CN108266929B - 用于机械泵驱动两相流体回路的精密控温型储液器及装配方法 - Google Patents

Abstract

用于机械泵驱动两相流体回路的精密控温型储液器及方法，包括储液器壳体、加热装置、集液器、被动冷却毛细排液管；集液器位于储液器壳体内表面，加热装置位于储液器壳体外侧，被动冷却毛细排液管结构穿过储液器壳体，与外部流体回路系统连通；待冷却液体通过储液器时，被集液器送至被动冷却毛细排液管进行冷却。本发明采用热交换方式对储液器内部冷却，仅通过调节加热功耗实现控温功能，使储液器结构显著简化，同时可使排液管局部始终处于偏冷状态，有效防止排液管附近的气泡存在，确保储液器排出的为液相工质。储液器的集液器和导流装置采用金属薄板结构，可明显提高结构力学性能。

Description

用于机械泵驱动两相流体回路的精密控温型储液器及装配 方法

技术领域

本发明涉及属于航天热控领域，特别是用于机械泵驱动两相流体回路的精密控温型储液器及装配 方法。

背景技术

近年来，随着航天技术的发展，对航天热控技术的要求越来越高。机械泵驱动两相流体回路技术(MPTL)作为一种主动控温系统，逐渐成为航天热控领域研究的热点。MPTL系统主要由储液器、机械泵、预热器、蒸发器、冷凝器及连接管路组成，如附图1所示。其工作原理是利用机械泵驱动工质在回路系统中的循环：过冷工质首先流经预热器，被加热到饱和态，后流经蒸发器，利用相变吸热带走蒸发器热量，再流过冷凝器被冷凝至过冷态，最后工质又回到机械泵，这样就形成了一个完整循环，从而实现了热量的收集、运输和排散。上述循环中储液器与系统相连，通过控制储液器温度来控制系统的饱和温度。

储液器是流体回路系统的核心部组件之一，其主要功能有：(1)与流体回路系统进行工质交换；(2)控制系统的饱和温度；(3)为系统提供液态工质，防止下游泵的汽蚀。

现阶段成功在轨应用的型号中仅有AMS-02中的TTCS采用了机械泵驱动两相流体回路技术，该储液器通过半导体制冷片实现制冷目的，它将半导体制冷片的制冷面导热安装于储液器壳体外表面，冷量通过储液器侧壁传递到储液器内部制冷。该制冷方式存在输入功耗大、制冷效率低、冷量利用率低且需控制电路进行调控，使得储液器结构偏于复杂等缺点，大大降低了系统的可靠性，且半导体制冷片制冷同时会产生大量废热，仍需其他冷量冷却。同时，该储液器内部采用金属丝网结构实现微重力下工质流动状态管理功能，金属丝网强度低，容易拉断，且较难装配固定。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了用于机械泵驱动两相流体回路的精密控温型储液器及方法，该储液器采用热交换方式直接将过冷液引入储液器内部进行冷却，取代了半导体制冷片，属于被动制冷方式；该储液器具有冷量基本恒定，储液器控温仅需调节加热功耗，使储液器结构更加紧凑、控制更为简便等优势；同时本发明中的储液器采用带孔金属薄板结构代替金属丝网，从而实现微重力下储液器内部工质流动状态管理目的，带孔金属薄板的强度显著更高，也更易装配固定。

本发明的技术解决方案是：用于机械泵驱动两相流体回路的精密控温型储液器，包括储液器壳体、加热装置、集液器、被动冷却毛细排液管；

集液器位于储液器壳体内表面，加热装置位于储液器壳体外侧，被动冷却毛细排液管结构穿过储液器壳体，与外部流体回路系统连通；待冷却液体通过储液器时，被集液器送至被动冷却毛细排液管进行冷却。

