CN101508349B - 一种适用于纳卫星热控系统的流体回路控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于纳卫星热控系统的流体回路控制装置，该装置包括有热量收集模块、流体回路驱动模块、热-电转换模块和旁路流量控制模块。本发明装置采用了微槽道换热技术与热-电转换技术相结合，使得纳卫星热控系统流体回路形成强迫对流换热。本发明装置采用了主回路自驱动和旁路辅助控制的主动热控制方式，该方式将纳卫星废热转换为电能，从而驱动流体回路进行强迫对流换热，实现了热控系统的闭环控制，降低了纳卫星的电能消耗，可实现对纳卫星内部温度的控制。本发明装置是在现有纳卫星的星载设备上安装微槽道换热器，然后对每个微槽道换热器的两端分别连接上导管组成一个强迫对流的流体回路，该流体回路能够对星载设备工作时产生的热量进行再利用，节省了纳卫星的能量，为纳卫星的长时间服役提供了条件。

Description

一种适用于纳卫星热控系统的流体回路控制装置

技术领域

本发明涉及一种纳卫星热控装置。更特别地说，是指一种基于干路自驱动和旁路辅助控制的流体回路控制装置。

背景技术

纳卫星是指质量在1Kg～10Kg之间的微型卫星，由于采用大规模集成电路的设计思想和制造工艺，因而纳卫星具有体积小、质量轻、制造和发射成本低的优点，在通信、军事、地质勘探、环境与灾害监测、交通运输、气象服务、科学实验、深空探测等方面有着广泛应用。

纳卫星所需电能通常由太阳帆板吸收太阳能转换获得。纳卫星在宇宙空间的服役时间一方面也要考虑对电能的损耗。但由于纳卫星自身体积小限制了其能量的供应，同时，纳卫星上的各子系统工作时会产生大量热量，这些热量形成了纳卫星热控系统，这些热量如不及时散出就会造成纳卫星内部热环境的变化，从而影响各子系统的正常工作。纳卫星的外部包覆有纳卫星蒙皮10，纳卫星的散热处理，是将工作时产生的热量传导到其背离太阳的散热面11上，该热量以辐射形式排散到宇宙空间(参见图1所示)。依据纳卫星实现功能的不同，可以将纳卫星分为电源子系统、热控制子系统、结构子系统、姿态控制子系统12、通讯子系统13、计算子系统14和有效载荷15等(参见图3所示)。

微通道换热器是一种新兴的热设计技术，最早见诸于二十世纪八十年代初美国学者Tuckerman和Pease介绍的一种用硅制造而成的水冷肋片式换热器。微通道换热器的特点是：(1)结构简单，微通道换热器主要采用矩形、三角形、圆形肋片结构，通道结构简单，采用线切割或化学腐蚀加工，加工方便；(2)体积小，微通道微换热器的体积小，可以直接作用于毫米甚至微米级的热源位置；(3)具有很高的换热效率。微通道换热器由于通道的尺寸效应，热阻很低，同时又可以直接作用于热源位置，因此换热效率很高。如果采用微通道液体强迫对流形式，则可达到更好的散热效果；(4)流体状态主要呈层流，对动力系统的要求低，一般仅为几十毫米水头的水柱压降；(5)能够在恶劣的工作环境下工作。

传统的纳卫星热控系统以被动方式为主，整个过程热量传递不可控，当纳卫星各子系统温度环境降低时，还需要通过电加热的方式为各子系统增温，从而增加了纳卫星的电源子系统的负担，缩短了纳卫星的服役时间。

发明内容

为了有效利用纳卫星在宇宙中工作时产生的热量，以及延长纳卫星的服役时间，本发明提出了一种适用于纳卫星热控系统的流体回路控制装置。该流体回路控制装置采用了微槽道换热技术与热-电转换技术相结合，使得纳卫星热控系统流体回路形成强迫对流换热。该流体回路控制装置通过在现有纳卫星上的星载设备上安装微槽道换热器，然后对每个微槽道换热器的两端分别连接上导管组成一个强迫对流的流体回路，该流体回路能够对星载设备工作时产生的热量进行再利用，节省了纳卫星的能量，为纳卫星的长时间服役提供了条件。在流体回路中采用了主回路自驱动和旁路辅助控制的主动热控制方式。自驱动设计将纳卫星废热转换为电能驱动流体回路散热，实现了热控系统的闭环控制，降低了纳卫星的电能消耗，旁路辅助控制设计通过对纳卫星向宇宙空间辐射热量的控制，可实现对纳卫星内部温度的控制。

