[发明专利]一种以二氧化碳为工质的低温重力热管及其充装方法

说明书

一种以二氧化碳为工质的低温重力热管及其充装方法，属于低温重力热管及其充装方法。低温重力热管包括单向针阀、管体、绝热保温棉和快装单向阀公头；在管体的两端分别连接有单向针阀和快装单向阀公头，在管体的外壁套有绝热保温棉；充装方法包括：排空法和抽空法两种充装方案；为优化热管的充装，排空法操作简单，安全性高，所得热管性能良好；抽空法获得的热管性能极其优良，传热温差极小。优点：重力热管结构相对简单，制作方便，成本低廉，易于推广，操作简单，安全性高，获得的热管性能良好；二氧化碳易于制备，成本较低，化学性质稳定，无易燃易爆性，无腐蚀性，环境友好，易于推广；广泛适用于低温蓄冷、气体分离、甲烷提纯以及高原冻土地基加固等领域。

技术领域

本发明涉及一种低温重力热管及其充装方法，特别是一种以二氧化碳为工质的低温重力热管及其充装方法。

背景技术

近年来，低温制冷技术飞速发展，比如在低温医疗(最低约-120℃)、航天器热控(-15℃～50℃)、空间辐射散热(-50～600℃)以及红外探测器低温制冷(-271.5℃～-123.5℃)等领域都需要在低温下进行换热。根据工作温度的不同，制冷技术可分为普冷技术(环境温度至-153℃)和深冷技术(-153℃以下)，这些领域的强化换热对于节能、环境保护以及设备工作效果都具有重要的意义。

热管作为一种以工质相变进行工作的换热元件，具有良好的等温性和较高的传热效率，在航天控温、电子元器件散热等领域有较广泛的应用，在高原冻土地基加固等低温领域也得到成功应用，但整体而言，热管在低温领域尚未得到广泛应用，其原因主要是受制于以下两个因素的限制：首先，低温热管的充装工艺不够成熟，作为热管制作过程中最重要的环节，充装是将工质充入管体的过程，但目前普遍存在的问题是充装设备较为复杂，或者是真空度和工质纯度达不到要求而影响充装效果，甚至还存在潜在的安全问题，比如高压与毒性；其次，在普冷温度范围内的温度下限仍不够低，当前，普冷区的低温热管常用的工质为氨与氟里昂，但大部分氟里昂制冷剂的沸点为-30℃左右，氨的沸点为-33.5℃，当这两种工质的热管在其工作温度低于此温度后传热性能均急剧下降。

就工质而言，使用较多的氨与氟里昂存在安全性与经济性不高的问题。首先，二者在充装过程中均为高压液态，其压力高于大气压，因此充装过程较为复杂，极易发生泄漏；其次，这两种工质均非环境友好型工质，如氨气存在腐蚀性，而且当浓度较高时，容易发生爆炸，而氟里昂容易破坏臭氧层；再次，两种工质的工质成本与充装成本均较高。

而相比之下，二氧化碳存在诸多优势，作为一种环境友好型气体，二氧化碳临界点为31℃，且三相点较低，为-56.6℃，因此，二氧化碳热管的理论工作温度可低至-56.6℃。另外，二氧化碳具有较高的传热性能与流动性能，在-20℃条件下，液态二氧化碳粘度为139.3μPa·s，低于氨及氟利昂的粘度，(前者为309.0μPa·s，后者中的R12的粘度为214.4μPa·s)，热导率为134.6mW/m·K，比氟里昂(热导率为83.1mW/m·K)高一个量级。因此，以二氧化碳为工质的热管可望具有较好的传热性能。

当前以二氧化碳为工质的热管较多地在0℃以上使用，比如在数据中心散热领域的应用中，其工作温度为10-20℃，而在0℃以下的使用案例较少见到，因此其低温传热优势并未得到发挥。另外，当前的二氧化碳充装方式均以液态形式直接进行充装，由于液态二氧化碳压力较高，容易发生泄漏，因此对于充装设备的密封性要求较高，且高压设备本身对安全性要求较高，同时，二氧化碳泄漏过程中产生的低温，也会存在一定的安全隐患。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足，提供一种结构简单、操作方便、性能稳定的以二氧化碳为工质的低温重力热管及其充装方法。