CN104803011A - 月球车温控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种月球车温控系统，包括自循环流体回路、相变材料储能装置和太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置，自循环流体回路包括储液罐、液体管路、多孔芯蒸发器、气体管路以及连接在液体管路上的毛细管温控流量阀；相变材料储能装置包括储能箱以及储能箱内的相变材料，多孔芯蒸发器位于储能箱内；太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置包括真空管以及真空管内的相变传热工质，真空管包括吸热蒸发区和放热冷凝区，放热冷凝区位于储能箱的相变材料内，在放热冷凝区设置有树状分枝肋片结构。本发明温控系统保持月球车体的热平衡，无需电源供给即可实现热量的高效传输，大大增加月球车的月夜供热安全性和长期稳定运行，为月球车提供可靠温控效果。

Description

月球车温控系统

技术领域

本发明涉及一种月球车温控系统，具体涉及的是一种基于月面g/6重力自循环流体回路和相变材料的月球车温控系统。

背景技术

作为月球车的一个重要组成部分，温控系统通过控制月球车内外的热交换过程，使得月球车内的宇航员和电源、综合电子、移动、导航、测控等分系统的温度水平处于规定范围之内，进而保障月球车安全、高效地开展探月活动。

月球的昼夜时间各长达约14天，昼夜温差大，白昼温度高达150℃，夜间可下降到-180℃，月球车在这样的热环境下，昼夜温差很大，通过包裹隔热层和设置散热板等传统方法可以有效降低月昼期间月球车内部温度，但是月夜期间，月球车对外辐射散热会导致内部温度很低，甚至低于月球车内部设备(如电源、综合电子)的生存温度，导致仪器设备损坏不能继续工作，所以温控系统面临的最大挑战是如何在没有能源供给的情况下帮助月球车度过长达14个地球日的月夜，确保巡视器中的仪器设备处于适宜的温度水平。美国的月球探测器使用携带大量电池加热的方式帮助仪器度过月夜，俄罗斯则采用“同位素热源(RHU)和密封舱内对流”的方法来控制仪器设备的温度。携带大量电池增大能源的消耗的同时也大大增加了月球车的质量，提高发射成本。采用同位素热源加热的方法对月球车月夜供热安全性、可靠性带来威胁。

为此，本发明用所述的相变储能装置将月昼太阳辐射热量储存至月夜加热所述的月球车仪器设备，充分利用月昼热量为月夜月球车的辐射散热做热补偿，保持月球车体的热平衡，无需电源供给即可实现热量的高效传输，大大增加月球车的月夜供热安全性，基于月面g/6重力的自循环流体回路保证本发明能够长期稳定运行，为月球车提供可靠温控效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供了一种无需电源供给通过利用月昼太阳能辐射热维持月夜月球车工作温度的月球车温控系统，该系统可以对月球车体进行合理热补偿，长期稳定实现热量的高效传输，提高设备安全性和可靠性。

技术方案

为解决月球车月夜温控系统存在的上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种月球车温控系统，其特征在于：包括自循环流体回路、相变材料储能装置和太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置，所述自循环流体回路包括储液罐、液体管路、多孔芯蒸发器、气体管路以及连接在所述液体管路上的毛细管温控流量阀，所述多孔芯蒸发器包括液体入口、气体出口以及连接液体入口和气体出口之间的内置有吸液芯的平行通道；所述液体管路连接在多孔芯蒸发器的液体入口和储液罐的出口之间，所述气体管路穿过月球车的仪器设备箱并连接在多孔芯蒸发器的气体出口于储液罐的入口之间，在所述储液罐内设置有循环流体；所述毛细管温控流量阀包括阀门以及控制所述阀门打开或关闭的毛细管温控装置，该毛细管温控装置包括感温端和控制端，所述感温端位于所述仪器设备箱内，所述控制端连接所述阀门；所述相变材料储能装置包括储能箱以及储能箱内的相变材料；所述多孔芯蒸发器位于所述储能箱内；所述太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置包括真空管以及真空管内的相变传热工质，所述真空管包括吸热蒸发区和放热冷凝区，所述放热冷凝区位于所述储能箱的相变材料内，在所述放热冷凝区设置有树状分枝肋片结构。

所述树状分枝肋片结构包括N级分枝肋片，上下级分枝肋片的直径之比为N^-1/Δ，其中Δ为直径维数取大于等于7/3且小于等于3的实数；上下级分支流道的长度之比为N^-1/d，d为长度维数取大于1且小于等于2的实数，与所述冷凝区真空管连接的第一级肋片为空心肋片，所述相变传热工质在真空管和空心肋片内循环。

