CN105578850B - 微小卫星单机的磁性流体微通道热控系统 - Google Patents

Abstract

微小卫星单机的磁性流体微通道热控系统，它涉及一种应用于微小卫星内的基于微通道热控系统，以解决现有微小卫星热控系统温控性差，单机主动散热性差以及无法实现对微小卫星内有效热利用的问题，它包括电磁泵、磁性流体管道、热端磁性流体微通道和冷端磁性流体微通道；电磁泵的出口通过磁性流体管道与热端磁性流体微通道的入口连通，电磁泵的入口通过磁性流体管道与冷端磁性流体微通道的出口连通，热端磁性流体微通道的出口通过磁性流体管道与冷端磁性流体微通道的入口连通。本发明用于航天器。

Description

微小卫星单机的磁性流体微通道热控系统

技术领域

本发明涉及一种应用于微小卫星内的基于微通道热控系统，以磁性流体为工质，在微小的空间内实现单机局部的主动热控。

背景技术

传统的热控系统分为不具温度调节能力的被动热控技术和可依据温度要求能主动改变换热特性的主动温控两种类型。目前，航天器大多采用以被动为主、主动为辅的热控设计方案。被动热控主要依靠涂层、多层隔热材料和单机的特殊布置等，通过单一的渠道控制散热面对外的辐射热量。主动热控大多是在某些部位添加加热片，进而选择性地加热这些部位，但难以实现冷却控制。

近年来，随着卫星向着微小型化发展，传统热控方案的弱点越来越明显。第一、由于星内单机向着体积小型化、多功能集成化发展，单机单位体积的产热量明显增多。如果传统方案不能够使热量及时有效地散出去，那么单机将会由于温度过高而影响其性能，甚至损坏。这也是微小卫星热设计中的主要约束因素。第二、由于质量减小，比表面积增大，卫星的热惯性降低。当卫星进入轨道阴影时，外热流和单机的功率会产生突变，这时单机的温度将会产生较大的波动，如果不能及时有效实现热控，很容易使单机局部产生较大热应力，影响系统稳定性。第三、由于星内空间变小，各单机功耗的差距增大，会使得以温度均一化为原则布置单机的方案的难度增大。第四、微小卫星对星载能源的利用率和电源的质量要求都很苛刻，所以先进设计方案要求做到节能高效，而传统的主动热控大多只是在某些部位添加电加热片，无法实现对微小卫星内的有效热管理。

目前，针对以上传统方案在微小卫星热控设计中存在的问题，已经提出了一些新型的主动热控方案，其中包括：智能电加热器、智能型热涂层、微型百叶窗等方案。虽然这些方案在一定程度上起到了作用，但是并不能完全有效地解决传统方案中的问题。智能型电加热器虽然可以解决单机功率变化带来的问题，但是不能把星内其他单机的余热利用起来，不符合先进的热设计思想；智能型热涂层和微型百叶窗方案通过改变散热面的有效辐射来实现卫星内的热控制；但改变散热面的换热量，往往会同时影响该散热面附近的多个单机，不能针对某个需要控温的单机实现主动热控，在控温方面不够灵活。

发明内容

本发明是为解决现有微小卫星热控系统温控性差，单机主动散热性差以及无法实现对微小卫星内有效热利用的问题，进而提供一种微小卫星单机的磁性流体微通道热控系统。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

本发明的一种微小卫星单机的磁性流体微通道热控系统包括电磁泵、磁性流体管道、热端磁性流体微通道和冷端磁性流体微通道；

电磁泵的出口通过磁性流体管道与热端磁性流体微通道的入口连通，电磁泵的入口通过磁性流体管道与冷端磁性流体微通道的出口连通，热端磁性流体微通道的出口通过磁性流体管道与冷端磁性流体微通道的入口连通。

