所示，包括：一套使用乙烷工質的環路熱管(即乙烷工質環路熱管)和一套使用丙烯工質的環路熱管(即丙烯工質環路熱管)。兩套環路熱管的蒸發器通過集熱座7熱耦合(即能夠互相傳熱)在一起并與熱源貼合吸收熱量，兩套環路熱管的冷凝器熱耦合在一起并與熱沉貼合釋放熱量。

其中丙烯工質環路熱管用以實現從常溫至220k溫區降溫過程的熱傳輸。按照220k至300k溫區設計丙烯環路熱管的儲液器和工質充裝量，丙烯工質在該溫區具有良好性能。當熱沉溫度降低，丙烯環路熱管啟動并運行，(原因為：當熱沉溫度降低，冷凝器溫度降低，蒸發器和冷凝器存在溫差，蒸發器上施加熱載荷后，丙烯環路熱管具備啟動條件，因此可以啟動并運行)。丙烯環路熱管中的蒸發器吸收熱源的熱量，產生蒸氣從蒸氣管路流向丙烯環路熱管中的冷凝器，在冷凝器中釋放熱量給熱沉并冷凝成液體；由于兩套環路熱管的蒸發器熱耦合在一起，在該過程中丙烯環路熱管將熱源連同乙烷環路熱管的溫度一起從常溫逐步拉低至220k。隨著溫度降低，丙烯環路熱管的性能逐漸衰退，當溫度低于220k，其性能衰退將難以滿足繼續降低溫度的需求；但乙烷工質環路熱管在160k至220k溫區具有良好的性能，當溫度低于220k時，可以通過乙烷工質環路熱管實現熱傳輸。

乙烷工質環路熱管具有一個額外的外置儲液器8，如圖2所示，外置儲液器8通過連接管路9與乙烷工質環路熱管的儲液器相連。乙烷工質環路熱管的儲液器和工質充裝量按照160k至200k溫區設計，當乙烷工質環路熱管處于常溫至220k溫區時，由于工質液體體積膨脹，多出的液體存儲在外置儲液器8內，回路不會被脹裂。當乙烷工質環路熱管處于220k以下低溫后，由于連接管路9的熱阻較大(連接管路9管路為不銹鋼材料，導熱系數小，管路又長，即傳熱路徑長，因此熱阻大)，外置儲液器8仍處于常溫，外置儲液器8內為過熱的蒸氣工質，液體會被充入到環路熱管內，環路熱管可以正常工作。

兩套環路熱管的蒸發器與熱源通過導熱的方式實現三者之間相互的有效熱耦合。典型形式如圖3所示，如果熱源自身具有良好的導熱性能，兩套環路熱管蒸發器的集熱座即使不相互接觸，也可通過與熱源的貼合實現間接的熱耦合。

兩套環路熱管的冷凝器與熱沉通過導熱的方式實現三者之間相互的有效熱耦合。典型形式如圖4所示，如果熱沉自身具有良好的導熱性能，兩套環路熱管冷凝器即使不相互接觸，也可通過與熱沉的貼合實現間接的熱耦合。

實際使用時，首先選擇兩套環路熱管，根據使用要求，確定管路長度、儲液器和工質充裝量，其中一套設置外置儲液器，兩套環路熱管中兩個蒸發器與兩個冷凝器機械接口能夠相互貼合(即兩個蒸發器可以相互貼合，兩個冷凝器可以相互貼合)。然后將帶有外置儲液器的環路熱管內充入乙烷工質，另一套環路熱管內充入丙烯工質。最后將兩套環路熱管的蒸發器相互貼合，通過集熱座固定于熱源上，將兩塊冷凝器固定在冷源上，并在以上接觸界面上涂覆低溫導熱填料。使用鍍鋁膜多層將系統整體包覆以減少環境漏熱影響。

綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。