所述的储液器壳体包括左端封头、筒体、右端封头，左端封头、筒体、右端封头通过焊接组成储液器壳体。

还包括筒体内衬毛细结构，筒体内衬毛细结构位于储液器壳体内表面，筒体内衬毛细结构采用扩散焊与储液器壳体内表面贴合。

还包括导流装置，导流装置位于储液器壳体内表面，待冷却液体被导流装置导流至集液器；所述的导流装置通过点焊固定于储液器壳体内表面。

还包括导流装置为带孔金属板，通过点焊固定于储液器壳体内表面并呈周向均布。

所述的被动冷却毛细排液管结构包括外套管排液端、外套管毛细壁段、中心管、外套管盲端；外套管排液端、外套管毛细壁段、外套管盲端组成外套管，外套管与中心管连接，形成被动冷却毛细排液管结构，外套管排液端、外套管盲端外壁面分别与储液器壳体壁面固定连接，中心管两端开孔及外套管排液端位于储液器壳体外部，外套管毛细壁面位于储液器壳体内部，外部流体回路系统与中心管两端连接。

所述的集液器为设有圆孔的金属板，位于排液管毛细壁面四周，通过骨架焊接固定于被动冷却毛细排液管外表面。

所述的筒体内表面设有毛细结构，毛细结构通过金属丝网或金属粉末烧结而成。

用于机械泵驱动两相流体回路的精密控温方法是将流通在外部流体回路系统内的冷却液体通过送至储液器壳体内，与被动冷却排液管(8)局部进行热交换，热交换量基本恒定，储液器的控温仅需调节储液器加热功率。

用于机械泵驱动两相流体回路的控温型储液器装配方法，包括如下步骤：

(1)将外套管排液端(8-1)、外套管毛细壁段(8-2)、外套管盲端(8-4) 组成外套管，然后将外套管与中心管(8-3)连接，形成被动冷却毛细排液管结构(8)；

(2)将左端封头(1)、筒体(3)、右端封头(6)焊接组成储液器壳体，将加热装置(2)位于储液器壳体外侧，然后将外套管排液端(8-1)、外套管盲端(8-4)外壁面分别与储液器壳体壁面固定连接，中心管(8-3)两端开孔及外套管排液端(8-1)位于储液器壳体外部，外套管毛细壁面(8-2)位于储液器壳体内部，外部流体回路系统与中心管(8-3)两端连接；

(3)采用扩散焊令筒体内衬毛细结构(4)与储液器壳体内表面贴合，将导流装置(5)点焊固定于储液器壳体内表面，然后将集液器(7)通过骨架焊接固定于被动冷却毛细排液管(8)外表面；其中，导流装置(5)为带孔金属板，通过点焊固定于储液器壳体内表面并呈径向均布，集液器(7)为设有圆孔的金属板。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明本发明采用热交换方式对储液器进行冷却，储液器控温仅靠加热功耗调节实现，显著简化了储液器结构；

(2)本发明中导流装置和集液器采用金属板，使得结构力学性能明显提高；

(3)本发明采用过冷液为排液管局部制冷，确保排液管附近始终处于偏冷状态，能有效避免局部气泡的存在，保证储液器的供液性能；

(4)本发明中加热装置和集液器分别位于筒体两端，能保证内部气相工质和液相工质的分离，更有利于液态工质的排出；

(5)本发明将过冷液直接引入储液器内部进行冷却，较AMS-02中的外侧壁换热，换热方式更直接，且冷量利用率更高；

(6)本发明中的中心管和排液管采用套管式换热，两侧流体互不干扰，不会影响系统流阻；

(7)本发明中的中心冷却管的管壁可根据换热量大小需求设计为矩形、圆形、三角形翅片等增强换热的结构，亦可采用金、银、铜、铝等导热性能良好的材料；

(8)本发明既能满足在轨微重力使用工况，也能满足地面测试工况(通过调整储液器姿态，保证排液管液封即可)。

附图说明

图1为机械泵驱动两相控温型流体回路原理图；

图2为储液器结构示意图；

图3为储液器横截面示意图；

图4被动冷却毛细排液管结构示意图。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，提出一种用于机械泵驱动两相流体回路的精密控温型储液器，包括左端封头1、加热装置2、筒体3、筒体内衬毛细结构4、导流装置5、右端封头6、集液器7和被动冷却毛细排液管8。

