CN104833248A - 一种月球车辐射散热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种月球车辐射散热器，包括月球车设备以及置于月球车设备外的隔热层，在隔热层上设置有至少一个散热口，在该散热口上设置有隔热盖，在散热口与月球车设置之间还设置有流体自循环回路，该流体自循环回路包括储液罐、蒸气管路、冷凝区和液体管路，储液罐与月球车设备相连，冷凝区位于散热口下端，在冷凝区上端设置重力压力耦合驱动可伸缩波纹板，在可伸缩波纹板的表面设置有散热肋片，隔热盖设置在重力压力耦合驱动可伸缩波纹板上端。本发明可根据设备温度变化自动改变辐射散热量，可以有效实现控温功能，基于重力自循环回路无需电源供给即可实现热量的高效传输，可使本发明能够在月面环境下长期稳定运行。

Description

一种月球车辐射散热器

技术领域

本发明涉及一种月球车辐射散热器，具体涉及的是一种基于g/6重力驱动气液两相自循环回路和重力压力耦合驱动可伸缩波纹板散热片的月球车辐射散热器。

背景技术

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。月昼期间，月球车吸收大量太阳辐射热，各设备工作也会发出热功率，导致设备温度升高，甚至会超过其最高温限，造成设备的损坏。月球车月昼的散热是维持设备健康运行的重要温控环节。

传统的散热措施有热控涂层、热控百叶窗和静电热开关辐射散热器等。热控涂层是在月球车表面均匀涂覆热控涂层，但是在空间环境中，热控涂层会出现太阳吸收率退化现象，因此会造成月球车温度升高，缩短其工作寿命；热控百叶窗是一种利用低辐射率可动叶片不同程度地遮挡高辐射率的仪器散热表面来控制温度的装置，百叶窗调整过程中存在困难，运动部件容易磨损影响使用寿命，运动中可能存在共振作用，对器件造成损坏，而且温控精确度不高；静电热开关辐射散热器是基于热开关原理，在使用过程中需要消耗能量给月球车能源系统带来压力，并且对月球车温度控制精确度不足，开关的接通与断开使元件外表面发生周期性形变，长期使用会造成形变疲劳，影响热控性能。

为此，本发明用所述的月面g/6重力驱动的气液两相自循环回路，无需能源供给即可实现热量高效传输，基于重力压力驱动的可伸缩波纹板可根据设备温度有效控制辐射散热量，实现精确温控。

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，提供了一种基于月面g/6重力的能根据温度变化调整辐射散热量的气液两相自循环回路温控辐射散热器，无需电源供给即可实现热量的高效传输，并且能够在月面环境长期稳定运行。

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：

一种月球车辐射散热器，包括月球车设备以及置于月球车设备外的隔热层，其特征在于：在所述隔热层上设置有至少一个散热口，在该散热口上设置有隔热盖，在所述散热口与月球车设置之间还设置有流体自循环回路，该流体自循环回路包括储液罐、蒸气管路、冷凝区和液体管路，所述储液罐与所述月球车设备相连，所述冷凝区位于所述散热口下端，在所述储液罐内有蒸发区、泡沫金属吸液芯和气液分离器，在所述冷凝区上端设置在所述蒸汽管路气体压力作用下伸出所述散热口的重力压力耦合驱动可伸缩波纹板，在该重力压力耦合驱动可伸缩波纹板的表面设置有散热肋片，所述隔热盖设置在重力压力耦合驱动可伸缩波纹板上端。

所述散热肋片基于谢尔宾斯基地毯规则生成。

所述重力压力耦合驱动可伸缩波纹板的折叠层数为N，N为大于等于2的整数；所述重力压力耦合驱动可伸缩波纹板完全收缩时两层间的夹角为α，0°<α<60°，所述重力压力耦合驱动可伸缩波纹板完全伸开时两层间的夹角为β，90°<β<180°；所述的谢尔宾斯基地毯肋片共有M级，M为大于等于1的整数。