本发明的一种适用于纳卫星热控系统的流体回路控制装置，包括有热量收集模块、流体回路驱动模块、热-电转换模块和旁路流量控制模块；热量收集模块用于将纳卫星上的姿态控制子系统、通讯子系统、计算子系统和有效载荷工作时产生的废热进行汇集，并应用微槽道换热器、冷却介质和微型管道组合形成热量交换回路；旁路流量控制模块用于调节所述热量交换回路中换热温度T₁低于纳卫星正常工作时的正常温度T₀时，调节热量交换回路中的冷却介质的流速，应用电动调节阀与分流管道的组合形成旁路流量控制；自驱动控制模块为热量交换回路提供强迫对流能量，应用温差发电片与电动微型泵的组合形成；热-电转换模块为热量交换回路提供驱动电能，应用自驱动控制模块中的温差发电片与热量收集模块中的微槽道换热器组合形成。

所述的适用于纳卫星热控系统的流体回路控制装置的一个具体结构为：

包括有多个微槽道换热器、多段管道、分流管道、电动调节阀、微型泵和温差发电片；多个微槽道换热器是指A微槽道换热器、B微槽道换热器、C微槽道换热器、D微槽道换热器和E微槽道换热器；多段管道是指A管道、B管道、C管道、D管道、E管道、F管道、G管道和H管道；A管道的A端连接在A微槽道换热器的输出端上，A管道的B端连接在B微槽道换热器的输入端上；A微槽道换热器粘接在姿态控制子系统上；B管道的A端连接在B微槽道换热器的输出端上，B管道的B端连接在C微槽道换热器的输入端上；B微槽道换热器粘接在通讯子系统上；C管道的A端连接在C微槽道换热器的输出端上，C管道的B端连接在D微槽道换热器的输入端上；C微槽道换热器粘接在计算子系统上；D管道的A端连接在D微槽道换热器的输出端上，D管道的B端连接在电动微型泵的入口上；D微槽道换热器上粘接有温差发电片，温差发电片的另一端面粘接在有效载荷上；温差发电片的正极和负极分别通过电导线与电动微型泵连接；E管道的A端连接在电机微型泵的出口上，E管道的B端连接在A三通接头的第二接口上；F管道的A端连接在A三通接头的第三接口上，F管道的B端连接在E微槽道换热器的输入端上；G管道的A端连接在E微槽道换热器的输出端上，G管道的B端连接在B三通接头的第三接口上；H管道的A端连接在B三通接头的第二接口上，H管道的B端连接在A微槽道换热器的输入端上。

本发明的一种适用于纳卫星热控系统的流体回路控制装置优点在于：

(1)利用微槽道换热器吸收纳卫星各个子系统正常工作时产生的废热，并在每个子系统上分别安装一个微槽道换热器，然后在微槽道换热器的输入端与输出端上连接管道形成热量交换回路，利用该热量交换回路带走热量。

(2)采用温差发电技术，将纳卫星产生的废热转换为电能，提高了纳卫星能量的利用率。

(3)采用微槽道换热技术，由于微槽道低热阻、尺寸小的特点，几乎可以安装在纳卫星任何可以散热的地方，提高了热量交换效率。

(4)采用主回路自驱动换热，利用温差发电片产生的电能来驱动电动微型泵，实现了纳卫星热控系统的闭环控制。

(5)在热量交换回路中采用电动调节阀和分流管道形成旁路流量的辅助控制，通过调节电动调节阀的开度实现了对纳卫星辐射散热的控制，进而实现了纳卫星内部温度控制。

附图说明

图1是纳卫星上散热面的设置位置简示图。

图2是本发明流体回路控制装置的热量控制结构框图。

图3是本发明流体回路控制装置的一种具体实施方案结构图。

图中：           1.分流管道     2.电动调节阀  3.电动微型泵  4.导线

5.温差发电片     10.纳卫星蒙皮  11.散热面     12.姿态控制子系统

13.通讯子系统    14.计算子系统  15.有效载荷   22.A微槽道换热器

23.B微槽道换热器                24.C微槽道换热器    25.D微槽道换热器

26.E微槽道换热器                31.A管道  32.B管道  33.C管道

34.D管道         35.E管道       36.F管道  37.G管道  38.H管道

51.热量收集模块                 52.流体回路驱动模块

53.热-电转换模块                54.旁路流量控制模块

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明的一种适用于纳卫星热控系统的流体回路控制装置，在纳卫星中的姿态控制子系统12、通讯子系统13、计算子系统14和有效载荷15形成纳卫星的热控系统，该流体回路控制装置包括有热量收集模块51、流体回路驱动模块52、热-电转换模块53和旁路流量控制模块54。