如图1所示为机械泵驱动两相控温型流体回路原理图，左端封头1、筒体 3、右端封头6通过焊接方式连接组成储液器壳体，筒体内衬毛细结构4与筒体内表面通过焊接贴合，加热装置2粘贴于筒体外侧壁处，导流装置5为带孔金属板，固定于壳体内表面并呈径向均布，被动冷却毛细排液管结构8包括外套管排液端8-1、外套管毛细壁段8-2、中心管8-3、外套管盲端8-4，外套管排液端8-1、外套管毛细壁段8-2、外套管盲端8-4连接组成外套管，外套管与中心管8-3连接，形成被动冷却毛细排液管结构8，外套管排液端8-1、外套管盲端8-4外壁面分别与储液器壳体壁面固定连接，使得中心管8-3两端开孔及外套管排液端8-1位于储液器壳体外部，外套管毛细壁面8-2位于储液器壳体内部，外部冷却液管路与中心管8-3两端连接；集液器7为设有圆孔的金属板，位于排液管毛细壁面8-2四周。

储液器作为支路，通过外套管排液端8-1与回路系统连通，热源开机/关机过程中，流体回路系统中的气相工质体积相应增大/减少，使待冷却液体流入/ 排出储液器内，从而实现储液器储存/提供工质的功能；在微重力条件下，储液器为系统供液过程中，储液器内任何位置的液相工质都会被导流装置5导流至集液器7，保证有足够的液体供给回路，液态工质首先渗透进入排液管毛细壁面8-2，再沿着环形流道排出排液口8-1，最终供给到系统中；而气相工质则被阻隔在储液器内部；工质流经环形流道与中心管8-3内冷却液换热，促使所供工质具有一定过冷度。由于所供冷量基本恒定，储液器控温仅需调节加热功率即可。筒体内壁所衬毛细结构，有利于液体的吸附，确保加热装置工作时，内表面有源源不断的液体供给，有效避免出现干烧。

筒体内衬毛细结构4采用扩散焊与筒体内表面紧密贴合。导流装置5通过点焊固定于储液器壳体内表面。外套管排液端8-1、外套管毛细壁段8-2、外套管盲端8-4，外套管与中心管8-3均通过焊接方式连接组成外套管。集液器7 通过骨架焊接固定于被动冷却毛细排液管8外表面。筒体3内表面设有毛细结构，毛细结构孔径为2μm～20μm，毛细结构通过金属丝网或金属粉末烧结而成。加热装置的加热功率为1W～15W，导流装置的孔直径为0.5mm～15mm，外套管毛细壁面8-2的孔径为1μm～20μm，集液器7的孔直径为0.5mm～20mm。

用于机械泵驱动两相流体回路的精密控温型储液器组件，如附图2所示，由左端封头、加热装置、筒体、筒体内衬毛细结构、导流装置、右端封头、集液器和被动冷却毛细排液管组成。该储液器的容积一般为0.1L～10L。

左端封头、筒体和右端封头通过焊接方式组成储液器壳体，筒体内衬毛细结构扩散焊于筒体内表面(毛细结构孔径为2μm～20μm，多层金属丝网或金属粉末烧结而成)，加热装置(加热片，加热功率为1W～15W)粘贴于筒体外侧壁处，而导流装置(带孔金属薄板，孔直径为0.5mm～15mm)通过点焊固定于壳体内表面，四片呈径向均布，如附图3所示。被动冷却毛细排液管结构由外套管排液端(含排液口)、外套管毛细壁段(多层金属丝网结构，孔径 1μm～20μm)、中心管、外套管盲端四部分组成，如附图4所示。其中，外套管排液端、外套管毛细壁段和外套管盲端三部分通过焊接方式组成外套管(又名排液管)，外套管与中心管同样采用焊接方式连接，共同形成被动冷却毛细排液管装置，外套管的排液端和盲端外壁面分别与储液器壁面密封焊接，这样使中心管两端开孔及排液口位于储液器外部，外套管毛细壁面位于储液器内部，冷却液管路与中心管两端连接。集液器位于排液管毛细壁面四周，呈扇状分布，主要由金属薄板组成，金属薄板上开有圆孔(孔直径为0.5mm～20mm)，此结构通过骨架支撑，骨架焊接固定于排液管外表面。

