申请/专利权人：中国科学院理化技术研究所

申请日：2018-05-31

公开（公告）日：2024-04-19

公开（公告）号：CN108645886B

主分类号：G01N25/14

分类号：G01N25/14;G01N11/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.19#授权;2018.11.06#实质审查的生效;2018.10.12#公开

摘要：本发明涉及低温流体流动实验领域，公开了一种低温流体凝结与流动可视化的实验装置，所述实验装置包括：所述实验装置包括：回路热管，包括闭环连接为回路的冷凝器和蒸发器；制冷机，与所述冷凝器接触；以及绝热系统，将至少部分所述回路热管以及至少部分所述制冷机包围，所述绝热系统的至少部分透光，其中，所述冷凝器包括底板以及透光盖板，所述底板上设有槽道，所述透光盖板与所述底板贴合，与所述底板上的槽道共同围成冷凝通道。本发明的低温流体凝结与流动可视化的实验装置可以将低温流体的凝结与流动过程可视化，同时解决冷热冲击、结构件热膨胀系数相差大等带来的结构强度问题。

主权项：1.一种低温流体凝结与流动可视化的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括：回路热管，包括闭环连接为回路的冷凝器和蒸发器；制冷机，与所述冷凝器接触；以及绝热系统，将至少部分所述回路热管以及至少部分所述制冷机包围，所述绝热系统的至少部分透光，其中，所述冷凝器包括底板以及透光盖板，所述底板上设有槽道，所述透光盖板与所述底板贴合，与所述底板上的槽道共同围成冷凝通道。