(一)热量收集模块51

热量收集模块51用于将姿态控制子系统12、通讯子系统13、计算子系统14和有效载荷15工作时产生的废热进行汇集，对于废热汇集本发明采用微槽道换热器与管道组合模式，通过管道内存在的冷却介质，将废热传导至散热面11释放出去，以保证纳卫星在高温环境下的正常工作。根据物质吸放热量的关系Q＝cmΔT，其中Q为物质吸放热量，c为比热容，m为冷却介质的质量，ΔT为冷却介质的温差变化量。在纳卫星的有限体积条件下，对于热量的产生，以及对热量进行散热(散热面11)都需要纳卫星所携带的能源对其作功，因此这必将要损耗能源，减少纳卫星的服役时间，如果有一种能够将纳卫星自身产生的热量进行再利用，这必将延长纳卫星的服役时间。为了解决热量的自身再利用，本发明人依据能源守恒在现在纳卫星结构体系下，不扩大纳卫星的体积，采用微槽道换热器与微型管道及管道内的冷却介质组合形成热量交换回路。即热量收集模块51能够形成流体回路控制装置中的热量交换回路。

在本发明中，热量交换回路所需器件有A微槽道换热器22、B微槽道换热器23、C微槽道换热器24、D微槽道换热器25、E微槽道换热器26、A管道31、B管道32、C管道33、D管道34、E管道35、F管道36、G管道37和H管道38。冷却介质能够在该热量交换回路中流动，可以是去离子水。

微槽道换热器的体积小可以作用于毫米甚至微米级的热源位置，由于其热阻小且可以直接与热源接触在强迫对流状况下可以达到很好的散热效果。因此本发明采用与纳卫星各子系统粘接微槽道换热器来吸收设备散发出来的热量。又因，纳卫星散热面11处的温度较低，使得热量交换回路中的热量由散热面11散发到宇宙空间。

(二)旁路流量控制模块54

为了解决热量交换回路中经散热面11后热量损耗过大的问题，发明人设计了一个由电动调节阀和管道(分流管道1)组成的旁路流量控制模块56，通过对E微槽道换热器26输出端温度的采集，该温度记为换热温度T₁，若换热温度T₁低于纳卫星正常工作时的正常温度T₀时，电动调节阀开启(启动条件T₁＜T₀)，使热量交换回路中的热量从旁路进入H管道38，而不经过散热面11进行热量交换，从而保证纳卫星在低温环境下的正常工作。

在本发明中，设计旁路流量控制模块56主要的是解决纳卫星在低温时需要纳卫星所携带的能源对其进行加热，造成的能源损耗。即旁路流量控制模块54用于调节热量交换回路中换热温度T₁低于纳卫星正常工作时的正常温度T₀时，调节热量交换回路中的冷却介质的流速。

在本发明中，电动调节阀所需启动电压由星载电源子系统提供。

(三)自驱动控制模块52

自驱动控制模块52为热量交换回路提供强迫对流所需能量。

为了在热量交换回路上使管道内的冷却介质形成强迫对流，以较快的时间对纳卫星上的各处子系统进行迅速的散热，本发明人在热量交换回路上设计一电动微型泵，该电动微型泵能够为热量交换回路提供动力，使热量交换回路中的冷却介质形成强迫对流。为了给电动微型泵提供电能，在有效载荷15与D微槽道换热器25之间粘接一温差发电片5。

在本发明中，由温差发电片5为电动微型泵3不需要纳卫星自带的能源为其供电，因此称作自驱动控制模块52。

在本发明中，电动微型泵所需的电压由温差发电片提供。即温差发电片的正极和负极的两条导线分别连接在电动微型泵的正极和负极上。电动微型泵所需的驱动电压为0V～5V。

(四)热-电转换模块53

热-电转换模块53为热量交换主回路提供电能。

为了对纳卫星携带能源的节省，本发明采用热-电转换方案。是在有效载荷15与D微槽道换热器25之间粘接一温差发电片5。温差发电片5的一面与有效载荷15表面接触，温差发电片5的另一面与D微槽道换热器25接触，当温差发电片5两个表面温度不平衡时便会有电压产生，从而实现将有效载荷15产生的废热转换为电能。该温差发电片是根据Seebeck效应，当温差发电片两端存在温差时，温差发电片便会有电动势产生。

