具有两相流体的热传输装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有两相流体的热传输装置，特别是具有两相流体回路和毛细栗送或利用重力的无源装置。
【背景技术】
[0002]文献FR-A-2949642给出了启示的示例，该装置作为冷却电工能源转换器的装置。
[0003]在确定操作条件的前提下，这些装置是完全符合要求的。然而，显然的是，从“冷却”状态(最小环境温度和零热通量)开始的阶段能够是特别微妙的重大热功率并能够要求先决条件步骤，例如水槽的预热。没有该条件时，回路中的压力能被证明是不足以提供足够热传递的。
[0004]因此需要提高关于该两相回路的启动的有效性。
【发明内容】
[0005]为了这一目的，本发明的主题是热传输装置，无需主动调节，适于从热源提取热量，并通过容纳在普通封闭回路中的两相工作流体将该热量返还至冷源，包括具有进口和出口的蒸发器、与蒸发器分开并远离蒸发器的冷凝器、具有内部体积、流体部分和气体部分的水槽、以及安置在流体部分附近的至少一个进口 /出口孔，其中，流体部分的体积能够在最小体积Vmin和最大体积Vmax之间变化；
[0006]-第一连接回路，针对基本上呈汽相的工作流体，将蒸发器的出口连接至冷凝器的进口 ；
[0007]-第二连接回路，针对基本上呈液相的工作流体，将冷凝器的出口连接至水槽以及蒸发器的进口；
[0008]其特征在于，来自水槽的气体部分包括具有第一分压Pl的汽相的工作流体(压力视水槽温度而定)和具有第二分压P2的不凝性辅助气体，其中，当整个封闭回路中的流体部分在最小总体积时，该分压通过调节从而能够获得大于或等于所需的预设最小操作压力的总压。
[0009]由于这些设置，特别由于第二分压P2，因为水槽的气体部分中的不凝性辅助气体的压力，水槽中的最小压力得到保证，甚至当流体部分在其最小值时，或者装置完全冷却时，无需充分长时间地添加热量至蒸发器。关于水槽中不凝性辅助气体的压力的最小压力有助于在第二连接回路(气体导管)中获得高饱和温度，这使得获得工作流体的汽相最小密度成为可能，并且假设回路的传输性能与汽相密度成比例，一旦回路冷却启动，就能立即获得改良的热传输能力。
[0010]此外，由于这些设置，实现了被动调节，而无需主动控制系统，这增加了该类型装置的可靠性。无需主动栗送和主动控制的该系统无需任何维护并具有高可靠性；并且其能量损耗很小甚至为零。
[0011]优选地作为不凝性辅助气体，所选择的气体能在装置所经受到的整个温度/压力范围内保持在气态；此外，在流体中具有低扩散系数的气体被选择作为辅助气体。
[0012]在本发明的不同实施例中，还能具有以下一个和/或多个设置:
[0013]-不凝性辅助气体能够是氦气；氦气的理化性质完美地适合并且该气体具有良好的工业实用性；
[0014]-工作流体能够是甲醇；该流体能够在符合要求的温度范围内工作，并且具有符合要求的毛细性能；
[0015]-当流体部分在其最小体积时，第二分压P2能够大于第一分压Pl至少数倍；因此最小压力足够大从而允许在有效热负荷下即刻启动而无需准备；
[0016]-水槽的体积能够在流体部分的最大体积的1.3至2.5倍之间；因此，当流体部分的体积为最大时，水槽和回路中的压力和温度保持限定并保持与蒸发器附近的卡路里(calories)的有效收集保持匹配；
[0017]-装置能够主要地受制于地球重力，其中进口/出口孔被安置在水槽的至少一个低点附近；通过这种方式，避免了辅助气体在蒸发器方向的送气；
[0018]-装置能够主要受制于微重力，由于水槽包括多孔物质，多孔物质陈列在至少进口孔的区域中，通过这种方式，流体障碍形成于多孔物质中，并且避免了辅助气体在蒸发器方向的送气；
[0019]-蒸发器能包括多微孔物质，多微孔物质适于保证液相流体的毛细栗送；因此得到了被动的无需维修的系统；
[0020]-在装置主要受制于重力的情况下，不具有毛细结构的蒸发器能够被放置在冷凝器和水槽的下方，因此，重力用于将流体向蒸发器移动，这表现为非常简单并且非常强健并且可靠的方案；
[0021]-止回阀能够被安置在蒸发器的进口；因此可以阻碍流体在正常循环方向的反方向回流，并且还阻碍了蒸发器在重负荷下启动的干涸；
[0022]-有利地，根据本发明，系统不具有主动调节，这提供了特别可靠的方案。
【附图说明】
[0023]本发明的其他方面、目的和优点将通过作为非限定性示例给出的两个实施例的以下描述而更加明显，参考附图，其中:
[0024]-图1示出了根据本发明的一个实施例的装置的总图；
[0025]-图2示出了流体的普通相变转换图；
[0026]-图3A和3B示出了分别具有最小和最大流体部分的水槽；
[0027]-图4示出了装置的第二实施例；