所述毛细管温控装置的感温端为一温度传感器。

所述毛细管温控装置的控制端为一应力感应活塞，在应力感应活塞与温度传感器之间填充有感温传压介质。

所述感温传压介质为甲醇或丙酮。

所述多孔芯蒸发器还包括液体分流器和蒸气汇集器，在液体分流器上设置有液体入口，在蒸汽汇集器上设置有气体出口，所述平行通道连接在液体分流器和蒸汽汇集器之间。

所述循环流体是氨或乙醇。

所述相变传热工质是氨或乙醇。

本发明公开了一种月球车温控系统，包括自循环流体回路、相变材料储能装置和太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置。其中，自循环流体回路包括储液罐、毛细管温控流量阀、液体管路、多孔芯蒸发器和气体管路等部分。月昼期间，太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置在月球车外部吸收太阳辐射热，通过浸没在相变材料中的冷凝区树状分枝肋片传热给相变材料，相变材料吸热发生相变，将热量储存在月球车内部所述的相变材料储能装置中。月夜期间，相变材料储能装置加热所述的多孔芯蒸发器中的循环流体使其气化，气态循环流体沿着所述的气体管路流至月球车中需要加热的仪器设备，放热冷凝至液态，在月面g/6重力作用下回流至储液罐，液态循环流体流经所述的毛细管温控流量阀，通过液体管路流至多孔芯蒸发器中吸热气化，完成月球车温控循环。

月面具有引力，其加速度约为g/6，循环流体在多孔芯蒸发器中吸热气化，储液罐内仍有一定液态循环流体存在，回路两侧形成液面高度差Δh。

两侧工质状态不同导致存在密度差，液态管路循环流体平均密度为ρ₁，气态管路循环流体平均密度为ρ₂，则回路中的驱动压力ΔP_d即为:

$\mathrm{\Δ}{P}_d=({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2)\mathrm{\Δh}\frac{g}{6}---\left(1\right)$

在此驱动力下，循环流体即可循环运行起来。工质在循环回路的各个部分的流动会产生阻力。液体管路产生的阻力为ΔP₁，多孔芯蒸发器的阻力为ΔP_k、气体管路的阻力为ΔP₂，冷凝管路的阻力为ΔP₃，则循环回路的总的阻力ΔP_z为：

ΔP_z＝ΔP₁+ΔP_k+ΔP₂+ΔP₃   (2)

当回路中形成的驱动压力ΔP_d大于等于阻力ΔP_z，回路无需额外动力就可以循环运行。

毛细管温控流量阀开度受到温度传感器信号控制。温度传感器放置于月球车设备箱(如电源、综合电子设备等)内部，可以设计当检测到月球车内部设备温度低到某一限度时，毛细管内工质收缩到一定程度，管内压力降低，打开毛细管温控流量阀，循环流体流过毛细管温控流量阀开始循环过程。当月球车温度高于某一限度时，毛细管内工质膨胀到一定程度，管内压力升高，关闭毛细管温控流量阀，循环回路终止。所以在月昼期间月球车设备温度较高，无需供热保温，毛细管温控流量阀关闭，相变材料保温装置处蓄热阶段；月夜期间，月球车设备温度降低，需要加热保温时所述的毛细管温控流量阀打开，自循环流体回路开始工作，将热量从相变材料保温装置中高效地输送至月球车设备，维持设备的热平衡，起到保温的作用。

相变材料储能装置由相变材料和保温装置组成，月昼期间通过太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置浸没其中的肋片吸热，相变材料发生相变储存热量。月夜期间相变材料储能装置加热循环流体，即成为月球车月夜温控系统的热源。肋片区无传热工质，隔断相变材料储能装置与太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置传热，减少相变材料储能装置月夜散热，提高其隔热性能。

太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置由冷凝区、吸热蒸发区、相变传热工质和真空保护层等部分组成，冷凝区由四级树状分枝肋片结构组成。月昼期间太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置处于工作状态，相变传热工质在吸热蒸发区吸收太阳辐射热发生相变，密度的变化导致气态相变传热工质向上流动，流到浸没在相变材料内的树状分枝散热肋片组成的冷凝区放热，冷凝至液态，在月面g/6重力作用下，回流至吸热蒸发区，完成太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置吸热放热循环过程。月昼期间该装置能够持续稳定向相变材料储能装置输送热量。月夜期间，太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置将向外空间辐射散热，真空保护层可以起到减少辐射散热量的作用，由于温度降低，相变传热工质蒸发量减少，在树状分枝肋片区的吸热量也大大减少，减少月夜热量散失。

冷凝区的树状分枝肋片结构分为N级，每级连接着分枝数M×N的下一级肋片，上下肋片的夹角为60度。上下级分枝肋片的直径之比为N^-1/Δ，其中Δ为直径维数。上下级分支流道的长度之比为N^-1/d(d长度维数取大于1且小于等于2的实数)。第一级分枝肋片为空心结构，直接与相变传热工质流动通道连通，气态的相变传热工质可以流入其中；第二级分枝肋片也是空心结构并与第一级分枝肋片直接连通；第三级分枝肋片和第四级分枝肋片为实心结构，为金属散热片，提高散热能力。