在所述冷凝区设置有疏水内表面，疏水内表面选用紫铜、氟碳树脂或硅树脂。

所述疏水内表面的制备方法是模板法、刻蚀法、溶胶-凝胶法或电化学反应与沉积。

所述流体自循环回路的传热流体工质是氨、丙酮或甲醇；

所述泡沫金属吸液芯是石墨泡沫或铁镍泡沫；

所述气液分离器是过滤式、碰撞式或螺旋式。

本发明公开了一种月球车辐射散热器，是一种月面g/6重力驱动流体自循环回路辐射散热装置，包括储液罐、蒸气管路、冷凝区和液体管路等部分，其中储液罐内有蒸发区、泡沫金属吸液芯和气液分离器等部分，冷凝区是由隔热层和重力压力耦合驱动可伸缩波纹板组成，所述的波纹板表面为基于谢尔宾斯基地毯规则生成的散热肋片。月夜期间，月球车内设备(如电源、综合电子等)温度很低，无需散热，与之接触的蒸发区传热流体工质吸热量较少甚至为零，无蒸气产生，流体自循环回路内压力较低，波纹板处于压缩状态，隔热层与月球车壳体隔热层相啮合，起到保温的作用，月球车辐射散热器处于休眠状态。月昼期间，月球车吸热升温，内部设备投入工作温度也相应升高，蒸发区传热流体工质开始吸热气化，蒸气流过气液分离器除去携带的液态流体工质，通过蒸气管路流至冷凝区。流体自循环回路吸热产生蒸气导致压力升高，压力将使波纹板抬升，波纹板表面伸出月球车外壳，冷凝区的蒸气得以通过谢尔宾斯基地毯肋片向空间辐射散热。月球车内部设备温度越高，所流体自循环回路吸热量越大，产生的蒸气越多，内部压力越大，波纹板被抬升的越高，冷凝区的辐射面积越大，对外散热量越多，起到了温控的作用。蒸气在冷凝区放热冷凝至液态，在月面g/6重力作用下沿着冷凝区内部疏水表面流至液体管路，再回流至储液罐，在蒸发区内继续吸热，完成月昼温控自循环。

自循环回路包括：储液罐、蒸气管路、冷凝区、液体管路等部分。回路中充入一定量传热流体工质，其他空间为真空。月夜期间无蒸发，储液罐液面与流体管路内液面持平。月昼期间，月球车设备温度升高，蒸发区液态流体传热工质吸热气化，泡沫金属吸液芯起到强化传热的作用，可以将月球车设备热量高效地传输至流体传热工质。气态流体工质密度小于液态流体工质，在月面g/6重力作用下逸出液面。液面以上为真空，蒸气逸出后将扩散到真空区域，流经所述的气液分离器，除去携带的液态流体工质，防止液态流体工质堆积在蒸气管路造成堵塞，影响回路工作性能。蒸气扩散至冷凝区，在冷凝区放热冷凝至液态，通过冷凝区疏水表面流至液体管路，蒸气持续冷凝导致冷凝区的蒸气压力小于蒸发区和蒸气管路的气压，这个压力差就是蒸气流动的动力。冷凝的液态流体工质回流至液体管路，导致液体管路中的液面高于储液罐液面，在月面g/6重力作用下，两液面将保持一致，即液态流体工质将回流至储液罐，继续蒸发，完成温控循环。

储液罐由蒸发区、泡沫金属吸液芯和气液分离器等部分组成，储液罐直接与月球车设备(如电源、综合电子等)的散热片直接接触，蒸发区布置泡沫金属吸液芯，泡沫金属以其比重小、孔隙率高、比表面积大和渗透性高的的优点可以高效地将月球车设备热量传递给流体工质，流体工质吸热气化，逸出液面的气态工质将会携带少量液态工质，为避免液态工质在蒸汽管道中积聚，在储液罐出口处设置气液分离器。储液罐将起到储存和持续供给液态流体工质的作用，在月昼期间，源源不断地吸收月球车设备多余热量，可以稳定控制月球车设备的温度。

波纹板表面为谢尔宾斯基地毯肋片结构。隔热盖材料与月球车壳体隔热材料相同，在月夜期间，辐射器处于非工作状态，重力压力耦合驱动的可伸缩波纹板在重力作用下处于收缩状态，月面g/6作用下所述的隔热盖与月球车壳体相啮合，可以实现对月球车体的保温功能。月昼期间，流体自循环回路开始工作，回路内产生蒸气压力升高，在压力作用下，波纹板将被抬升出月球车壳体表面，波纹板通过谢尔宾斯基地毯肋片直接向空间辐射散热。蒸气散热冷凝成液态，冷凝区内表面为疏水表面，有利于液态流体工质顺利回流至液体管路。循环回路内蒸汽量越大，回路压力越高，波纹板被抬升得越高，直接辐射面积越大，辐射散热量越大，即月球车设备温度越高，散热量越大，能够有效实现温控功能。

