CN1079764C - 使换热面板组件在重力环境下工作的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种宇宙飞船的仪器面板(20)，它包括安装在上述面板上，能在重力为零的环境中为冷却仪器(E1、E2、E3)工作的热管(HP1、HP2、HP3)，但却不能在地球的重力环境中工作，因为，当热管处于垂直状态时，热管中的两相工作液体倾向于沉积在热管的底部。为解决这个问题的装置和方法使用了安装在一个安装框架(120)上的红外灯(IR1、IR2、IR3)，以加热上述热管的底部，使其中的工作液体蒸发，从而使得这种热管能在重力的影响下，在垂直状态下输送热量。

Description

使换热面板组件在重力环境下工作的装置和方法

本发明涉及使具有输热管的器件运行的装置和方法。

宇宙飞船上有许多安装在结构机壳上的仪器，其中的一些仪器在运行时会在局部地区产生大量热量。在真空的宇宙中，必须用在宇宙飞船的结构件中的热传导和把热量从宇宙飞船的外表面辐射出去的方式，来保持单独一架宇宙飞船内部的热平衡。在普通的宇宙飞船中，都采用埋在结构面板内部的输热管来完成这个任务。这些面板的外表面用作向空间散发热量的热辐射表面，而它的内表面则用作上述那些仪器的安装表面。

普通的输热管都是长形的空心管子，一般用铝制成，端部密封，里面装有诸如氨那样的两相工作液体。在重力基本上为零的宇宙空间中，上述工作液体能以液体和气体两种状态自由地分布在全部输热管中，在输热管全部长度的各个不同的点上根据不同的热状态进行蒸发和凝结，从而使输热管的整个长度保持均匀的温度。然而，在地球的表面上，在重力的影响下，工作液体要聚集在输热管的最低点，例如，当输热管垂直时，要聚集在管子长度的底部。对于许多宇宙飞船的面板结构件来说，不采用垂直方向布置的试验是很不利的或者是不实际的。结果，输热管的传热性能急剧下降，而安装在面板组件上的仪器不得不冒着温度过高的危险进行试验或运行。

常规的逻辑导致人们使用诸如用风扇吹风，或者用空调器产生的冷空气来除掉热量，冷却面板组件。试验表明，在仪器的体积很小而产生的热量很多的情况下，例如在现代的许多高能量通信卫星中，这种方法是失败的。

因此，需要在重力环境下工作和试验这种仪器的面板组件。与常规的逻辑相反，本发明对要进行工作的面板进行局部加热，以求达到改进输热管中的输热能力，使面板的温度保持在比其他方法所能达到的更低的温度。

用于使换热面板组件在重力环境下工作的装置，这种面板组件包括：一块面板，它有一个用于从其表面辐射热能的第一平坦表面，和一个用于在它上面安装产生热量的仪器的第二平坦表面；许多打算用于在基本上为零重力的环境下工作的输热管内包含有一种两相的传热液体，上述输热管固定在上述面板内表面上，用于把上述产生热量的仪器与上述第一平坦表面进行热偶合；以及许多固定在上述面板的第二平坦表面上的产生热量的仪器，这些仪器分别与上述许多输热管中的一根进行热偶合；上述装置包括：用于把上述面板安装成基本上沿垂直方向的装置，其中，上述每一根与产生热量的仪器进行热偶合的输热管都基本上沿着垂直方向；因而上述输热管中的传热液体在重力的影响下，倾向于沉积在上述输热管的底端；许多红外能源，各有向预定方向输出的，可控制的红外能量输出量；一个上面有许多安装点的安装框架，上述许多红外能源各安装在上述一个安装点上，每一个上述安装点的水平位置和垂直位置基本上与上述各条输热管中的一条的底端的位置相对应，其中，上述各红外能源的预定的方向都朝向将其红外能量辐射到上述各输热管的一个底端的方向，因而红外能量从上述各红外能源传递到上述各输热管的底端；用于控制上述各红外能源的红外能量输出的装置，用于将一定量的红外能量分别送到上述许多输热管的各个底端，以使得在各底端内部的上述传热液体蒸发，因而，上述输热管能够在回流模式下工作，把热量从上述产生热量的仪器输送到上述面板组件的第一平坦表面上；以及一个冷的气体源，它包括一吹气装置，用于把大量冷的气体吹向上述面板的第一平坦表面上的一特定地点，该特定地点与上述面板的第二平坦表面上的产生热量的仪器的地点相对应。