全文数据：低温流体凝结与流动可视化的实验装置技术领域[0001]本发明涉及低温流体流动实验领域，特别是涉及一种低温流体凝结与流动可视化的实验装置。背景技术[0002]如今，航空航天、超导技术以及电子器件等领域发展迅速，低温冷却技术面临更严峻的挑战，低温流体作为冷却介质或传热介质的应用领域越来越广泛。低温流体在应用过程中不可避免地发生蒸发或凝结等气液相变换热过程，并且在换热过程中伴随着低温气液两相流动现象。[0003]低温工质与常温工质的物性参数不同，如氮、氧、氢等低温工质的表面张力、汽化潜热远小于水、氨、氟利昂等常温工质，从而使得低温工质的流动与换热过程与常温工质有很大差异，许多基于常温工质建立的经验公式无法准确描述低温下的真实物理过程，因此需要针对低温环境下的气液两相流动及换热特性进行深入研宄。低温流体的气液两相流动与换热过程存在着复杂的科学问题，包括气液界面及两相流型变化、气液分布以及流动阻力特性等问题，通常利用数值模拟和实验手段对低温气液两相流动和换热进行研究，由于这项工作的科学问题复杂，数值模拟很难对其进行准确描述，依靠实验研宄对其工作过程进行分析和探索更为直观和可靠。[0004]在实验研究的过程中，为了掌握低温微通道凝结过程中的气液界面及两相流型变化、气液分布状态情况，需要借助可视化手段进行观测，因此需要研制可视化试验装置。低温可视$元件通常为非金属透明材料，由于与低温流体接触，不仅要满足可视化要求，还要能够承受低温、常温交替变化的冷热冲击;可视化元件与金属材料连接固定，由于热膨胀系数相差很大，低温下密封难度更大，甚至可视化元件会发生断裂;可视化元件还要满足耐高压要求。另外，由于低温密封和材料要求的限制，传统栗驱动装置无法在低温环境下使用，通常依赖重力作用驱动气液两相工质流动，不方便开展水平方向两相流动的研究，也不方便进行流速调节。这些难题给低温可视化装置的结构设计和绝热设计带来了巨大的挑战。发明内容[0005]—要解决的技术问题[0006]本发明的目的是提供一种低温流体凝结与流动可视化的实验装置，用于将低温流体的凝结与流动过程可视化，解决冷热冲击、结构件热膨胀系数相差大等带来的结构强度问题，同时解决在不依赖泵或重力作用下低温流体的流动驱动和流速调节问题。[0007]二技术方案[0008]为了解决上述技术问题，本发明提供一种低温流体凝结与流动可视化的实验装置，所述实验装置包括：回路热管，包括闭环连接为回路的冷凝器和蒸发器;制冷机，与所述冷凝器接触；以及绝热系统，将至少部分所述回路热管以及至少部分所述制冷机包围，所述绝热系统的至少部分透光，其中，所述冷凝器包括底板以及透光盖板，所述底板上设有槽道，所述透光盖板与所述底板贴合，与所述底板上的槽道共同围成冷凝通道。[0009]优选地，所述底板面向所述透光盖板的一面设有第一凹槽，所述透光盖板置于所述第一凹槽内，所述第一凹槽的内周面与所述透光盖板的边缘之间留有预定间隙。[0010]优选地，所述间隙内填充低温胶。[0011]优选地，所述冷凝器还包括：固定板，所述固定板的中心部分开口，周边部分将所述透光盖板的边缘固定在所述底板上。[0012]优选地，所述固定板面向所述透光盖板的一面设有第二凹槽，所述第二凹槽内设置垫片。[0013]优选地，所述底板上的槽道呈蛇形或螺旋线形。[0014]优选地，所述回路热管还包括:液体管路，将所述冷凝器与所述蒸发器连接;气体管路，将所述蒸发器与所述冷凝器连接;气库，与所述气体管路连接。[0015]优选地，所述绝热系统包括:真空罩，呈筒状;底部端盖和顶部端盖，分别设置在所述真空罩的底端和顶端，与所述真空罩共同将至少部分所述回路热管以及至少部分所述制冷机包围，其中，所述顶部端盖上设有用于观测的第一窗口和用于外部光源进入的第二窗口，所述第一窗口的位置与所述冷凝器的位置对应。[0016]优选地，所述第一窗口和所述第二窗口均包括:窗口底座，与所述顶部端盖固定；透光板;以及连接盖，所述连接盖将所述透光板与所述窗口底座固定，所述透光板与所述窗口底座之间设置密封圈。[0017]优选地，所述第二窗口的窗口底座背对所述透光板的一侧设置锥形开口。[0018]三有益效果[0019]根据本发明提供的低温流体凝结与流动可视化的实验装置，所述绝热系统的至少部分透光、所述冷凝器包括透光盖板，将低温流体的凝结过程可视化。借助回路热管内的气液两相流动现象开展低温凝结过程的可视化研宄，无须依赖重力作用或额外设置驱动泵，利用蒸发器内的毛细作用驱动气液两相工质循环流动，不受工质流动方向的限制。回路热管为封闭的装置，试验过程中没有工质流入、流出，没有对外排放，通过调整蒸发器加热量大小，能够便利地进行工质流速的调节，通过调节工质充注量和或调节蒸发器加热量，能够调节和改变凝结过程中的饱和压力和温度，进行不同工况下低温凝结过程的研宄。此外本发明中采用低温制冷机作为冷源，能够为研究更宽工作温区低温工质的凝结过程提供冷却。