根据图2所示，本发明人设计了一个具体的结构如图3所示，各微槽道换热器、管道、分流管道、温差发电片、电动微型泵、电动调节阀的布局：

本发明的流体回路控制装置，包括有多个微槽道换热器、多段管道、分流管道1、电动调节阀2、电动微型泵3和温差发电片5；多个微槽道换热器是指A微槽道换热器22、B微槽道换热器23、C微槽道换热器24、D微槽道换热器25和E微槽道换热器26；多段管道是指A管道31、B管道32、C管道33、D管道34、E管道35、F管道36、G管道37、H管道38；管道采用铜管、铝管、钛铝合金管、钛镍合金管等，管道内径为4mm～6mm，管道内的冷却介质可以是去离子水。本发明流体回路控制装置以管道的连接方式说明各自的相对位置关系。

分流管道1的A端与A三通接头6的第一接口连接，分流管道1的B端与B三通接头7的第一接口连接；分流管道1上安装有电动调节阀2；

A管道31的A端连接在A微槽道换热器22的输出端上，A管道31的B端连接在B微槽道换热器23的输入端上；A微槽道换热器22粘接在姿态控制子系统12上，该A微槽道换热器22用于将姿态控制子系统12工作时产生的热量Q₂₂(称为第一热量Q₂₂)传递至A管道1内的冷却介质上，由该冷却介质将第一热量Q₂₂带走；

B管道32的A端连接在B微槽道换热器23的输出端上，B管道32的B端连接在C微槽道换热器24的输入端上；B微槽道换热器23粘接在通讯子系统13上，该B微槽道换热器23用于将通讯子系统13工作时产生的热量Q₂₃(称为第二热量Q₂₃)传递到B管道32内的冷却介质上，由该冷却介质将第二热量Q₂₃带走；

C管道33的A端连接在C微槽道换热器24的输出端上，C管道23的B端连接在D微槽道换热器25的输入端上；C微槽道换热器24粘接在计算子系统14上，该C微槽道换热器24用于将计算子系统14工作时产生的热量Q₂₄(称为第三热量Q₂₄)传递到C管道33内的冷却介质上，由该冷却介质将第三热量Q₂₄带走；

D管道34的A端连接在D微槽道换热器25的输出端上，D管道34的B端连接在电动微型泵3的入口上；D微槽道换热器25上粘接有温差发电片5，温差发电片5的另一端面粘接在有效载荷15上；温差发电片5的正极和负极通过导线4(电缆线、或铜芯线)与电动微型泵3连接，该温差发电片5为电动微型泵3提供0V～5V的电能；该D微槽道换热器25一方面用于将有效载荷15工作时产生的热量Q₂₅(称为第四热量Q₂₅)传递到D管道34内的冷却介质上，由该冷却介质将第四热量Q₂₅带走；由于温差发电片5粘接在D微槽道换热器25与有效载荷15之间，只要D微槽道换热器25与有效载荷15之间存在有温度差，便为温差发电片5提供了能量，该温差发电片5就能将热能转换为电能，即温差发电片5发电。然后该电能作用到电动微型泵3上，电动微型泵3根据接收到的电能为强迫对流提供流量控制。温差发电片5的正极和负极通过导线4分别与电动微型泵3的正极和负极连接，电导线4可以是电缆线、或铜芯线。

E管道35的A端连接在电动微型泵3的出口上，E管道35的B端连接在A三通接头6的第二接口上；

F管道36的A端连接在A三通接头6的第三接口上，F管道36的B端连接在E微槽道换热器26的输入端上；

G管道37的A端连接在E微槽道换热器26的输出端上，G管道37的B端连接在B三通接头7的第三接口上；E微槽道换热器26用于将流体回路中热量Q₂₆(称为第五热量Q₂₆)经散热面11向宇宙空间辐射出，达到降低流体回路中热量的目的；

H管道38的A端连接在B三通接头7的第二接口上，H管道38的B端连接在A微槽道换热器22的输入端上。

在本发明中，电动调节阀2的流量为0.1～0.4L/min。

在本发明中，电动微型泵3的驱动电压为0V～5V，流量为0.1～0.4L/min，Micropump公司的180型齿轮泵，配接相应驱动装置。

在本发明中，温差发电片5的输出电压为0V～5V，选取Komatsu公司50mm×50mm×4.2mm温差发电模块。

在本发明中，微槽道换热器的吸收功率为100W～500W。

在本发明中，纳卫星上的各子系统与微槽道换热器、微槽道换热器与流体管道之间的连接采用了具有导热性能良好的硅材料进行粘接。在电动微型泵3的作用下，冷却介质在管道内形成强迫对流运动，将纳卫星上的各个子系统正常工作时产生的废热传递到纳卫星散热面11上，从而实现星载设备的散热。