一种用于使换热面板组件在重力环境下工作的方法，该面板组件有许多内部装有两相工作液体的输热管，用于把热量从安装在上述面板组件的一个表面上的产生热量的仪器上传递出去，并用于把上述热量分布在上述面板组件相对的整个表面上，上述方法包括下列各步骤：(a)把上述面板组件放置在一个方向上，此时，上述输热管基本上处在垂直方向上，从而使上述两相工作液体在重力的影响下倾向于沉积在输热管的底端；(b)在一个安装框架上安装上许多带有方向性的红外能源；(c)把上述安装框架放置在靠近上述面板组件的相对的表面处；(d)把上述安装框架上的有方向性的红外能源的位置分别定位在上述各输热管的相应的底端附近，其方向为能将红外能量辐射到上述输热管的底端去；(e)向上述红外能源通电，以便把红外能量输送给上述输热管的底端，所输送的红外能量能有效地使沉积在该底端的两相工作液体蒸发；(f)向上述产生热量的仪器通电，使其工作；以及(g)把大量的冷的气体吹到上述面板组件的相对的表面上，其位置与那些安装在上述面板组件表面上产生热量的仪器相对应。

下面，参照附图详细说明本发明的实施例。附图中：

图1是本发明的一个实施例的示意图；

图2、3、4和5是图1中的实施例的各个部分的细节的示意图；

图6是图1中的实施例的温度曲线图。

图1中，一艘宇宙飞船10有一块普通的平坦的面板组件20，该组件的方向处在垂直平面上。面板组件20固定在一个支承框架或装置50上，这个框架，例如，可以是宇宙飞船10的船身。下面，参照图2详细描述面板20。面板20有一块可作为宇宙飞船10的外表面的平坦的表面22，用于把热量辐射到空间去，和一个能用于把分散热量的仪器E1、E2、E3安装在宇宙飞船10内部的平坦的表面24。热管HP1、HP2和HP3固定在面板20上，用于把仪器E1、E2、E3所产生的热量传递给辐射表面22，并把上述热量分布在整个表面22上。

当仪器E1、E2、E3在重力为零的空间环境中工作时，所产生的热量高效地沿着两端封闭的空心的输热管HP1、HP2、HP3，借助于两相工作液体，例如氨传递出去。上述工作液体能自由地在全部管子中运动，在较热的部位蒸发，在较冷的部位凝结，从而沿着输热管HP1、HP2、HP3的全长输送热量，使得全部热管成为等温的。

但是，在有重力的环境中，液态的工作液体将沉积在热管PH1、PH2、PH3的下端，因此这些工作液体就不能沿着输热管的长度有效地输送热量。结果，由仪器E1、E2和E3的所产生的热量就不能散发，仪器将很快升温。例如，象行波管(TWT)和固态功率放大器(SSPA)那样的高能仪器，它们所产生的功率大约分别是94瓦和80瓦，能在宇宙空间安全地工作，然而当在地球上工作时，将在3-10分钟内达到85℃以上的造成损坏的温度。按照常规的逻辑，将会建议采用大功率的风扇送出大量的空气，或者用空调器把冷空气引向面板的表面22和/或24。然而，却依旧产生这种高温。

可是，如果在面板20靠近热管HP1、HP2、HP3的底端处加入足够的热量，沉积的液态工作液体就会蒸发，而热管就能以平常的模式或者“回流”的模式进行工作，此时热量将由工作液体的蒸发和凝结来传递。令人吃惊的结果是，把热量加到面板上，不是使它加热到不安全的温度，而是使产生热量的仪器的温度下降了，保持在安全的低温状态。