本发明的有益效果是：

1、微通道热控结构换热效率高、能耗低、控温灵敏、节省空间。微通道热控结构具有很高的表面积-体积比，致使磁性流体与微通道单位体积的接触面积远大于常规通道，这种微尺度效应极大提高了换热效率，且在较低流速下也可以达到很好的换热效果；此外大多数磁性流体在微通道内流动时会产生边界速度滑移，流动阻力变小，能耗降低；由于微通道热控结构的体积和质量小，热惯性低，且磁性流体导热性好，所以磁性流体微通道热控结构可以快速响应环境提出的热控需求，实现灵敏热控；微小卫星对其内部空间的利用效率要求非常苛刻，而微通道热控结构不仅尺寸小，而且可以镶嵌在结构板内，简化系统设计，节省空间，实现微小卫星关键单机可靠散热。单机体积小、功耗大、工作时间长、卫星整体结构紧凑、散热渠道单一等因素，造成关键单机局部温度过高，本发明的换热结构简单、换热效率高，可以有效地解决单机局部温度过高的问题。微通道换热结构具有很大的比表面积，磁性流体与单位体积微通道接触的面积远大于常规尺寸，系统有效换热系数高。微通道换热能力高达100-150W/cm²，而常规尺寸的换热能力只有10-20W/cm²，可见本方案可以在小空间内实现高效的散热效果。

2、实现微小卫星关键单机主动散热。目前卫星散热方案大多为被动散热，即通过表面涂层材料、安装方式等卫星设计之初的固定模式进行被动散热，在卫星实际工作过程中，温度调节性能差。本发明可以有效解决单机实际工作过程中温度控制问题，通过调节电极电压改变微通道系统的换热效率，进而有效控制系统散热量多少，实现星载单机主动散热量化控制。

3、实现微小卫星关键单机制冷、制热双重主动热控。卫星内单机工作时间变动、卫星向日背日姿态变化等原因，造成单机工作环境温度波动较大，有时需要强化散热，有时需要辅助加热以避免单机损坏。本发明的热端磁性流体微通道和冷端磁性流体微通道可以根据其所处区域的温度的相对高低，实现热端和冷端的功能转换。比如星载电源管理器，处于向日面时，局部可达30多摄氏度；处于被日面时，局部可达零下10摄氏度，最大温差高达40摄氏度，如果结合卫星结构合理布置热端和冷端磁性流体微通道，可以实现当电源管理器处于向日面时，将多余热量带走；当处于背日面时，为其补充热量，达到双重主动热控效果。

4、降低星内局部温度梯度，增强结构稳定性。不同单机功耗、材料、工作时间等不同，造成微小卫星内局部较大温度梯度，进而产生热应力，影响运行稳定性。本发明中的热控结构包括热端和冷端磁性流体微通道，两端的形状和安装位置的自由度很大，可以根据单机的热控需要，结合卫星整体结构，灵活布置热端和冷端的位置，实现星内局部温度的有效调节，降低温度梯度，增强结构稳定性。此外，本设计可以有效减少热效应对卫星整体结构设计的约束。

5、节约卫星热控能耗。提高微小卫星对星载能源的利用率是降低运行成本、延长整星寿命的关键。因本发明的磁性流体微通道可以依据局部温度的变化实现热端和冷端的功能转换，因此，结合卫星整体设计，可以通过合理布置磁性流体微通道位置，将高温单机多余热量传给有待加热的低温单机，实现星内热能的合理分配管理，减少使用额外加热元件，有效降低卫星热控能耗。本发明提出的磁流体微通道热控设计方案，不仅能有效地解决传统方案应用在微小卫星上时的诸多问题，而且具有小巧灵活、简单高效、节能稳定等优点。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为磁流体微通道结构示意图；

图3为电磁泵结构示意图；

图4为电磁泵电场和磁场分布示意图；

图5为电磁泵工作时洛伦兹力分布示意图；

图6为电磁泵驱动下磁性流体管道速度场分布图；

图7为实施例结构示意图；

图8为实施例温度分布图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图3说明，本实施方式的微小卫星单机的磁性流体微通道热控系统，它包括电磁泵1、磁性流体管道2、热端磁性流体微通道3和冷端磁性流体微通道4；