波纹板表面为谢尔宾斯基地毯肋片结构。波纹板在月夜期间收缩至夹角为α，此状态下隔热层与月球车外壳相啮合，月昼期间由所述回路内压力控制波纹板的抬升量，抬升至波纹板夹角为β，波纹板在月夜月昼两种工况转换中实现最大程度的保温和散热。谢尔宾斯基地毯肋片是一种自相似集的分形结构，取波纹板宽度w构造正方形，取每边三等分点将第一级正方形划分为九个二级正方形，取中间正方形为第一级肋片，肋片宽度为w/3，按此规则将其他八个二级正方形划分，并取第二级肋片，肋片宽度为w/9，取至第四级肋片。肋片为空心与冷凝区蒸气通道相同，增大蒸气的直接辐射散热面积，强化热量散失，实现对月球车设备的高效稳定温控功能。

冷凝区的疏水内表面采用接触角大于90°的材料制备，在理想物质表面上，当液滴达到各项平衡是，各相的表面张力与接触角之间关系可以用下式表示：

cosθ＝(γ_sv-γ_sl)/γ_lv  (1)

式中，γ_sv为固体表面在饱和蒸气下的表面张力；γ_sl固液间的界面张力；γ_lv为液体在它自身饱和蒸气压力下的表面张力。θ为固、液、气三相平衡时的接触角。当θ>90°时，认为物质表面具有疏水性质，当θ<90°时，认为物质表面为亲水性质。疏水内表面可以根据实际需要采用θ>150°的超疏水材料制备，以加快冷凝水的回流速度，防止堵塞肋片通道和蒸气通道。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明涉及的是一种月球车辐射散热器，该辐射散热器利用基于月面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，月球车设备(如电源、综合电子等)温度越高，产生的蒸气越多，回路内压力越高，波纹板散热片被抬升得越高，对空间的辐射传热量越大，良性的传热循环能够及时将月球车体内多余热量排出，在月夜波纹板隔热层与月球车壳体啮合又能起到保温作用。本发明无需电源供给，在月面g/6重力环境中可以长期稳定运行，实现对月球车设备温度的长期有效控制。

重力压力耦合驱动可伸缩波纹板可以根据温度变化条件辐射散热量，实现月昼温控月夜保温的功能，能够精确控制月球车设备温度。

附图说明

图1月球车辐射散热器布置图；

图2月球车辐射散热器两种工况下的效果示意图；

图3本发明谢尔宾斯基地毯肋片平面生成示意图；

图4本发明谢尔宾斯基地毯肋片高度生成示意图；

图5本发明谢尔宾斯基地毯肋片立体结构图；

图中1.隔热层；2.月球车设备；3.蒸发区；4.蒸气管路；5.储液罐；6.泡沫金属吸液芯；7.气液分离器；8.液体管路；9.疏水内表面；10.冷凝区；11.隔热盖；12.重力压力耦合驱动可伸缩波纹板；13.波纹板宽度初级正方形；14.一级肋片；15.二级肋片；16.三级肋片；17.四级肋片。

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给出了一种月球车辐射散热器结构示意图，用于月球车设备2(如电源、综合电子等)的散热。是一种月面g/6重力驱动流体自循环回路辐射散热装置，包括储液罐5、蒸气管路4、冷凝区10和液体管路8等部分，其中储液罐5内有蒸发区3、泡沫金属吸液芯6和气液分离器7等部分，冷凝区10是由隔热盖11和重力压力耦合驱动可伸缩波纹板12组成，波纹板12表面为基于谢尔宾斯基地毯规则生成的散热肋片。月夜期间，月球车内设备6温度很低，无需散热，与之接触的蒸发区3的传热流体工质吸热量较少甚至为零，无蒸气产生，流体自循环回路内压力较低，波纹板12处于压缩状态，隔热盖11与月球车壳体隔热层1相啮合，起到保温的作用，月球车辐射散热器处于休眠状态。月昼期间，月球车吸热升温，内部设备投入工作温度也相应升高，蒸发区3传热流体工质开始吸热气化，泡沫金属吸液芯6起到强化传热的作用，可以将月球车设备6热量高效地传输至流体传热工质。蒸发区3产生的蒸气流过气液分离器7除去携带的液态流体工质，通过蒸气管路4流至冷凝区10。流体自循环回路吸热产生蒸气导致压力升高，压力将使波纹板12抬升，波纹板12表面伸出月球车外壳，冷凝区10的蒸气得以通过所述的谢尔宾斯基地毯肋片向空间辐射散热。月球车内部设备6温度越高，流体自循环回路吸热量越大，产生的蒸气越多，内部压力越大，波纹板12被抬升的越高，冷凝区10的辐射面积越大，对外散热量越多，起到了温控的作用。蒸气在冷凝区10放热冷凝至液态，在月面g/6重力作用下沿着冷凝区10内部疏水表面9流至液体管路8，蒸气持续冷凝导致冷凝区10的蒸气压力小于蒸发区3和蒸气管路4的气压，这个压力差就是蒸气流动的动力。冷凝流体工质再回流至储液罐5，在蒸发区3内继续吸热，完成月昼温控自循环。