为此目的，在安装框架100上设置了红外线(IR)灯IR1、IR2、IR3，其安装方向为，使它们的红外能量射到面板20的辐射表面22的靠近热管HP1、HP2、HP3底端的部位。框架100有两根分别带有立在地板上的脚部114、116的垂直构件110、112。水平构件120的两端固定在垂直构件110、112上，其位置选择在使得水平构件120和IR灯IR1、IR2、IR3在垂直方向接近热管HP1、HP2、HP3的底端。IR灯IR1、IR2、IR3的安装位置可以调整，以使它们在水平方向接近热管HP1、HP2、HP3的底端。

此外，空调器90提供冷的气体，例如空气或干燥的氮气，使它们流过管道92，流出出口94、96、98，这些出口的位置处在能使冷的气体对着面板20的辐射表面22上，与面板20的安装表面24上的产生热量的仪器E1、E2、E3的位置相对应。

附图中在若干图上都有的部件，都使用相同的标号。

图2中示意地表示了典型的面板20的热学方面的结构，图2是从安装表面24这一侧看过去的，但是把安装表面去掉了，以便揭示该面板中热管的布置。在图2的布置中，有许多成对的J形热管沿垂直方向布置在面板20的顶端和底端之间。每一对热管包括一根上J形热管(例如HP1、HP2、HP3)和一根下J形热管(例如HP11、HP12、HP13)，上J形热管的下部与下J形热管的上部在热学上互相偶合。一对I形热管30、32沿着面板20的上边缘布置，并且与所有上J形热管的顶部在热学上互相偶合。同样一对I形热管34、36沿着面板20的下边缘布置，并且与所有下J形热管的顶部在热学上互相偶合。

图2中，安装在面板20上的产生热量的仪器用黑方块来表示(例如E1、E2、E3)。其中的E1用于表示行波管(TWT)，图中有8个行波管。一个行波管大约产生60瓦的射频感应加热(RF)输出能量，其中的40-45瓦是需要散发的热量。仪器E2用于表示固态功率放大器(SSPA)，在图2中有12个。一个SSPA将产生80-90瓦需要散发的热量。此外，还在图中表示了各种不同尺寸和形状的其它仪器，但是，它们所产生的需要散发的热量较少。面板和仪器的具体结构对于了解本发明并不需要，所以就不在这里说明了。

图3表示图1中的面板20和水平构件120的切断后的一部分，只留下4个仪器E1、E2、E3、E4，和4个IR灯IR1、IR2、IR3、IR4。在面板20的断面中表示了一对J形热管(例如HP1、HP11)，这一对热管互相之间有热接触，并且与表面板的辐射表面22和安装表面24之间有热接触，因而也就与仪器E1、E2、E3、E4有热接触。IR灯IR1、IR2、IR3、IR4以可调整的方式安装在水平构件120上(在说明图4时将详细描述)，使得它们在水平方向的位置与热管HP1、HP2、HP3、HP4相对应，以便将红外能量照射在上述各热管的底端。通常，面板20有0.13～0.25mm(0.005-0.010英寸)厚的铝表面板22、24，在这两块板之间以及与其他构件之间没有热管的空间内，填充了铝渣棉26。在表面板22上涂覆了具有所需要的热一光特性，例如有光反射镜面的材料。

热电偶TC1、TC2、TC3、TC4固定在面板20的辐射表面22上，其位置分别与IR灯IR1、IR2、IR3、IR4相对，在靠近热管HP1、HP2、HP3、HP4的底端，用于测量面板20在该部位的温度。一般都使用铝带(图中未示出)来固定这些热电偶，以避免形成热点。当一盏IR灯通电，将红外能量照射到面板20上接近协同工作的相应的热管的底端时(一般高于底端大约51mm(两英寸))，便使得该处的温度升高。当热管到达其工作液体蒸发的温度时，它便进入其工作液体的回流工作制式，成为更加有效的热传导体，并且因为它将热量从底端传送出去，于是底端的温度就降低和稳定下来。这种温度降指出了IR灯IR1、IR2、IR3、IR4正把足够的红外能量照射到面板20上，使得热管HP1、HP2、HP3、HP4分别产生了回流。