[0020]冷凝器包括透光盖板与底板，透光盖板与底板贴合，从而与所述底板上的槽道共同围成冷凝通道，上述冷凝器的结构密封难度降低，可以解决传统可视化的冷凝器由于冷热冲击、结构件热膨胀系数相差大等带来的结构强度问题。[0021]在优选的实施例中，所述底板面向所述透光盖板的一面设有第一凹槽，所述透光盖板置于所述第一凹槽内，所述第一凹槽的内周面与所述透光盖板的边缘之间留有预定间隙，用于缓冲底板与透光盖板之间的膨胀或收缩形变，进一步地该间隙内可以填充低温胶。此外所述冷凝器还包括固定板，所述固定板面向所述透光盖板的一面设有第二凹槽，所述第二凹槽内设置垫片。上述冷凝器的底板与透光盖板周向配合位置预设间隙并填充低温胶，再通过固定板配合螺钉紧固方式固定，有效避免高低温变化对冷凝器造成破坏，通过垫片缓解固定板、透光盖板以及紧固螺钉之间因热胀系数不同所产生的膨胀、收缩的影响，进一步提高冷凝器密封性能和耐压能力。[0022]在优选的实施例中，绝热系统的顶部端盖上设有用于观测的第一窗口和用于外部光源进入的第二窗口，所述第二窗口的窗口底座背对所述透光板的一侧设置锥形开口，能够使第二窗口尺寸更加紧凑，光线进入绝热系统的角度更广，保证光源发出的光线顺利射向冷凝器的透光盖板。附图说明[0023]图1为本发明实施例的低温流体凝结与流动可视化的实验装置的截面结构示意图；[0024]图2为本发明实施例的低温流体凝结与流动可视化的实验装置的立体分解图；[0025]图3为本发明实施例的低温流体凝结与流动可视化的实验装置的回路热管的立体图；[0026]图4示出本发明实施例的低温流体凝结与流动可视化的实验装置的冷凝器的截面结构示意图；[0027]图5示出本发明实施例的低温流体凝结与流动可视化的实验装置的冷凝器底板的俯视图；[0028]图6示出本发明实施例的低温流体凝结与流动可视化的实验装置的蒸发器的截面结构示意图；[0029]图7示出本发明实施例的低温流体凝结与流动可视化的实验装置的顶部端盖的截面结构示意图。具体实施方式[0030]下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。[0031]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0032]本发明提供一种低温流体凝结与流动可视化的实验装置，用于将低温流体的流动过程和凝结过程可视化。图1和图2分别示出本发明实施例的低温流体凝结与流动可视化的实验装置的截面结构示意图和立体分解图。低温流体凝结与流动可视化的实验装置包括回路热管100、制冷机以及绝热系统。[0033]图3为本发明实施例的低温流体凝结与流动可视化的实验装置的回路热管100的立体图。回路热管100包括闭环连接为回路的冷凝器110和蒸发器120。[0034]制冷机可以是脉冲管制冷机、斯特林制冷机、GM制冷机或其低温制冷机，其与冷凝器110接触。[0035]绝热系统将至少部分回路热管100以及至少部分制冷机包围，本实施例的绝热系统的至少部分透光。[0036]图4示出本发明实施例的低温流体凝结与流动可视化的实验装置的冷凝器110的截面结构示意图，冷凝器11〇包括底板111以及透光盖板112，图5示出底板111的俯视图，底板111上设有槽道1111，透光盖板112与底板111贴合，与底板111上的槽道1111共同围成冷凝通道。[0037]底板111上的槽道1111可以呈蛇形或螺旋线形。在本实施例中槽道1111的横截面为矩形，形成的冷凝通道的横截面也为矩形。在其他实施例中，也可以在底板111上开设截面为V型的槽道1111，与透光盖板U2构成截面为三角形的冷凝通道，或者在底板111和透光盖板112上分别开设截面为半圆形的槽道，装配以后形成截面为圆形的冷凝通道，还可以设计为其他截面形状。[0038]根据本发明提供的低温流体凝结与流动可视化的实验装置，绝热系统的至少部分透光、冷凝器11〇包括透光盖板112，将低温流体的凝结过程可视化。借助回路热管100内的气液两相流动现象开展低温凝结过程的可视化研宄，无须依赖重力作用或额外设置驱动栗，利用蒸发器120内的毛细作用驱动气液两相工质循环流动，不受工质流动方向的限制。回路热管100为封闭的装置，试验过程中没有工质流入、流出，没有对外排放，通过调整蒸发器120加热量大小，能够便利地进行工质流速的调节，通过调节工质充注量和或调节蒸发器120加热量，能够调节和改变凝结过程中的饱和压力和温度，进行不同工况下低温凝结过程的研宄。此外本发明中采用低温制冷机作为冷源，能够为研究更宽工作温区低温工质的凝结过程提供冷却。[0039]冷凝器110包括透光盖板112与底板111，透光盖板112与底板111贴合，从而与底板111上的槽道1111共同围成冷凝通道，上述冷凝器110的结构密封难度降低，可以解决传统可视化的冷凝器11〇由于冷热冲击、结构件热膨胀系数相差大等带来的结构强度问题。