CN105910479A - 一种控温型环路热管的蒸发器组件 - Google Patents

Abstract

一种控温型环路热管的蒸发器组件，包括热补偿器、N片蒸发单元以及连接管路，其中N为不小于1的正整数。热补偿器位于输入端，将环路热管中的液体工质加热至气、液两相态，N片蒸发单元通过连接管路连接构成蒸发网络，所述蒸发网络的输入端通过连接管路与热补偿器的输出端连接，蒸发网络的输出端作为蒸发器组件的输出端。本发明的蒸发器组件可保证在环路热管运行时进入各蒸发单元内的工质均为两相态工质，保证被控热源工作/非工作时温度恒定、一致，达到全周期精确控制其温度的目的。

Description

一种控温型环路热管的蒸发器组件

技术领域

本发明属于航天器热控技术领域，涉及一种用于环路热管的蒸发器组件。

背景技术

环路热管是利用毛细力驱动工质循环以传递热量的两相流体回路系统，具有热阻小、传输热量大、传热距离远、无运动部件等优点，近年来一直是倍受青睐的航天器高效热控产品之一。

通常航天器热控系统中将热辐射板用作环路热管冷凝器。然而，受空间轨道外热流的影响，冷凝器温度变化剧烈，导致进入蒸发器组件内部的液体工质和被控热源温度随之波动。如在极端低温工况下，进入蒸发单元的液体工质过冷，使被控热源在非工作状态下温度低出指标；而在被控热源工作初期，由于过冷液体相变需一定的过冷度，蒸发器单元内液体不能及时沸腾，导致被控热源温度较快升高，超出指标。即，在被控热源不工作时或工作初期，控温精度无法有效保证，这将导致控温型环路热管在航天器精密热控领域(如光学遥感器CCD器件控温)应用受限。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种控温型环路热管的蒸发器组件，可以使得在环路热管运行时工质均为两相态，保证被控热源工作/非工作时的温度恒定、一致。

本发明的技术解决方案是：一种控温型环路热管的蒸发器组件，包括热补偿器、N片蒸发单元以及连接管路，其中N为不小于1的正整数；热补偿器位于输入端，将环路热管中的液体工质加热至气、液两相态，N片蒸发单元通过连接管路连接构成蒸发网络，所述蒸发网络的输入端通过连接管路与热补偿器的输出端连接，蒸发网络的输出端作为蒸发器组件的输出端；所述的热补偿器的加热功率Q满足关系式：

$Q=\mathrm{\ξ}\·(Q_C+\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{Q}_n)$

其中Q_C为进入热补偿器的液体工质的最大过冷量，Q_n为第n个被控热源不工作时向对应蒸发单元的最大漏冷量，被控热源与蒸发单元的数量相同且一一对应，ξ为设计欲度，取1.1～1.2。

所述的热补偿器包括热补偿板和电加热器，热补偿板包括底板和顶盖，底板内侧底部设有蛇形槽道，底板和顶盖通过真空钎焊密封。所述的蒸发单元包括底板和顶盖，底板内侧底部设有蛇形槽道，底板和顶盖通过真空钎焊密封。

所述的底板和顶盖的材料均为不锈钢。所述的电加热器为聚酰亚胺薄膜电加热器。所述的蛇形槽道的底部设有凹坑。所述的凹坑直径小于等于1mm，深度大于等于0.5mm，凹坑间距小于等于2mm。所述的连接管路为外径小于等于3mm的不锈钢管。

所述的各蒸发单元的温度T_n，n＝1,2,3......N由以下公式确定：

$T_n=T_{CC}+{\mathrm{\Δp}}_n\×\frac{dT}{dp}$

其中T_CC为环路热管储液器内气液界面温度，Δp_n为第n个蒸发单元至环路热管储液器的流动阻力，是环路热管工质T-P饱和曲线的斜率。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的蒸发器组件在传统的蒸发器组件前端增置了热补偿器，在环路热管运行时，热补偿器通过加热流经其内部的液体工质，使进入各蒸发单元内的工质均为气、液两相态，保证了被控热源工作/非工作时温度恒定、一致，达到全周期精确控制热源温度的目的；

(2)本发明的蒸发器单元布局及外形尺寸根据被控热源特征匹配设计，蒸发器单元数量N根据被控热源数量确定，蒸发器单元间连接管路走向根据结构布局灵活设计，即单套蒸发器组件可同时满足多个热源控温，且布局灵活方便；

