CN108089618A - 一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置，用于降低环路热管的蒸发器和预热器的功率损耗，包括驱动加热回路、换热器、多级加热回路和测温元件；所述蒸发器表面设有用于维持环路热管工质流动或加速环路热管工质流动的驱动加热回路；所述蒸发器与所述预热器之间设有用于改变环路热管工质状态的换热器；所述预热器表面设有用于加载热控功率的多级加热回路，多级加热回路与用于监测环路热管工质温度及流量的测温元件连通。本发明通过驱动加热回路、换热器、多级加热回路和测温元件的配合，能够快速带走CCD器件产生的热量，并且显著降低了环路热管的热控功耗，弥补了传统控温型环路热管资源消耗过大且重量过重的缺陷。

Description

一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置
技术领域
本发明涉及一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置，尤其适用于航天光学遥感器大功率CCD器件在间歇性开机工作模式下的温度控制，属于航天光学遥感器热控技术领域。
背景技术
控温型环路热管是遥感器热控领域的一项重要技术，主要用于大功率成像电路(CCD器件、CMOS器件等)的温度控制，具备传热能力强、控温性能稳定、无振动源、能够力学解耦等优点，在国内遥感器热控领域得到了广泛应用。
目前，在轨运行的遥感卫星用控温型环路热管的蒸发器及预热器所安装的加热回路均采用恒定功率加载的模式，即无论遥感相机在间歇性的开机时段(8分钟)或长时间的待机时段(90分钟)，安装在这两个位置的加热回路均长期闭环加热，对环路热管加载的热量始终保持不变。从环路热管蒸发器流出的气相工质经过辐射器的降温后冷凝至液相，后经过预热器的加热后变为气-液两相态，由于常规的环路热管在蒸发器与预热器之间未安装换热器，使得从蒸发器流出的气相工质未对流入预热器的工质进行预热，导致环路热管工质的热量存在一定程度的损失，热控功率的使用效率也未能达到最大。
由于环路热管蒸发器及预热器所加载的控温功率最终均通过辐射器向宇宙空间排散，控温功率越大则需要的辐射器面积也越大，势必造成辐射器的重量越重，然而这与遥感器的轻量化设计目标背道而驰，常规的环路热管已逐渐难以满足相机的指标要求。
因此，常规的控温型环路热管存在资源消耗过大的问题，亟需进行针对性的优化设计；而且随着遥感器CCD器件发热功率的增大、数量的增多及温度指标的提高，常规控温型环路热管所占用的热控功率及辐射器重量等资源越来越多，已远远超出了遥感相机的能力，已然成为制约遥感相机技术发展的瓶颈因素。
为了在满足遥感相机CCD器件温度指标的前提下降低控温型环路热管所消耗的热控资源，需要对环路热管开展针对性的节能设计。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置，通过驱动加热回路、换热器、多级加热回路和测温元件的配合，能够快速带走CCD器件产生的热量，并且显著降低了环路热管的热控功耗，弥补了传统控温型环路热管资源消耗过大且重量过重的缺陷。
本发明的技术解决方案是：
一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置，用于降低环路热管的蒸发器和预热器的功率损耗，包括驱动加热回路、换热器、多级加热回路和测温元件；所述蒸发器表面设有用于维持环路热管工质流动或加速环路热管工质流动的驱动加热回路；所述蒸发器与所述预热器之间设有用于改变环路热管工质状态的换热器；所述预热器表面设有用于加载热控功率的多级加热回路，多级加热回路与用于监测环路热管工质温度及流量的测温元件连通。
在上述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置中，所述驱动加热回路包括第一驱动加热回路和第二驱动加热回路；若所述光学遥感器处于待机状态，则第一驱动加热回路通电，用于维持环路热管工质流动；若所述光学遥感器处于开机状态前三分钟，则第二驱动加热回路闭环加电，用于加速环路热管工质流动，直至所述光学遥感器由开机状态变更为待机状态一分钟后，第二驱动加热回路开环断电。
在上述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置中，所述第一驱动加热回路的控温功率范围设为28～32W。
在上述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置中，所述第二驱动加热回路的控温功率范围设为58～62W。