[0040]进一步地，底板111面向透光盖板112的一面设有第一凹槽1112,透光盖板112置于第一凹槽1112内，第一凹槽1112的内周面与透光盖板112的边缘之间可以设置预定间隙，该间隙内进一步可以填充低温胶114，通过在底板111与透光盖板112设置间隙或低温胶114，可以缓解底板111、透光盖板112因热胀系数不同所产生的膨胀、收缩影响，提高冷凝器密封性能和结构强度。[0041]此外冷凝器110还包括固定板113,固定板113的中心部分开口，周边部分将透光盖板112的边缘固定在底板111上。进一步地，固定板113面向透光盖板112的一面设有桌一凹槽1131，第二凹槽1131内设置垫片115。[0042]在本发明实施例中，冷凝器110的底板111与透光盖板112周向配合位置预设间隙并填充低温胶114,再通过固定板113配合螺钉紧固方式固定，有效避免高低温变化对冷凝器110造成破坏，通过垫片115缓解固定板113、透光盖板112以及紧固螺钉之间因热胀系数不同所产生的膨胀、收缩的影响，进一步提高冷凝器11〇密封性能和耐压能力。[0043]在本实施例中，回路热管100还包括液体管路130、气体管路140、气库150。液体管路130将冷凝器110与蒸发器120连接，气体管路140将蒸发器120与冷凝器110连接，气库150与气体管路140连接。冷凝器110、液体管路13〇、蒸发器120、气体管路140顺次连接组成回路结构，气库150通过气库连管151和三通152与气体管路140相连通。气库150用于缓解回路热管100在室温条件下压力过高的问题，可以根据低温环境下气液比例和工作压力要求设计气库150大小。液体管路130、气体管路140可以由金属薄壁管制成，根据系统要求和空间布局情况设计管路长度和直径等参数，例如，为了使低温系统更加紧凑，也可以将管路弯折成U型结构。在本实施例中，回路热管100的充气口160设置在气库150上，通过外接管路和阀门与充气口160连接，向回路热管100内充注低温工质。[0044]图6示出本发明实施例的低温流体凝结与流动可视化的实验装置的蒸发器12〇的截面结构示意图，在回路热管100的蒸发器120可以包括毛细结构121、壳体122、进口端盖125和出口端盖126,壳体122与进口端盖125、出口端盖126形成腔体，毛细结构121作为吸液芯设于壳体122内部，毛细结构121外表面与壳体122内壁之间设有若干气体槽道123,使毛细结构121表面蒸发出来的气体工质及时向气体管路140排散，通过毛细结构121的毛细作用为回路内工质循环流动提供驱动力，不需要依靠栗或重力作用，因此本发明能够用于空间开展低温凝结过程的可视化研究。蒸发器120还可以设置储液器124,储液器124可以采用不锈钢、钛或其他导热系数较小的金属材料，蒸发器120的壳体122可以采用紫铜等导热系数较大的材料，在储液器124与壳体122之间设置过渡圆环进行焊接，储液器124与毛细结构121内部相连通，用于存储过量的液体工质，控制和调节蒸发器120的漏热，提高蒸发器120运行稳定性，在储液器124与毛细结构121之间可以设置副毛细结构（图中未示出），便于储液器124中的液体向毛细结构121内部补充和流动。[0045]本实施例的绝热系统包括真空罩310、底部端盖320和顶部端盖330。真空罩310呈筒状，底部端盖320和顶部端盖330分别设置在真空罩310的底端和顶端，与真空罩310共同将至少部分回路热管100以及至少部分制冷机包围。其中，顶部端盖330上设有用于观测的第一窗口331和用于外部光源进入的第二窗口332，第一窗口331的位置与冷凝器11〇的位置对应。[0046]真空罩310上开设有真空接口311和引线接口312,通过真空接口311将真空罩310与真空机组相连，通过引线接口312将内部例如温度计、加热电阻的引线与外部的采集系统相连。真空罩310的上下两端分别设有法兰和密封槽，在真空罩310的密封槽内采用橡胶圈或聚四氟乙烯垫圈密封，与底部端盖320、顶部端盖330之间通过螺钉进行紧固。[0047]图7示出本发明实施例的低温流体凝结与流动可视化的实验装置的顶部端盖330的截面结构示意图，第一窗口331和第二窗口332均包括窗口底座3301、透光板3302以及连接盖3303。窗口底座3301与顶部端盖330固定，连接盖3303将透光板3302与窗口底座3301固定，透光板3302与窗口底座3301之间设置密封圈3304,窗口底座3301面向透光板3302的一侧可以设置密封槽，用于容纳上述密封圈3304。[0048]高速摄像机可以通过第一窗口331摄录冷凝器110内凝结过程气液两相工质流动状态。外界光源可以通过第二窗口332进入绝热系统内照射在冷凝器110上。第二窗口332的窗口底座3301背对透光板3302的一侧可以设置锥形开口，能够使第二窗口332尺寸更加紧凑，光线进入绝热系统的角度更广，保证光源发出的光线顺利射向冷凝器11〇的透光盖板112。[0049]在顶部端盖330上，第一窗口331可以朝向顶部端盖33〇面向回路热管1〇〇的方向凸出，缩短第一窗口331与冷凝器110的距离，更有利于高速摄像机进行拍摄。