多孔芯蒸发器由液体分流器、平行圆柱通道和蒸气汇集器组成，平行圆柱通道内布置吸液芯。多孔芯蒸发器浸没在相变材料储能装置中，月昼期间，多孔芯蒸发器内无循环流体，处于非工作状态；月夜期间，自循环流体回路工作，液态流体工质经液体分流器分流至圆柱通道内，多个平行圆柱通道可以增大循环流体与相变材料的接触面积，增强换热能力，所述平行圆柱通道内的吸液芯可以使液态循环流体充分利用圆柱通道上部气态循环流体空间，增大热量传输效率。

有益效果

本发明涉及的是一种月球车温控系统，该系统利用相变材料相变特性在月昼期间储存的太阳辐射热量，月夜为加热月球车的低温设备箱(如电源、综合电子等)提供热源，实现月昼月夜的热补偿，充分利用月球热环境维持月球车内热平衡，节省能源。基于月面g/6重力的自循环流体回路无需电源供给即可实现热量的高效传输，保证了温控系统的加热性能，并且用温度传感器控制阀门开度，进而控制自循环流体回路的加热量，实现热控的自动化，也提高热控精度。本发明可以在月面环境下实现月球车温控功能的长期有效运行。

附图说明

图1月球车温控系统结构示意图；

图2本发明多孔芯蒸发器结构示意图；

图3本发明太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置结构示意图；

图4本发明太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置肋片冷凝区局部结构示意图；

图5本发明毛细管温控流量阀结构示意图。

图中1.温度传感器；2.储液罐；3.毛细管温控流量阀；4.液体管路；5.多孔芯蒸发器；6.相变材料储能装置；7.太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置；8.太阳照射方向；9.气体管路；10.月球车仪器设备箱；11.蒸气汇集器；12.平行圆柱通道；13.液体分流器；14.树状分枝肋片；15.冷凝区；16.吸热蒸发区；17.相变传热工质；18.真空保护层；19.第一级分枝肋片；20.第二级分枝肋片；21.第三级分枝肋片；22.第四级分枝肋片；23.压力感应活塞；24.感温传压介质。

具体实施方式

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

图1给出了一种月球车温控系统结构示意图，包括自循环流体回路、相变材料储能装置6和太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置7。其中，自循环流体回路包括储液罐2、毛细管温控流量阀3、流体管路4、多孔芯蒸发器5和气体管路9等部分。月昼期间，太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置7在月球车外部吸收太阳辐射热，通过浸没在相变材料中的冷凝区15的树状分枝肋片结构14传热给相变材料，相变材料吸热发生相变，将热量储存在月球车内部的相变材料储能装置6中。月夜期间，相变材料储能装置6加热多孔芯蒸发器5中的循环流体使其气化，气态循环流体沿着气体管路9流至月球车中需要加热的仪器设备箱10，放热冷凝至液态，在月面g/6重力作用下回流至储液罐2，液态循环流体流经毛细管温控流量阀3，通过液体管路4流至多孔芯蒸发器5中吸热气化，完成月球车温控循环。

图2给出了多孔芯蒸发器结构示意图，多孔芯蒸发器由液体分流器13、平行圆柱通道12和蒸气汇集器11等部分组成，平行圆柱通道内布置吸液芯。多孔芯蒸发器5浸没在相变材料储能装置中，月昼期间，毛细管温控流量阀3关闭，多孔芯蒸发器5内无循环流体，处于非工作状态，此时也有助于实现相变材料储能装置6的保温功能；月夜期间，自循环流体回路工作，液态循环流体通过液体管路4流至液体分流器13，分流至平行圆柱通道12内，多个平行圆柱通道可以增大循环流体与相变材料的接触面积，增强换热能力，平行圆柱通道内的吸液芯利用毛细作用提升液面高度，可以使液态循环流体充分利用圆柱通道上部气态循环流体空间，增大热量传输效率，最后蒸发后的循环流体由蒸气汇集器11汇流至气体管路9。

图3给出了太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置7的结构示意图，月昼期间太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置7处于工作状态，相变传热工质17在吸热蒸发区吸收太阳辐射热发生相变，密度的变化导致气态相变传热工质向上流动，流到浸没在相变材料内的树状分枝散热肋片14组成的冷凝区15放热，冷凝至液态，在月面g/6重力作用下，回流至吸热蒸发区，完成太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置吸热放热循环过程。月昼期间该装置能够持续稳定向相变材料储能装置6输送热量。月夜期间，太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置将向外空间辐射散热，真空保护层18可以起到减少辐射散热量的作用，由于温度降低，相变传热工质蒸发量减少，在树状分枝肋片区的吸热量也大大减少，减少月夜热量散失。