在上述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置中，所述换热器包括储液罐和导热板，导热板安装在储液罐中，并利用所述蒸发器流出的气相工质的热量加热即将进入所述预热器的液态的工质，使储液罐中的工质处于气-液两相状态。
在上述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置中，所述多级加热回路包括第一级加热回路、第二级加热回路和第三级加热回路；第一级加热回路、第二级加热回路和第三级加热回路均与测温元件连通，并根据所述光学遥感器内置控制算法软件计算的环路热管工质过冷量及所需控温功率对所述预热器进行加载。
在上述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置中，所述第一级加热回路的控温功率范围设为3～7W。
在上述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置中，所述第二级加热回路的控温功率范围设为8～12W。
在上述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置中，所述第三级加热回路的控温功率范围设为13～17W。
在上述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置中，所述测温元件包括流量计和热敏电阻；流量计用于监测环路热管工质流量；热敏电阻用于监测换热器与所述预热器的温度差。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
【1】本发明通过对环路热管蒸发器设置不同功率的驱动加热回路并根据相机的工作状态调整驱动加热回路的加热功率，使蒸发器消耗的驱动加热回路功率周期平均值由90W降低至35W，降低了61.1％。
【2】本发明在蒸发器和预热器之间巧妙设置了换热器，利用所述蒸发器流出的气相工质的热量加热即将进入所述预热器的液态的工质，最大限度的利用了废热，间接减少了预热器的补偿功耗；同时利用测温元件和多级加热回路的配合，实现了瞬时调整并进一步降低预热器消耗的热控功率，使预热器消耗的加热回路功率的周期平均值由15W降低至8W，降低了46.7％。
【3】本发明在保持CCD器件满足温度指标的同时，环路热管所消耗的总热控平均功耗由120W降低至58W，节能效果十分显著。由于热控功耗最终均通过辐射散热面向空间排散，热控功耗降低后，辐射散热面面积降低了40％，辐射散热器重量随之降低，为相机的减重做出贡献。
【4】本发明整体结构紧凑，适用于多种工作环境，使用寿命相对较长，在复杂工况下依然能够良好运转，具有适用范围广的特点，具备良好的市场应用前景。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明原理图
图2为本发明单周期环路热管温度监测图
图3为本发明多周期环路热管温度监测图
其中：1驱动加热回路；2换热器；3多级加热回路；4测温元件；11第一驱动加热回路；12第二驱动加热回路；21储液罐；22导热板；31第一级加热回路；32第二级加热回路；33第三级加热回路；41流量计；42热敏电阻；
具体实施方式
为使本发明的方案更加明了，下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：
如图1所示，一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置，用于降低环路热管的蒸发器和预热器的功率损耗，包括驱动加热回路1、换热器2、多级加热回路3和测温元件4；所述蒸发器表面设有用于维持环路热管工质流动或加速环路热管工质流动的驱动加热回路1；所述蒸发器与所述预热器之间设有用于改变环路热管工质状态的换热器2；所述预热器表面设有用于加载热控功率的多级加热回路3，多级加热回路3与用于监测环路热管工质温度及流量的测温元件4连通。
优选的，驱动加热回路1包括第一驱动加热回路11和第二驱动加热回路12；若所述光学遥感器处于待机状态，则第一驱动加热回路11通电，用于维持环路热管工质流动；若所述光学遥感器处于开机状态前三分钟，则第二驱动加热回路12闭环加电，用于加速环路热管工质流动，直至所述光学遥感器由开机状态变更为待机状态一分钟后，第二驱动加热回路12开环断电。
优选的，第一驱动加热回路11的控温功率范围设为28～32W。
优选的，第二驱动加热回路12的控温功率范围设为58～62W。
优选的，换热器2包括储液罐21和导热板22，导热板22安装在储液罐21中，并利用所述蒸发器流出的气相工质的热量加热即将进入所述预热器的液态的工质，使储液罐21中的工质处于气-液两相状态；合理利用废热，尽可能的减小预热器的补偿功耗。