第二窗口332朝向顶部端盖330背向回路热管100的方向凸出，第二窗口332和第一窗口331在顶部端盖330上的距离就可以相对更近，从而在保证光源的光线顺利照射到冷凝器11〇的情况下，使第二窗口332的开口尺寸能够更加紧凑。[0050]如前所述，制冷机可以是多种制冷机中任一种，本文中以脉冲管制冷机为例进行说明，其包括冷头210、冷指220以及压缩机连管230,冷头210位于绝热系统内，并且与冷凝器110接触，冷头210依次通过冷指220以及压缩机连管230与绝热系统外界的压缩机连接。本实施例中，制冷机设置在绝热系统的底部端盖320上，底部端盖320作为制冷机的热端，用于制冷机散热，其中冷头210、冷指22〇位于绝热系统内，冷凝器110底部与制冷机的冷头210通过螺钉连接或低温胶粘接紧密固定。底部端盖320的边缘还可以设置法兰321，用于与真空罩310连接，实验装置还可以包括支架400,支架也可以与法兰321，在整个实验装置的底部，对整个实验装置提供支撑和固定。[0051]此外，可以在回路热管1〇〇的底板110、冷凝器110进口和出口位置、蒸发器120、制冷机的冷头210上分别设置温度计，在试验过程中监测温度变化。在蒸发器120上设置加热装置，通过加热蒸发器120使毛细结构U1表面产生毛细作用，驱动回路热管100内工质循环流动。[0052]在回路热管100、制冷机的冷指220外表面缠绕镀铝涤纶薄膜多层，使冷凝器11〇的透光盖板112区域保持裸露，减小外界环境向系统内部的环境漏热，同时不影响对冷凝器110的观测过程。[0053]在真空罩310内还可以设置冷屏，冷屏将回路热管100、制冷机的冷指220包围起来，冷屏不与回路热管100、制冷机的冷指220接触，避免导热作用造成漏热，在冷屏上缠绕镀铝涤纶薄膜多层，在冷屏和多层镀铝涤纶薄膜上对应第一窗口331和第二窗口332的区域设置开口，保证光源的光线顺利射向冷凝器11〇的透光盖板112,并使高速摄像机能够顺利摄录冷凝器11〇内部的气液流动过程。另外，在冷屏上设置用于温度计引线、加热导线伸出的开口，使引线通过开口穿过冷屏与真空罩31〇上的引线接口312连接。[0054]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种低温流体凝结与流动可视化的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括：回路热管，包括闭环连接为回路的冷凝器和蒸发器；制冷机，与所述冷凝器接触；以及绝热系统，将至少部分所述回路热管以及至少部分所述制冷机包围，所述绝热系统的至少部分透光，其中，所述冷凝器包括底板以及透光盖板，所述底板上设有槽道，所述透光盖板与所述底板贴合，与所述底板上的槽道共同围成冷凝通道。2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述底板面向所述透光盖板的一面设有第一凹槽，所述透光盖板置于所述第一凹槽内，所述第一凹槽的内周面与所述透光盖板的边缘之间留有预定间隙。3.如权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述间隙内填充低温胶。4.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述冷凝器还包括：固定板，所述固定板的中心部分开口，周边部分将所述透光盖板的边缘固定在所述底板上。5.如权利要求4所述的实验装置，其特征在于，所述固定板面向所述透光盖板的一面设有第二凹槽，所述第二凹槽内设置垫片。6.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述底板上的槽道呈蛇形或螺旋线形。7.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述回路热管还包括：液体管路，将所述冷凝器与所述蒸发器连接；气体管路，将所述蒸发器与所述冷凝器连接；气库，与所述气体管路连接。8.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述绝热系统包括：真空罩，呈筒状；、、^底部端盖和顶部端盖，分别设置在所述真空罩的底端和顶端，与所述真£罩、同将少部分所述回路热管以及至少部分所述制冷机包围，一其中，所述顶部端盖上设有用于观测的第一窗口和用于外部光源进入的第二窗口，所述第一窗口的位置与所述冷凝器的位置对应。一a9.如权利要求8所述的实验装置，其特征在于，所述第一窗口和所述第二窗口均包括：窗口底座，与所述顶部端盖固定；^1’，S连接盖将臟透錄与臓窗a底座酿，所賴光板与所賴口底座之间设置密封圈。读10.如权利要求9所述的实验装置，其特征在于，所述第二窗口的®日底座S对所述透光板的一侧设置锥形开口。

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