[0028]-图5A和5B示出了根据环境温度的饱和压力和温度的图表。
[0029]在不同的附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元件。
【具体实施方式】
[0030]图1示出了具有两相流体回路的热传输装置。在第一实施例中，栗送利用毛细现象提供。装置包括蒸发器I，蒸发器I具有进口 Ia和出口 lb，以及多微孔物质10，多微孔物质10适于提供毛细栗送。为了这一目的，多微孔物质10围绕有限的中央纵向空心部15，中央纵向空心部15连接进口 Ia以便于接收流体液态的工作流体。
[0031]蒸发器I热耦合到热源11，例如包括电子功率元件或任何其它发热元件的组件，例如通过电阻加热或任何其它方式。
[0032]在将卡路里(calories)添加到充满流体的微孔物质的接触部16的效果下，流体从液态变为气态并通过传输腔17和第一连接回路4离开，第一连接回路4规定所述蒸汽的路径为向着具有进口 2a和出口 2b的冷凝器，其中，冷凝器2是明显的并且不靠近蒸发器I。
[0033]在蒸发器I中，被蒸发的气体清空的腔体充满液体，液体通过多微孔物质10从上述中央空心部中吸收而来；其涉及众所周知的毛细栗送现象。从热源收集的热量Q相当于流量乘以工作流体的蒸发潜热L (Q = L.dM/dt)。
[0034]在冷凝器2内部，热量通过汽相流体放出至冷源，这导致汽相流体的冷却以及因此相变转换为液相，换言之，由此进行冷凝。
[0035]在冷凝器2附近，工作流体的温度降低至液气平衡温度以下，这也被称为局部冷却，以便在没有随后添加的热量的前提下，流体不能返回至气态。
[0036]蒸汽压在冷凝器2的出口 2b的方向上推动流体，冷凝器通向第二连接回路5，连接至蒸发器I的进口 la。两相流体的循环回路因此能够从热源11提取热量并且将该热量释放至冷源12。
[0037]热量以汽相在第一连接回路中传输，能够被写为Q = P VS，其中P代表汽相的密度，V代表汽相的传输速度，以及S代表连接回路的横截面。
[0038]第二连接回路5还被连接至水槽3。该水槽作为工作流体的膨胀箱，并容纳液相和汽相的工作流体。沿着第一和第二连接回路4，5和蒸发器I以及冷凝器2，所述水槽形成普通的封闭回路，也被称为密封箱。
[0039]水槽3具有至少一个进口 /出口孔31，以及一些内部体积30，内部体积通常在针对指定应用的设计过程中进行设定。该体积能够通过手动或自动调整机械装置进行调节。水槽还包括加注入口 36，其用于初次灌注回路，其中，该加注入口其余时间内是封闭的。需要注意的是，水槽3能具有任意形状，特别是平行六面体、圆柱体或其它形状。
[0040]热传输装置被设计成便于能够在一定环境温度范围内运行，在所示示例中，该温度范围能够为:[-500C，+500C ]。此外，符合要求的是，无论热通量如何移动，热源11不超过特定预设最高温度。该预设最高温度能够例如为100°C。当然，这些温度能取决于目标应用的类型:微重力中的空间应用，运输工具上或固定位置时的地面应用。
[0041]回路的工作流体被选择，以便在两相回路的流体的温度和压力范围内一直是潜在的两相，基于上述温度范围(见图2中的附图标记14)。
[0042]因此，工作流体能够从特别包括氨、丙酮、甲醇、水、HFE 7200类型的电介质或任何其它适当的流体的列表中选择。在下文详细的描述中，甲醇将被优先选择。
[0043]流体部分6本质上包括液相的工作流体(此处为甲醇)以及气体部分7，气体部分包括汽相的流体，但是，在下文的描述中可见，不凝性辅助气体8位于水槽3中。不凝性辅助气体8(需要注意，NCG，不凝性气体)受限制地保留在水槽的气体部分中，不直接参与热交换；由此产生的效果生成该气体部分中的最低压力。不凝性辅助气体8的分压被写为P2。超过应用的温度和压力范围，该不凝性辅助气体保持在气态，见图2的右边。
[0044]此处需要注意到是，根据已知的现有技术，在工作回路中存在不凝性气体是不理想的，因为如果不凝性气体的气泡进入毛细蒸发器的区域，这降低了蒸发的热力性能，并甚至会导致毛细蒸发器启动的失效，这在某些关键应用中会是灾难。
[0045]在重力环境中，气体部分7位于流体部分6和液汽界面19之上，其通常是水平的，将两相分开(水槽中流体的自由表面)。
[0046]在微重力环境(失重)中，流体部分被容纳在多孔材料中，并且气体部分占据水槽的体积的剩余部分；在该情况下，也有液汽界面19，单不是平面的。
[0047]该分离表面19的温度与气体部分的工作流体的分压Pl是一一对应的；该压力相当于在分离表面19的流体优势温度Tsat的饱和压力Psat，见图2的左边。
[0048]事实上，流体部分、气体部分和水槽外壳的温度相对均匀；水槽内部有很小或没有温度梯度。