图2给出了冷凝区的两种比较示意图。月夜期间，月球车的保温是主要温控目标，本发明辐射散热器处于非工作状态，波纹板在月面g/6重力作用下处于压缩状态，此工况下隔热盖11与月球车外壳隔热层1能够完全啮合，月夜期间的波纹板夹角为图中α角；在月昼期间，本发明辐射散热器处于工作状态，波纹板在蒸气压力作用下被抬升，月昼辐射散热工况波纹板的夹角为β角，波纹板升高高度为Δh。所以，在月昼工作状态下，波纹板辐射面积的增大很多，能够将蒸气热量及时散发到空间中去，维持冷凝区低压状态。值得注意的是，如果从下至上给波纹板按层数编号，编号奇偶性的不同，谢尔宾斯基地毯肋片凹凸方向也不同，奇数层肋片方向外凸，偶数层肋片方向为内凹，按照此方法构造肋片，可以有效避免凝结水汇聚在肋片内，影响蒸气传热。

图3(a)～(e)给出了谢尔宾斯基地毯肋片平面生成示意图，谢尔宾斯基地毯是一种自相似集的分形结构，根据该原理构造本发明中波纹板散热肋片，取波纹板宽度w构造正方形17，取每边三等分点将第一级正方形17划分为九个二级正方形，取中间正方形为第一级肋片18，肋片宽度为w/3，按此规则将其他八个二级正方形划分，并取第二级肋片19，肋片宽度为w/9，取至第四级肋片21。肋片为空心与冷凝区蒸气通道相同，增大蒸气的直接辐射散热面积，强化热量散失，实现对月球车设备的高效稳定温控功能。

图4给出了谢尔宾斯基地毯肋片高度生成示意图，各级肋片宽度生成方法已经给出，第一级肋片高度为h₁，以后每级肋片高度都是前一级高度的1/f_x(f_x>1)，且同级肋片高度相同。

图5给出了谢尔宾斯基地毯肋片立体结构图，图5(a)为两极肋片结构图，图5(b)为三级肋片结构图。

Claims (8)

1.一种月球车辐射散热器，包括月球车设备以及置于月球车设备外的隔热层，其特征在于：在所述隔热层上设置有至少一个散热口，在该散热口上设置有隔热盖，在所述散热口与月球车设置之间还设置有流体自循环回路，该流体自循环回路包括储液罐、蒸气管路、冷凝区和液体管路，所述储液罐与所述月球车设备相连，所述冷凝区位于所述散热口下端，在所述储液罐内有蒸发区、泡沫金属吸液芯和气液分离器，在所述冷凝区上端设置在所述蒸汽管路气体压力作用下伸出所述散热口的重力压力耦合驱动可伸缩波纹板，在该可伸缩波纹板的表面设置有散热肋片，所述隔热盖设置在重力压力耦合驱动可伸缩波纹板上端。

2.根据权利要求1所述的月球车辐射散热器，其特征在于：所述散热肋片基于谢尔宾斯基地毯规则生成。

3.根据权利要求1所述的月球车辐射散热器，其特征在于：所述重力压力耦合驱动可伸缩波纹板的折叠层数为N，N为大于等于2的整数；所述重力压力耦合驱动可伸缩波纹板完全收缩时两层间的夹角为α，0°<α<60°，所述重力压力耦合驱动可伸缩波纹板完全伸开时两层间的夹角为β，90°<β<180°；所述的谢尔宾斯基地毯肋片共有M级，M为大于等于1的整数。

4.根据权利要求1所述的月球车辐射散热器，其特征在于：在所述冷凝区设置有疏水内表面，疏水内表面选用紫铜、氟碳树脂或硅树脂。

5.根据权利要求4所述的月球车辐射散热器，其特征在于：所述疏水内表面的制备方法是模板法、刻蚀法、溶胶-凝胶法或电化学反应与沉积。

6.根据权利要求1所述的月球车辐射散热器，其特征在于：所述流体自循环回路的传热流体工质是氨、丙酮或甲醇。

7.根据权利要求1所述的月球车辐射散热器，其特征在于：所述泡沫金属吸液芯是石墨泡沫或铁镍泡沫。

8.根据权利要求1所述的月球车辐射散热器，其特征在于：所述气液分离器是过滤式、碰撞式或螺旋式。