图4表示图1中的装置的几个部分的侧剖视图，图中表示了作为例子的IR灯IR1与热电偶TC1和热管HP1的底端之间的相对位置，以及与将冷的空气95吹向相对的仪器E1的面板20的出口管道94之间的相对位置，该出口通常离开面板20在51mm-102mm(2-4英寸)左右，但，不吹在IR灯上和它所要加热的区域。按照普通的方式，IR灯IR1安装在电气接线箱122的瓷接头130上。接线箱122则固定在角钢托架124上，而该角钢托架又安装在水平构件120上，能够调整。例如，构件120是一种C形的槽钢，它有两个翼缘，角钢托架124就用螺母和螺栓126以及夹板128夹紧在该翼缘上。借助于松开螺母和螺栓126，使接线箱122和灯IR1滑动到新的位置并紧住螺母和螺栓126，就能够很容易地改变IR灯IR1的水平位置。所有的IR灯都用同样的方式安装在水平构件120上。

同样，垂直构件110、112也可以是C形槽钢，而水平构件120的两端用螺母和螺栓把接头板或角钢托架夹在C形槽钢上，使得水平构件120能在垂直方向进行调整。

图5是一条电路的示意图，图中的电源ACV通过电源线M1、M2连接在可变变压器VT1、VT2、VT3上，然后再连接在IR灯IR1、IR2、IR3上。可变变压器VT1、VT2、VT3变压的比例可用于控制IR灯IR1、IR2、IR3的输入电能，从而控制分别照射在面板20上的红外能量。通常，250瓦的IR泛射灯在120伏左右工作以起动回流，然后再提高到130伏左右。

在按照本发明的方法中，面板20上的热管HP1、HP2、HP3设置成沿着垂直方向，而在构件110和120上安装有IR灯IR1、IR2、IR3的安装框架100安装在靠近面板的位置上，离开面板20的距离大约是51mm(2英寸)，以便把红外能量照射在离开热管HP1、HP2、HP3的底端大约51mm(2英寸)的高度上。IR灯IR1、IR2、IR3通电后，便辐射出红外能量，而面板的温度则分别用热电偶TC1、TC2、TC3在靠近热管HP1、HP2、HP3的底端处进行监控，以便确定温度在何时停止升高，然后再降低并稳定下来，以指示热管HP1、HP2、HP3是处在回流工作过程中。产生热量的仪器E1、E2、E3通电。从空调器90吹来的冷空气95吹在面板20的安装仪器E1、E2、E3的位置上。

图6是一台仪器的温度曲线图，这台仪器在通电两分钟的时间内，即，在热管处在回流工作状态而且热管的温度已经稳定之后，产生大约94瓦的功率。协同工作的热电偶的温度则没有表示出来。

本发明的其他实施例和各种变型对于本技术领域的技术人员来说是很显然的，所以本发明的保护范围应由权利要求书来限定。例如，对于在面板20内热管更加复杂的布置方式，可以使用若干根水平构件120，每一根水平构件上可以安装许多能调整的IR灯，而水平构件则安装在垂直构件110、112上，可以调整。

Claims (9)

1.用于使换热面板组件在重力环境下工作的装置，这种面板组件包括：

一块面板，它有一个用于从其表面辐射热能的第一平坦表面，和一个用于在它上面安装产生热量的仪器的第二平坦表面；

许多打算用于在基本上为零重力的环境下工作的输热管内包含有一种两相的传热液体，上述输热管固定在上述面板内表面上，用于把上述产生热量的仪器与上述第一平坦表面进行热偶合；以及