优选的，多级加热回路3包括第一级加热回路31、第二级加热回路32和第三级加热回路33；第一级加热回路31、第二级加热回路32和第三级加热回路33均与测温元件4连通，并根据所述光学遥感器内置控制算法软件计算的环路热管工质过冷量及所需控温功率对所述预热器进行加载。
优选的，第一级加热回路31的控温功率范围设为3～7W。
优选的，第二级加热回路32的控温功率范围设为8～12W。
优选的，第三级加热回路33的控温功率范围设为13～17W。
优选的，测温元件4包括流量计41和热敏电阻42；流量计41用于监测环路热管工质流量；热敏电阻42用于监测换热器2与所述预热器的温度差。
如图2～3所示，CCD器件的温度稳定性达到±2.5℃，优于±3℃的温度稳定性指标。试验时储液器控温16℃，热沉温度2℃，辐射器采用水冷的方式进行散热。蒸发器驱动功率从30W增加到90W的3分钟后，CCD功耗从0W增加到66W，持续8分钟后蒸发器驱动功率由90W减小至30W，每个测试周期15分钟；最终可节省预热器热控补偿功率至53.3％，而且辐射散热面的重量减小至60％。
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置，用于降低环路热管的蒸发器和预热器的功率损耗，其特征在于：包括驱动加热回路(1)、换热器(2)、多级加热回路(3)和测温元件(4)；所述蒸发器表面设有用于维持环路热管工质流动或加速环路热管工质流动的驱动加热回路(1)；所述蒸发器与所述预热器之间设有用于改变环路热管工质状态的换热器(2)；所述预热器表面设有用于加载热控功率的多级加热回路(3)，多级加热回路(3)与用于监测环路热管工质温度及流量的测温元件(4)连通。
2.根据权利要求1所述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置，其特征在于：所述驱动加热回路(1)包括第一驱动加热回路(11)和第二驱动加热回路(12)；若所述光学遥感器处于待机状态，则第一驱动加热回路(11)通电，用于维持环路热管工质流动；若所述光学遥感器处于开机状态前三分钟，则第二驱动加热回路(12)闭环加电，用于加速环路热管工质流动，直至所述光学遥感器由开机状态变更为待机状态一分钟后，第二驱动加热回路(12)开环断电。
3.根据权利要求2所述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置，其特征在于：所述第一驱动加热回路(11)的控温功率范围设为28～32W。
4.根据权利要求2所述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置，其特征在于：所述第二驱动加热回路(12)的控温功率范围设为58～62W。
5.根据权利要求1所述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置，其特征在于：所述换热器(2)包括储液罐(21)和导热板(22)，导热板(22)安装在储液罐(21)中，并利用所述蒸发器流出的气相工质的热量加热即将进入所述预热器的液态的工质，使储液罐(21)中的工质处于气-液两相状态。
6.根据权利要求1所述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置，其特征在于：所述多级加热回路(3)包括第一级加热回路(31)、第二级加热回路(32)和第三级加热回路(33)；第一级加热回路(31)、第二级加热回路(32)和第三级加热回路(33)均与测温元件(4)连通，并根据所述光学遥感器内置控制算法软件计算的环路热管工质过冷量及所需控温功率对所述预热器进行加载。
7.根据权利要求6所述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置，其特征在于：所述第一级加热回路(31)的控温功率范围设为3～7W。
8.根据权利要求6所述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置，其特征在于：所述第二级加热回路(32)的控温功率范围设为8～12W。
9.根据权利要6所述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置，其特征在于：所述第三级加热回路(33)的控温功率范围设为13～17W。
10.根据权利要求1所述的一种航天光学遥感器节能型控温环路热管装置，其特征在于：所述测温元件(4)包括流量计(41)和热敏电阻(42)；流量计(41)用于监测环路热管工质流量；热敏电阻(42)用于监测换热器(2)与所述预热器的温度差。
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