(3)本发明的热补偿板及各蒸发单元内部流体通道为蛇形结构，有利于增强换热能力及自身的均温性；且流体通道设计为并行两条通道，可满足航天器环路热管的主备份设计要求，以提高其可靠性；

(4)本发明的热补偿板及各蒸发单元内部流体通道底部设有微小凹坑，各微小凹坑均能形成汽化核心，蒸发器单元受热时，工质首先在汽化核心内发生相变并产生气泡，相近的汽化核心中产生的气泡相互扰动，最终形成核态沸腾，可极大的增强蒸发器单元内壁换热系数和热流密度。

附图说明

图1为控温型环路热管原理图；

图2为本发明蒸发器组件结构示意图；

图3为本发明热补偿板底板结构示意图；

图4为本发明热补偿板顶盖结构示意图。

具体实施方式

作为传统环路热管的改型产品，控温型环路热管实现了毛细泵与热源的分离，通过设计蒸发器组件(热源冷板组件)与热源耦合来携带热量。蒸发器组件含多个蒸发单元，由柔性管路串/并联而成，其结构简单、布局灵活；同时控温型环路热管通过控制储液器温度达到遥控被控热源温度的目的，具有控温精度高的优点。这使得环路热管应用于航天器分散式热源精密控温时的优势更显凸出。

如图1所示，控温型环路热管主要由毛细泵、副冷凝器、蒸发器组件、主冷凝器及气相管路、液相管路组成。毛细泵内毛细芯(毛细泵右端)表面受热时，表面微孔内的液体吸热蒸发，同时在内凹的蒸发界面形成毛细压差，该压差驱动使工质在回路内循环。气态工质通过气相管路到达副冷凝器，在副冷凝器中冷凝成液体并过冷，过冷液体在毛细力推动下到达蒸发器组件。在蒸发器组件内，过冷液体工质首先到达热补偿器，被热补偿器加热至气、液两相态，两相态工质通过连接管路依次流经蒸发器单元，液态工质吸收被控热源产生的废热并进一步汽化。工质汽化后再次流经主冷凝器冷凝成液体并过冷，最后回流到毛细泵形成一个回路。精确控制储液器(毛细泵左端)温度可有效稳定环路热管系统压力及蒸发器单元冷板内流体工质的相变温度，达到精确控制被控热源温度的目的。

如图2所示，蒸发器组件由热补偿器和N片蒸发器单元组成，其中N为大于等于1的整数。蒸发器单元数量N由被控热源数量确定，通常单个被控热源设置1个蒸发器单元。在满足所有蒸发器单元所产生的总流动阻力，与环路热管毛细泵所能提供的最大毛细驱动力匹配的基础上，蒸发器单元数量可以足够多。热补偿器布置于蒸发器组件前端，热补偿器又包括热补偿板和电加热器，电加热器可选用聚酰亚胺薄膜电加热器，采用硅橡胶粘帖在热补偿板表面。根据能力守恒原理，电加热器功率需足够大，以保证进入其内部的过冷液体工质能够被加热至两相态，同时能够避免被控热源不工作时温度过低导致各蒸发器单元内部的两相态工质被冷却成过冷液体。电加热器功率由以下公式确定：

$Q=\mathrm{\ξ}\·(Q_C+\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{Q}_n)---\left(1\right)$

其中，Q_C为进入热补偿器的液体工质的最大过冷量，Q_n为第n个被控热源不工作时向蒸发单元的最大漏冷量，N为热源总数量，ξ为设计欲度，取1.1～1.2。

热补偿板的外形尺寸需在满足电加热器功率密度上限值的基础上尽量小。蒸发器单元外形尺寸需在满足与被控热源贴合面积设计值的基础上尽量小。热补偿器及蒸发器单元间的管路管径、轨迹根据结构布局灵活设计，通常管径不大于3mm，保证管路柔性，管路弯曲半径不小于管路直径的3倍，防止管路弯曲时发生机械损伤或内孔阻塞。

