CN104176281A - 流道型不锈钢胀板热沉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流道型不锈钢胀板热沉，其通过将两块不锈钢换热板四周密封焊接后弯成需要的形状，两块不锈钢换热板中间形成若干夹层结构；直焊缝按照一定间距均匀并列布置在两块不锈钢换热板中间，以形成流道型流道。与现有技术相比，本发明的流道型不锈钢热沉经受的最大内压为1.6MPa，并能显著增加热沉对流换热面积，通过强化对流换热的方式来增强热沉换热性能，可使热沉壁面温度均匀性优于±2K。

Description

流道型不锈钢胀板热沉

技术领域

本发明属于空间环境模拟技术领域，具体涉及一种用于模拟空间黑背景和深冷环境的关键设备。

背景技术

航天器在发射之前需要进行充分的空间环境试验来验证航天器的可靠性。空间环境模拟设备主要模拟空间的真空、冷黑等环境，用于航天器的热真空和热平衡试验。热沉是空间环模设备中模拟空间冷黑环境的核心部件，热沉表面需喷涂特制的黑漆保证其太阳吸收率和半球发射率，通过向热沉中通入液氮等冷介质来模拟空间深冷环境。

目前，国内空间环境模拟设备中多采用管板式热沉，该种结构的热沉由铝、铜或不锈钢管焊接铜翅片制成的数片管板结构拼接而成，通过在光管上加翅片的方式强化传热。由于翅片是光管外的二次表面，在增加传热面积达到强化传热的同时增大了传热热阻，使得该种结构的热沉承受热负荷能力差，热沉温度均匀性不易控制，温度均匀性一般为±5K，并且加工周期较长。此外，对于一些特殊结构的空间环境模拟设备，管板式热沉不易加工布置。

针对上述问题，需要开发一种温度均匀性好，加工工艺简单的热沉。

发明内容

本发明目的是提出了一种结构易于加工布置，单位面积承受热负荷能力强，温度均匀性优于±2K的热沉。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

流道型不锈钢胀板热沉，其通过将两块不锈钢换热板四周密封焊接后弯成需要的形状，两块不锈钢换热板中间形成若干高度为5mm-15mm的夹层结构；宽度为3-5mm的直焊缝按照50mm-90mm的间距均匀并列布置在两块不锈钢换热板中间，以形成流道型流道。

其中，流道两侧分别贯通设置有进液管和出液管，直焊缝分别从进液管延伸到出液管，使得冷却液体在流道内同向流动。

其中，最下方的流道和最上方的流道分别设置有进液管和出液管，直焊缝交错地从流道一侧延伸到靠近流道另一侧末端的位置，即第一直焊缝从流道的侧面一延伸到靠近流道的侧面二末端的位置，则与其相邻的第二直焊缝交错地从流道的侧面二延伸到靠近流道的侧面一末端的位置，而与第二直焊缝相邻的第三直焊缝采用与第一直焊缝相同的方式延伸，使得冷却液体在流道内交错往复流动。

其中，上述两种流道型不锈钢胀板热沉均采用激光自动焊机加工焊缝，经水压充胀而成。

其中，根据流道的胀起高度，水压约为2MPa，分次增加压力，最后将不锈钢夹层胀起到相应高度。

其中，胀起到相应高度后，在热沉中冲入高温氮气进行干燥处理，吹除残留在流道内部的水汽。

其中，不锈钢换热板厚度为1mm-2.5mm，流道宽度50mm～80mm，两块不锈钢换热板间胀起高度5mm-15mm。

本发明的流道型不锈钢胀板热沉使得传热介质与热沉表面直接接触，所有换热表面均为直接参与换热的一次表面，不存在翅片效率高低的问题，因此承受热负荷的能力较强，温度均匀性好。并且本发明的流道型不锈钢胀板热沉结构易于加工布置，能够缩短加工周期和增强设备通用性。具体来说，本发明的流道型不锈钢热沉具有以下改进效果：

(1)热沉经受的最大内压为1.6MPa；

(2)显著增加热沉对流换热面积，通过强化对流换热的方式来增强热沉换热性能，可使热沉壁面温度均匀性优于±2K。

附图说明

图1是本发明一实施方式的流道型不锈钢胀板热沉的结构示意图；

其中：1-进液总管；2-出液总管；3-胀板流道；4-不锈钢板。

图2是本发明另一实施方式的流道型不锈钢胀板热沉的结构示意图；

其中：1-进液总管；2-出液总管；3-胀板流道；4-不锈钢板。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

图1是本发明一实施方式的流道型不锈钢胀板热沉结构示意图。该流道型不锈钢胀板热沉是冷却液体从左到右同向流动的热沉，进液管和出液管分别设置在左右两侧，该热沉包括进液总管1、出液总管2；胀板流道3和不锈钢板4，该热沉通过以下方式制成，首先选取2mm厚度的两块不锈钢换热板，四周进行密封焊接，两块不锈钢换热板中间高度为5mm-15mm；宽度为3-5mm的直焊缝按照50mm-90mm的间距均匀布置在两块不锈钢换热板中间，形成流道通道。进出液总管的管径及布置形式需要根据热沉尺寸大小进行确定。(详细说明第一种实施方式下该热沉的制造过程，包括制造过程中的相应参数)胀板加工过程如下：第一步，胀板的所有焊缝及开孔边缘必须使用激光自动焊机完成。首先加工人员将事先设计好的胀板图纸输入到自动焊机程序中，通知焊机将要完成的焊接图形。然后将胀板放置在自动焊机上，启动自动焊接，进行激光自动焊。第二步，进行胀板的进液总管和出液总管的焊接工作，由焊工手动焊接完成，根据图纸准备好相应尺寸的管材(均为不锈钢管)，完成氩弧焊。第三步，进行胀板充胀工作。为了保证胀板在充胀过程中不变形，维持其平面平整度，需要用事先加工好的工装将胀板四条边固定。第四步，准备水泵、高压软管、压力表、安全阀和手阀，并与胀板的进出液总管连接起来形成回路。首先，打开手阀，将胀板充压到0.3MPa，保压10分钟，再冲压到0.6MPa，保压10分钟，再依次分别升至0.9MPa,1.2MPa，1.5MPa,1.8MPa,2.0MPa，在每个阶段均保压10分钟，同时使用游标卡尺测量胀板的鼓胀高度，达到设计鼓胀高度后，待鼓胀成型即可停止充胀工作。充胀完成后，向胀板热沉充入高温氮气进行干燥处理，吹除残留在流道内部的水汽。

