[發明專利]一種以二氧化碳為工質的低溫重力熱管及其充裝方法

有效

• 申請號: 201910307312.X
• 申請日: 2019-04-17
• 公開（公告）號: CN110017714B
• 公開（公告）日: 2020-01-24
• 發明（設計）人: 王煥光;朱帥;于琦;饒中浩
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: F28D15/02
• 分類號: F28D15/02
• 代理公司: 32249 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)
• 代理人: 李悅聲

一種以二氧化碳為工質的低溫重力熱管及其充裝方法，屬于低溫重力熱管及其充裝方法。低溫重力熱管包括單向針閥、管體、絕熱保溫棉和快裝單向閥公頭；在管體的兩端分別連接有單向針閥和快裝單向閥公頭，在管體的外壁套有絕熱保溫棉；充裝方法包括：排空法和抽空法兩種充裝方案；為優化熱管的充裝，排空法操作簡單，安全性高，所得熱管性能良好；抽空法獲得的熱管性能極其優良，傳熱溫差極小。優點：重力熱管結構相對簡單，制作方便，成本低廉，易于推廣，操作簡單，安全性高，獲得的熱管性能良好；二氧化碳易于制備，成本較低，化學性質穩定，無易燃易爆性，無腐蝕性，環境友好，易于推廣；廣泛適用于低溫蓄冷、氣體分離、甲烷提純以及高原凍土地基加固等領域。

技術領域

本發明涉及一種低溫重力熱管及其充裝方法，特別是一種以二氧化碳為工質的低溫重力熱管及其充裝方法。

背景技術

近年來，低溫制冷技術飛速發展，比如在低溫醫療(最低約-120℃)、航天器熱控(-15℃～50℃)、空間輻射散熱(-50～600℃)以及紅外探測器低溫制冷(-271.5℃～-123.5℃)等領域都需要在低溫下進行換熱。根據工作溫度的不同，制冷技術可分為普冷技術(環境溫度至-153℃)和深冷技術(-153℃以下)，這些領域的強化換熱對于節能、環境保護以及設備工作效果都具有重要的意義。

熱管作為一種以工質相變進行工作的換熱元件，具有良好的等溫性和較高的傳熱效率，在航天控溫、電子元器件散熱等領域有較廣泛的應用，在高原凍土地基加固等低溫領域也得到成功應用，但整體而言，熱管在低溫領域尚未得到廣泛應用，其原因主要是受制于以下兩個因素的限制：首先，低溫熱管的充裝工藝不夠成熟，作為熱管制作過程中最重要的環節，充裝是將工質充入管體的過程，但目前普遍存在的問題是充裝設備較為復雜，或者是真空度和工質純度達不到要求而影響充裝效果，甚至還存在潛在的安全問題，比如高壓與毒性；其次，在普冷溫度范圍內的溫度下限仍不夠低，當前，普冷區的低溫熱管常用的工質為氨與氟里昂，但大部分氟里昂制冷劑的沸點為-30℃左右，氨的沸點為-33.5℃，當這兩種工質的熱管在其工作溫度低于此溫度后傳熱性能均急劇下降。

就工質而言，使用較多的氨與氟里昂存在安全性與經濟性不高的問題。首先，二者在充裝過程中均為高壓液態，其壓力高于大氣壓，因此充裝過程較為復雜，極易發生泄漏；其次，這兩種工質均非環境友好型工質，如氨氣存在腐蝕性，而且當濃度較高時，容易發生爆炸，而氟里昂容易破壞臭氧層；再次，兩種工質的工質成本與充裝成本均較高。

而相比之下，二氧化碳存在諸多優勢，作為一種環境友好型氣體，二氧化碳臨界點為31℃，且三相點較低，為-56.6℃，因此，二氧化碳熱管的理論工作溫度可低至-56.6℃。另外，二氧化碳具有較高的傳熱性能與流動性能，在-20℃條件下，液態二氧化碳粘度為139.3μPa·s，低于氨及氟利昂的粘度，(前者為309.0μPa·s，后者中的R12的粘度為214.4μPa·s)，熱導率為134.6mW/m·K，比氟里昂(熱導率為83.1mW/m·K)高一個量級。因此，以二氧化碳為工質的熱管可望具有較好的傳熱性能。

當前以二氧化碳為工質的熱管較多地在0℃以上使用，比如在數據中心散熱領域的應用中，其工作溫度為10-20℃，而在0℃以下的使用案例較少見到，因此其低溫傳熱優勢并未得到發揮。另外，當前的二氧化碳充裝方式均以液態形式直接進行充裝，由于液態二氧化碳壓力較高，容易發生泄漏，因此對于充裝設備的密封性要求較高，且高壓設備本身對安全性要求較高，同時，二氧化碳泄漏過程中產生的低溫，也會存在一定的安全隱患。

發明內容

技術問題：本發明的目的是要克服現有技術中的不足，提供一種結構簡單、操作方便、性能穩定的以二氧化碳為工質的低溫重力熱管及其充裝方法。