一种提高低温环路热管主蒸发器降温速率的新方法及实验结果

　　1 引 言

　　环路热管发展的一个重要趋势是低温化[1]。在低温环境中，与传统的传热器件比如紫铜冷链相比，低温环路热管( cryogenic loop heat pipe，CLHP) 因其具有传输距离远、传输冷量大、温差小等优势，将被用于红外探测器焦平面与空间机械制冷机之间的冷量传递。但是低温环路热管的工质在常温状态下一般处于超临界状态( 如 N2，H2，O2等) 或者接近临界状态( 如 C2H6、C3H6) 。当低温环路热管从常温状态下开始降温时，冷凝器与冷源相连，其温度会随着冷源温度的降低而降低，液态工质最先在冷凝器中出现。在不添加任何驱动部件的前提下，低温环路热管冷凝器内部的液态工质不会自动流向蒸发器，而蒸发器与冷凝器之间的液体管线、气体管线的管壳热阻很大，因此低温环路热管蒸发器的降温速率会非常缓慢，远小于冷凝器降温速率，甚至主蒸发器温度不会降低并最终导致低温环路热管启动失败。因此，需要使用一些驱动措施来提高低温环路热管主蒸发器降温速率，解决低温环路热管从常温环境开始降温时面临的启动问题。

　　2 两类常用的驱动方式

　　为了解决低温环路热管启动面临的问题，加快低温环路热管蒸发器在启动前的降温过程，文献[2]中总结了 3 种解决思路: Dual-Loop CLHP( 在低温环路热管的冷凝器和蒸发器之间再并联一个常温环路热管，见图 1) ; Condenser mounted CLHP( 将一个次蒸发器紧贴冷凝器，并且串联到低温环路热管的工质流动通道中，见图2) ; Advanced CLHP( 将一个次蒸发器环路并联到工质主环路的流动通道中，见图 3) 。但是在实验研究中，研究者并没有完全依照上述的 3 种思路来设计低温环路热管，其中 Dual-loop CLHP 已经被研究者放弃，另外两种思路被研究者进行修改。针对不同的低温环路热管实物，按照低温环路热管中次蒸发器的布置方式来进行分类，主要为两种方式: ( 1)次蒸发器放置在两个冷凝器之间，与冷凝器串联;( 2) 次蒸发器与冷凝器并联。

　　2. 1 串联次蒸发器与冷凝器的驱动方式

　　这种驱动方式的原型是Condenser-mountedCLHP，但是依据此方式设计成功的低温环路热管都被取消了与次蒸发器相连的液体补偿器。其设计方式和驱动原理为: 次蒸发器被串联进入冷凝器，冷凝器被分为两部分; 次蒸发器内部使用毛细结构; 次蒸发器的位置紧邻冷凝器的一部分( 可以参考图 4、图 5) 。当冷凝器随着冷源温度降低并出现液体时，由于次蒸发器紧邻冷凝器，在毛细力的作用下，次蒸发器内部将很快充满液态工质，加热次蒸发器使其内部液态工质汽化，升高压力，驱使次蒸发器前部的冷凝器内部工质流向主蒸发器，利用液态工质的潜热带动主蒸发器降温，加速主蒸发器的降温过程。