许多固定在上述面板的第二平坦表面上的产生热量的仪器，这些仪器分别与上述许多输热管中的一根进行热偶合；

上述装置包括：

用于把上述面板安装成基本上沿垂直方向的装置，其中，上述每一根与产生热量的仪器进行热偶合的输热管都基本上沿着垂直方向；因而上述输热管中的传热液体在重力的影响下，倾向于沉积在上述输热管的底端；

许多红外能源，各有向预定方向输出的，可控制的红外能量输出量；

一个上面有许多安装点的安装框架，上述许多红外能源各安装在上述一个安装点上，每一个上述安装点的水平位置和垂直位置基本上与上述各条输热管中的一条的底端的位置相对应，其中，上述各红外能源的预定的方向都朝向将其红外能量辐射到上述各输热管的一个底端的方向，因而红外能量从上述各红外能源传递到上述各输热管的底端；

用于控制上述各红外能源的红外能量输出的装置，用于将一定量的红外能量分别送到上述许多输热管的各个底端，以使得在各底端内部的上述传热液体蒸发，因而，上述输热管能够在回流模式下工作，把热量从上述产生热量的仪器输送到上述面板组件的第一平坦表面上；以及

一个冷的气体源，它包括一吹气装置，用于把大量冷的气体吹向上述面板的第一平坦表面上的一特定地点，该特定地点与上述面板的第二平坦表面上的产生热量的仪器的地点相对应。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，上述红外能源包括一盏连接在该红外能源上用以接受电能的红外电灯。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，上述用于控制红外能源的红外能源量输出的装置包括一个可变变压器，用于改变输送给上述红外电灯的电能。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，上述安装框架包括至少一根水平构件，至少一根垂直构件，以及用于把上述水平构件安装在上述垂直构件上的装置，其中，上述安装水平构件的装置可以调整，以便把安装在上述水平构件上各安装点的各红外能源的位置的高度定位在基本上与上述各输热管的底端的高度相适应。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，它还包括用于沿着上述水平构件安装上述红外能源的装置，其中，上述安装红外能源的装置是可以调整的，以便把上述红外能源的水平位置定位在基本上与上述各输热管的底端的水平位置相对应的位置上。

6.一种用于使换热面板组件在重力环境下工作的方法，该面板组件有许多内部装有两相工作液体的输热管，用于把热量从安装在上述面板组件的一个表面上的产生热量的仪器上传递出去，并用于把上述热量分布在上述面板组件相对的整个表面上，上述方法包括下列各步骤：

(a)把上述面板组件放置在一个方向上，此时，上述输热管基本上处在垂直方向上，从而使上述两相工作液体在重力的影响下倾向于沉积在输热管的底端；

(b)在一个安装框架上安装上许多带有方向性的红外能源；

(c)把上述安装框架放置在靠近上述面板组件的相对的表面处；

(d)把上述安装框架上的有方向性的红外能源的位置分别定位在上述各输热管的相应的底端附近，其方向为能将红外能量辐射到上述输热管的底端去；

(e)向上述红外能源通电，以便把红外能量输送给上述输热管的底端，所输送的红外能量能有效地使沉积在该底端的两相工作液体蒸发；

(f)向上述产生热量的仪器通电，使其工作；以及

(g)把大量的冷的气体吹到上述面板组件的相对的表面上，其位置与那些安装在上述面板组件表面上产生热量的仪器相对应。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，上述向红外能源通电的步骤包括一个把可变的电源与上述红外能源连接起来的步骤，以及改变输入上述红外能源的电能量的步骤。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，上述步骤(e)，(f)，(g)按照先步骤(e)，然后步骤(g)，然后再步骤(f)这样的次序来完成。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(e)在步骤(g)之前，并且还包括下列步骤：

(h)监控上述面板组件靠近上述输热管底端处的温度；

(i)等待上述温度上升到峰值，然后使它降低并稳定在低于上述峰值的值上；以及

然后，完成步骤(g)。

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