电磁泵1的出口通过磁性流体管道2与热端磁性流体微通道3的入口连通，电磁泵1的入口通过磁性流体管道2与冷端磁性流体微通道4的出口连通，热端磁性流体微通道3的出口通过磁性流体管道2与冷端磁性流体微通道4的入口连通。

电磁驱动磁性流体工质换热设计，工质热性能优越、驱动装置简单紧凑、调节方便高效、空间结构适应性强。磁性流体一般具有较高的热导率，比如液态金属汞的导热系数为8.34W/(K·m)，镓的导热系数可达30W/(K·m)，热性能优越；驱动装置如附图2所示，只需要两块小型的永磁体或电磁铁，两个镶嵌在管壁内的电极，做好电绝缘和防漏磁处理后封装起来即可，体积小，结构简单；磁流体速度的大小和电极两端的电压成正比，流速越大换热效率越高，所以可以通过调节电极两端的电压来实现换热能力的连续调节控制，方便高效；磁性流体驱动装置可以根据空间的需要做成各种形状和尺寸，且可以采用多个串联方式使用，尤其适于微小卫星内紧凑的空间布局。此外，该驱动装置不需要额外运动部件，节约成本、节约空间、无力学干扰、可靠性强，足以保证完成卫星关键部件长期稳定热控任务。

具体实施方式二：本实施方式的磁性流体管道2内的磁性流体为盐水或液态金属汞或液态金属镓或液态镓基合金。如此设置，盐水或液态金属或金属基合金的电导率、磁导率和热导率较大，液态金属或金属基合金的运动粘度小，流动阻力小，换热效率较大，满足设计要求和实际需要，液态金属汞的导热系数为8.34W/(m·K)，镓的导热系数可达30W/(m·K)。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式的热端磁性流体微通道3为硅或铜材料。如此设置，硅或铜材料的导热性好。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式的冷端磁性流体微通道4为硅或铜材料。如此设置，硅或铜材料的导热性好。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图2说明，本实施方式的热端磁性流体微通道3的扁平管为矩形管，矩形管内的多个微流道A的横截面为矩形或梯形。如此设置，满足热交换的需要。其它与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：结合图2说明，本实施方式的冷端磁性流体微通道4的扁平管为矩形管，矩形管内的多个微流道A的横截面为矩形或梯形。如此设置，表面积-体积比较大，磁性流体与微通道单位体积的接触面积远大于常规通道，微尺度效应极大提高了换热效率，且在较低流速下也可以达到很好的换热效果，满足热交换的需要。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图3说明，本实施方式的电磁泵1包括非磁性管1-1、两个电极1-2和两个永磁体1-3；非磁性管1-1的横截面为矩形，非磁性管1-1的厚度方向的两侧面各镶嵌有与非磁性管内的磁性流体光滑接触的一个电极1-2，非磁性管1-1的长度方向的两侧面各安装有一个永磁体1-3，两个电极1-2和两个永磁体1-3位于同一个平面上，每个永磁体1-3的外表面涂有电绝缘层。如此设置，体积小，结构简单，本实施方式的电磁泵可采用多个串联方式使用，尤其适用于微小卫星内紧凑空间布局，电磁泵1内的磁性流体可采用盐水或液态金属汞或液态金属镓或液态镓基合金此外，本实施方式电磁泵不需要额外运动部件，节约成本和空间，无力学干扰，可靠性强，足以保证完成卫星关键部件长期稳定热控任务。其它与具体实施方式一、二、四或六相同。

具体实施方式八：结合图3说明，电极1-2采用铜电极或铝电极。如此设置，铜电极和铝电极电导率高，非磁性管与磁性流体和电极接触处为电绝缘处理，满足实际需要。其它与具体实施方式七相同。