Claims (7)

1.一种适用于纳卫星热控系统的流体回路控制装置，在纳卫星中的姿态控制子系统(12)、通讯子系统(13)、计算子系统(14)和有效载荷(15)形成纳卫星的热控系统，其特征在于：该纳卫星热控系统的流体回路控制装置包括有热量收集模块(51)、流体回路驱动模块(52)、热-电转换模块(53)和旁路流量控制模块(54)；

热量收集模块(51)用于将纳卫星上的姿态控制子系统(12)、通讯子系统(13)、计算子系统(14)和有效载荷(15)工作时产生的废热进行汇集，并应用微槽道换热器、冷却介质和微型管道组合形成热量交换回路；

旁路流量控制模块(54)用于调节所述热量交换回路中换热温度T1低于纳卫星正常工作时的正常温度T₀时，调节热量交换回路中的冷却介质的流速，应用电动调节阀与分流管道的组合形成旁路流量控制；

自驱动控制模块(52)为热量交换回路提供强迫对流能量，应用温差发电片与电动微型泵的组合形成；

热-电转换模块(53)为热量交换回路提供驱动电能，应用自驱动控制模块(52)中的温差发电片与热量收集模块(51)中的微槽道换热器组合形成。

2.根据权利要求1所述的适用于纳卫星热控系统的流体回路控制装置，其特征在于：

包括有多个微槽道换热器、多段管道、分流管道(1)、电动调节阀(2)、微型泵(3)和温差发电片(5)；

多个微槽道换热器是指A微槽道换热器(22)、B微槽道换热器(23)、C微槽道换热器(24)、D微槽道换热器(25)和E微槽道换热器(26)；

多段管道是指A管道(31)、B管道(32)、C管道(33)、D管道(34)、E管道(35)、F管道(36)、G管道(37)和H管道(38)；

A管道(31)的A端连接在A微槽道换热器(22)的输出端上，A管道(31)的B端连接在B微槽道换热器(23)的输入端上；A微槽道换热器(22)粘接在姿态控制子系统(12)上；

B管道(32)的A端连接在B微槽道换热器(23)的输出端上，B管道(32)的B端连接在C微槽道换热器(24)的输入端上；B微槽道换热器(23)粘接在通讯子系统(13)上；

C管道(33)的A端连接在C微槽道换热器(24)的输出端上，C管道(23)的B端连接在D微槽道换热器(25)的输入端上；C微槽道换热器(24)粘接在计算子系统(14)上；

D管道(34)的A端连接在D微槽道换热器(25)的输出端上，D管道(34)的B端连接在电动微型泵(3)的入口上；D微槽道换热器(25)上粘接有温差发电片(5)，温差发电片(5)的另一端面粘接在有效载荷(15)上；温差发电片(5)的正极和负极分别通过电导线(4)与电动微型泵(3)连接；

E管道(35)的A端连接在电机微型泵(3)的出口上，E管道(35)的B端连接在A三通接头(6)的第二接口上；

F管道(36)的A端连接在A三通接头(6)的第三接口上，F管道(36)的B端连接在E微槽道换热器(26)的输入端上；

G管道(37)的A端连接在E微槽道换热器(26)的输出端上，G管道(37)的B端连接在B三通接头(7)的第三接口上；

H管道(38)的A端连接在B三通接头(7)的第二接口上，H管道(38)的B端连接在A微槽道换热器(22)的输入端上。

3.根据权利要求2所述的适用于纳卫星热控系统的流体回路控制装置，其特征在于：管道采用铜管、或铝管、或钛铝合金管、或钛镍合金管，管道内径为4mm～6mm。

4.根据权利要求1或2所述的适用于纳卫星热控系统的流体回路控制装置，其特征在于：冷却介质为去离子水。

5.根据权利要求1或2所述的适用于纳卫星热控系统的流体回路控制装置，其特征在于：电动微型泵(4)的驱动电压为0V～5V。

6.根据权利要求1或2所述的适用于纳卫星热控系统的流体回路控制装置，其特征在于：温差发电片(5)的输出电压为0V～5V。

7.根据权利要求1或2所述的适用于纳卫星热控系统的流体回路控制装置，其特征在于：微槽道换热器的吸收功率为100W～500W。

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