图4给出了冷凝区的树状分枝肋片局部结构示意图。冷凝区肋片由分为N级，每级连接着分枝数M×N的下一级肋片，上下肋片的夹角为60度。上下级分枝肋片的直径之比为N^-1/Δ，其中Δ为直径维数。上下级分支流道的长度之比为N^-1/d(d长度维数取大于1且小于等于2的实数)。第一级分枝肋片19为空心结构，直接与相变传热工质流动通道联通，气态的相变传热工质可以流入其中；第二级分枝肋片20也是空心结构并与第一级分枝肋片直接连通；第三级分枝肋片21和第四级分枝肋片22为实心结构，为金属散热片。应用中四级树状分枝肋片直接整体浸没在相变材料中，大大增加了相变传热工质与相变材料的传热面积，提升了浸没在相变材料中冷凝区的传热能力，有利于热量的高效传输。

图5毛细管温控流量阀结构示意图。温度传感器由毛细管内感温传压介质24液包组成，利用感温传压介质24的热胀冷缩性能控制毛细管内压力。月昼期间，月球车仪器设备(如电源、综合电子等)的温度较高，温度传感器1内液包温度也较高，感温传压介质体积膨胀，导致毛细管内压力升高，压力传递给压力感应活塞23向左移动，关闭毛细管温控流量阀3，此时回路循环内无循环流体，整个系统处于非工作状态。月夜期间，月球车仪器设备(如电源、综合电子等)的温度降低，温度传感器1内液包温度也降低，感温传压介质体积缩小，导致毛细管内压力降低，压力传递给压力感应活塞23向右移动，打开毛细管温控流量阀3，此时在月面g/6重力下循环流体从储液罐内流出，温控系统开始工作。实际应用中，通过精确计算感温传压介质的温度压力特性，可以实现自动控制毛细管温控流量阀3开度的功能，从而实现月球车温控系统的精确稳定运行。

Claims (6)

1.一种月球车温控系统，其特征在于：包括自循环流体回路、相变材料储能装置和太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置，所述自循环流体回路包括储液罐、液体管路、多孔芯蒸发器、气体管路以及连接在所述液体管路上的毛细管温控流量阀，所述多孔芯蒸发器包括液体入口、气体出口以及连接液体入口和气体出口之间的内置有吸液芯的平行通道；所述液体管路连接在多孔芯蒸发器的液体入口和储液罐的出口之间，所述气体管路穿过月球车的仪器设备箱并连接在多孔芯蒸发器的气体出口于储液罐的入口之间，在所述储液罐内设置有循环流体；所述毛细管温控流量阀包括阀门以及控制所述阀门打开或关闭的毛细管温控装置，该毛细管温控装置包括感温端和控制端，所述感温端位于所述仪器设备箱内，所述控制端连接所述阀门；所述相变材料储能装置包括储能箱以及储能箱内的相变材料；所述多孔芯蒸发器位于所述储能箱内；所述太阳能驱动蒸发冷凝自回流换热装置包括真空管以及真空管内的相变传热工质，所述真空管包括吸热蒸发区和放热冷凝区，所述放热冷凝区位于所述储能箱的相变材料内，在所述放热冷凝区设置有树状分枝肋片结构。

2.根据权利要求1所述的月球车温控系统，其特征在于：所述树状分枝肋片结构包括N级分枝肋片(N是大于等于1的整数)，上下级分枝肋片的直径之比为N^-1/Δ，其中Δ为直径维数取大于等于7/3且小于等于3的实数；上下级分支流道的长度之比为N^-1/d，d为长度维数取大于1且小于等于2的实数，与所述冷凝区真空管连接的第一级肋片为空心肋片，所述相变传热工质在真空管和空心肋片内循环。

3.根据权利要求1所述的月球车温控系统，其特征在于：所述毛细管温控装置的感温端为一温度传感器；所述感温传压介质为甲醇或丙酮；所述毛细管温控装置的控制端为一应力感应活塞，在应力感应活塞与温度传感器之间填充有感温传压介质。

4.根据权利要求3所述的月球车温控系统，其特征在于：所述感温传压介质为甲醇或丙酮。

5.根据权利要求1所述的月球车温控系统，其特征在于：所述多孔芯蒸发器还包括液体分流器和蒸气汇集器，在液体分流器上设置有液体入口，在蒸汽汇集器上设置有气体出口，所述平行通道连接在液体分流器和蒸汽汇集器之间。

6.根据权利要求1所述的月球车温控系统，其特征在于：所述循环流体是氨或乙醇；所述相变传热工质是氨或乙醇。