在本发明的第一实施方式的热沉结构中，冷却流体经进液总管流入热沉，流体体在胀板各流道中平行流动，冷却流体在板材夹层中完成换热后由汇流到出液总管，进而流出热沉。对于并联结构，流体经进液总管分配，同时进入所有并联的胀板流道中，进行对流换热，最后再汇集到出液总管，流出热沉；为使热沉达到最优的换热性能，需要对热沉结构参数进行优化设计。分别建立不同结构参数的流道型不锈钢热沉三维几何模型，使用非结构化网格技术进行网格划分，计算湍流模型采用RNG模型的k-ε方程，压力-速度耦合采用Simple算法，各参数的离散均采用二阶精度的迎风格式。最终得到不同结构参数条件下，流道型不锈钢热沉换热性能参数及温度均匀性分布。最终确定的热沉结构参数如下：不锈钢换热板厚度为1mm-2.5mm，流道宽度50mm～80mm，两块不锈钢换热板间最大胀起高度5mm-15mm。

图2是本发明另一实施方式的流道型不锈钢胀板热沉结构示意图。该流道型不锈钢胀板热沉加工过程如下：第一步，胀板的所有焊缝及开孔边缘必须使用激光自动焊机完成。首先加工人员将事先设计好的胀板图纸输入到自动焊机程序中，通知焊机将要完成的焊接图形。然后将胀板放置在自动焊机上，启动焊机，进行激光自动焊。第二步，进行胀板的进液总管和出液总管的焊接工作，由焊工手动焊接完成，根据图纸准备好相应尺寸的进管材(均为不锈钢管)，完成氩弧焊。第三步，进行胀板充胀工作。为了保证胀板在充胀过程中不变形，维持其平面平整度，需要用事先加工好的工装将胀板四条边固定。第四步，准备水泵、高压软管、压力表、安全阀和手阀，并与胀板的进出液总管连接起来形成回路。首先，打开手阀，将胀板充压到0.3MPa，保压10分钟，再冲压到0.6MPa，保压10分钟，再依次分别升至0.9MPa,1.2MPa，1.5MPa,1.8MPa,2.0MPa，在每个阶段均保压10分钟。保压过程中使用游标卡尺测量胀板的鼓胀高度，达到设计鼓胀高度后，待鼓胀成型即可停止充胀工作。充胀完成后，向胀板热沉充入高温氮气进行干燥处理，吹除残留在流道内部的水汽。

对于这种实施方式的流道型不锈钢胀板热沉，流体经进液总管进入第1条流道，然后按照顺序依次流入第2条、第3条流道…最后一条流道，液体在流道中交错串联流动，最后进入出液总管，最后流出热沉。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (7)

1.流道型不锈钢胀板热沉，其通过将两块不锈钢换热板四周密封焊接后弯成需要的形状，两块不锈钢换热板中间形成若干高度为5mm-15mm的夹层结构；宽度为3-5mm的直焊缝按照50mm-90mm的间距均匀并列布置在两块不锈钢换热板中间，以形成流道型流道。

2.如权利要求1所述的流道型不锈钢胀板热沉，其中，流道两侧分别贯通设置有进液管和出液管，直焊缝分别从进液管延伸到出液管，使得冷却液体在流道内同向流动。

3.如权利要求1所述的流道型不锈钢胀板热沉，其中，最下方的流道和最上方的流道分别设置有进液管和出液管，直焊缝交错地从流道一侧延伸到靠近流道另一侧末端的位置，即第一直焊缝从流道的侧面一延伸到靠近流道的侧面二末端的位置，则与其相邻的第二直焊缝交错地从流道的侧面二延伸到靠近流道的侧面一末端的位置，而与第二直焊缝相邻的第三直焊缝采用与第一直焊缝相同的方式延伸，使得冷却液体在流道内交错往复流动。

4.如权利要求2或3所述的流道型不锈钢胀板热沉，其中，上述两种流道型不锈钢胀板热沉均采用激光自动焊机加工焊缝，经水压充胀而成。

5.如权利要求4所述的流道型不锈钢胀板热沉，其中，根据流道的胀起高度，水压约为2MPa，分次增加压力，最后将不锈钢夹层胀起到相应高度。

6.如权利要求5所述的流道型不锈钢胀板热沉，其中，胀起到相应高度后，在热沉中冲入高温氮气进行干燥处理，吹除残留在流道内部的水汽。

7.如权利要求2或3所述的流道型不锈钢胀板热沉，其中，不锈钢换热板厚度为1mm-2.5mm，流道宽度50mm～80mm，两块不锈钢换热板间胀起高度5mm-15mm。