工作原理

电磁泵、磁性流体主管道、热端磁性流体微通道和冷端磁性流体微通道4部分构成了一个封闭环路，封闭环路内腔充满磁性流体。当电极两端施加一定的电压时，电磁泵内会产生流经磁流体的电流，方向从电极的正极经流体指向负极。两块磁体在磁性流体中产生垂直于电流方向的均匀磁场，如附图4所示。图4中水平方向箭头表示电流分布走向，竖直方向箭头表示磁通量分布走向；根据右手定则，电磁泵会在垂直于电流和磁场正交面方向上产生洛伦兹力，如附图5所示，力的大小与磁通量密度和电流密度的大小成正比。洛伦兹力作为流体的体积力驱动流体沿管路方向流动，速度场分布如图6，图6中由上至下速度逐渐减小。当流体流经热端磁性流体微通道时，因微通道有很大的比表面积，可以实现高效对流换热，吸收大量的热量，促使热端温度降低，流体温度升高；当流体沿管路流经冷端磁性流体微通道时，同理通过高效对流换热将热量传给冷端，流体温度降低，再经电磁泵循环流动，实现持续有效热控。

实施例

实例如图1和图7所示，热端磁性流体微通道(2cm×2cm的矩形管)安装在功率为20W的单机上，冷端磁性流体微通道(2cm×2cm的矩形管)定壁温为0摄氏度，以盐水为磁性流体工质，电极电压为60V，经计算得温度分布如图8所示，热端磁性流体微通道最高温在13摄氏度左右。图8中左侧段的温度高于右侧段的温度。

实例方案并未达到最优化，换热效率和磁性流体、微通道结构、电极电压、磁体磁性强弱等因素有关。本算例的磁性流体为盐水，根据需要可将其换成汞、镓和镓基合金等低熔点液态金属，这些液态金属的电导率、磁导率和热导率都要比盐水大很多，而且运动粘度小，流动阻力小，所以换热效率要比盐水大很多；微通道结构横截面的形状、大小，通道个数都会影响换热效果，不同的情况下存在不同的最佳值；流过磁性流体的电流越大，磁场强度越大，流速会随着增强，则换热效率越好，考虑能耗问题，结合实际问题优化设计。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.微小卫星单机的磁性流体微通道热控系统，其特征在于：它包括电磁泵(1)、磁性流体管道(2)、热端磁性流体微通道(3)和冷端磁性流体微通道(4)；

电磁泵(1)的出口通过磁性流体管道(2)与热端磁性流体微通道(3)的入口连通，电磁泵(1)的入口通过磁性流体管道(2)与冷端磁性流体微通道(4)的出口连通，热端磁性流体微通道(3)的出口通过磁性流体管道(2)与冷端磁性流体微通道(4)的入口连通；热端磁性流体微通道(3)的扁平管为矩形管，矩形管内的多个微流道(A)的横截面为矩形或梯形；冷端磁性流体微通道(4)的扁平管为矩形管，矩形管内的多个微流道(A)的横截面为矩形或梯形。

2.根据权利要求1所述的微小卫星单机的磁性流体微通道热控系统，其特征在于：磁性流体管道(2)内的磁性流体为盐水或液态金属汞或液态金属镓或液态镓基合金。

3.根据权利要求1或2所述的微小卫星单机的磁性流体微通道热控系统，其特征在于：热端磁性流体微通道(3)为硅或铜材料。

4.根据权利要求3所述的微小卫星单机的磁性流体微通道热控系统，其特征在于：冷端磁性流体微通道(4)为硅或铜材料。

5.根据权利要求1、2或4所述的微小卫星单机的磁性流体微通道热控系统，其特征在于：电磁泵(1)包括非磁性管(1-1)、两个电极(1-2)和两个永磁体(1-3)；非磁性管(1-1)的横截面为矩形，非磁性管(1-1)的厚度方向的两侧面各镶嵌有与非磁性管内的磁性流体光滑接触的一个电极(1-2)，非磁性管(1-1)的长度方向的两侧面各安装有一个永磁体(1-3)，两个电极(1-2)和两个永磁体(1-3)位于同一个平面上，每个永磁体(1-3)的外表面涂有电绝缘层。

6.根据权利要求5所述的微小卫星单机的磁性流体微通道热控系统，其特征在于：电极(1-2)采用铜电极或铝电极。