热补偿板、各蒸发单元均由底板和顶盖组成(两层板)，材料均为不锈钢，通过机械加工成型，两者焊接密封。如图3所示，底板内侧均设计两条(主/备)并行的蛇形槽道，槽道底部设计凹坑以增强沸腾换热系数，凹坑的尺寸及间距对沸腾换热效果的贡献大小有一定影响，在综合考虑机械加工工艺，通常凹坑直径小于等于1mm、深度大于等于0.5mm，凹坑间距小于等于2mm。顶盖如图4所示，顶盖外形与底板内蛇形槽道外形进行匹配设计。底板和顶板密封装配后构成内部的流体通道。

连接管路可选用外径Φ2mm或Φ3mm的不锈钢管，连接管路与热补偿板、蒸发单元之间真空钎焊装配。

控温型环路热管系统内各部位两相工质的饱和温度均由储液器温度和该部位到储液器的流动阻力决定，各蒸发单元的温度T_n，n＝1,2,3......N由以下公式确定：

$T_n=T_{CC}+{\mathrm{\Δp}}_n\×\frac{dT}{dp}---\left(2\right)$

其中T_CC为环路热管储液器内气液界面温度，Δp_n为第n个蒸发单元至储液器的流动阻力，是环路热管工质T-P饱和曲线的斜率。

通常控温型环路热管所选择工质在T-P饱和曲线上任一点的斜率都非常小，因此式(2)中第二项的值也很小，即控温型环路热管系统内各部位两相工质的饱和温度主要由储液器温度决定。根据本发明蒸发器组件的设计，进入蒸发器单元内部工质均为两相态，因此通过精确控制储液器温度便可达到精确控制各蒸发器单元的温度。以氨工质为列，设控温型环路热管储液温度控制在20℃，第n片蒸发单元到储液器的流动压力在10KPa内变化，则第n片蒸发单元温度为20℃～20.4℃。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种控温型环路热管的蒸发器组件，其特征在于包括：热补偿器、N片蒸发单元以及连接管路，其中N为不小于1的正整数；热补偿器位于输入端，将环路热管中的液体工质加热至气、液两相态，N片蒸发单元通过连接管路连接构成蒸发网络，所述蒸发网络的输入端通过连接管路与热补偿器的输出端连接，蒸发网络的输出端作为蒸发器组件的输出端；所述的热补偿器的加热功率Q满足关系式：

$Q=\mathrm{\ξ}\·(Q_C+\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{Q}_n)$

其中Q_C为进入热补偿器的液体工质的最大过冷量，Q_n为第n个被控热源不工作时向对应蒸发单元的最大漏冷量，被控热源与蒸发单元的数量相同且一一对应，ξ为设计欲度，取1.1～1.2。

2.根据权利要求1所述的一种控温型环路热管的蒸发器组件，其特征在于：所述的热补偿器包括热补偿板和电加热器，热补偿板包括底板和顶盖，底板内侧底部设有蛇形槽道，底板和顶盖通过真空钎焊密封。

3.根据权利要求2所述的一种控温型环路热管的蒸发器组件，其特征在于：所述的蒸发单元包括底板和顶盖，底板内侧底部设有蛇形槽道，底板和顶盖通过真空钎焊密封。

4.根据权利要求2或3所述的一种控温型环路热管的蒸发器组件，其特征在于：所述的底板和顶盖的材料均为不锈钢。

5.根据权利要求2或3所述的一种控温型环路热管的蒸发器组件，其特征在于：所述的电加热器为聚酰亚胺薄膜电加热器。

6.根据权利要求2或3所述的一种控温型环路热管的蒸发器组件，其特征在于：所述的蛇形槽道的底部设有凹坑。

7.根据权利要求6所述的一种控温型环路热管的蒸发器组件，其特征在于：所述的凹坑直径小于等于1mm，深度大于等于0.5mm，凹坑间距小于等于2mm。

8.根据权利要求2或3所述的一种控温型环路热管的蒸发器组件，其特征在于：所述的连接管路为外径小于等于3mm的不锈钢管。

9.根据权利要求2或3所述的一种控温型环路热管的蒸发器组件，其特征在于：所述的各蒸发单元的温度T_n，n＝1,2,3......N由以下公式确定：

$T_n=T_{CC}+{\mathrm{\Δp}}_n\×\frac{dT}{dp}$

其中T_CC为环路热管储液器内气液界面温度，Δp_n为第n个蒸发单元至环路热管储液器的流动阻力，是环路热管工质T-P饱和曲线的斜率。