储液器作为支路，通过外套管排液端排液口与回路系统连通，热源开机/ 关机过程中，流体回路系统中的气相工质体积相应增大/减少，使液体流入/排出储液器内，从而实现储液器储存/提供工质的功能。在微重力条件下，储液器为系统供液过程中，储液器内任何位置的液相工质都会被导流板导流至集液器处，保证有足够的液体供给回路，液态工质首先渗流入排液管毛细壁面，再沿着环形流道排出排液口，最终供给到系统中，而气相工质则被阻隔在储液器内部。工质流经环形流道与中心管内冷却液换热(换热量≥1W)，促使所供工质具有一定过冷度。由于所供冷量基本恒定，储液器控温仅需调节加热功率即可。筒体内壁所衬毛细结构，有利于液体的吸附，确保加热装置工作时，内表面有源源不断的液体供给，有效避免出现干烧。

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 (8)

1.用于机械泵驱动两相流体回路的精密控温型储液器，其特征在于包括储液器壳体、加热装置(2)、集液器(7)、被动冷却毛细排液管(8)；

集液器(7)位于储液器壳体内表面，加热装置(2)位于储液器壳体外侧，被动冷却毛细排液管结构(8)穿过储液器壳体，与外部流体回路系统连通；待冷却液体通过储液器时，被集液器(7)送至被动冷却毛细排液管(8)进行冷却；

还包括筒体内衬毛细结构(4)，筒体内衬毛细结构(4)位于储液器壳体内表面，筒体内衬毛细结构(4)采用扩散焊与储液器壳体内表面贴合。

2.根据权利要求1所述的用于机械泵驱动两相流体回路的精密控温型储液器，其特征在于：所述的储液器壳体包括左端封头(1)、筒体(3)、右端封头(6)，左端封头(1)、筒体(3)、右端封头(6)通过焊接组成储液器壳体。

3.根据权利要求1或2所述的用于机械泵驱动两相流体回路的精密控温型储液器，其特征在于：还包括导流装置(5)，导流装置(5)位于储液器壳体内表面，待冷却液体被导流装置(5)导流至集液器(7)；所述的导流装置(5)通过点焊固定于储液器壳体内表面。

4.根据权利要求1或2所述的用于机械泵驱动两相流体回路的精密控温型储液器，其特征在于：导流装置(5)为带孔金属板，通过点焊固定于储液器壳体内表面并呈周向均布。

5.根据权利要求1或2所述的用于机械泵驱动两相流体回路的精密控温型储液器，其特征在于：所述的被动冷却毛细排液管结构(8)包括外套管排液端(8-1)、外套管毛细壁段(8-2)、中心管(8-3)、外套管盲端(8-4)；外套管排液端(8-1)、外套管毛细壁段(8-2)、外套管盲端(8-4)组成外套管，外套管与中心管(8-3)连接，形成被动冷却毛细排液管结构(8)，外套管排液端(8-1)、外套管盲端(8-4)外壁面分别与储液器壳体壁面固定连接，中心管(8-3)两端开孔及外套管排液端(8-1)位于储液器壳体外部，外套管毛细壁面(8-2)位于储液器壳体内部，外部流体回路系统与中心管(8-3)两端连接。

6.根据权利要求1或2所述的用于机械泵驱动两相流体回路的精密控温型储液器，其特征在于：所述的集液器(7)为设有圆孔的金属板，位于排液管毛细壁面(8-2)四周，通过骨架焊接固定于被动冷却毛细排液管(8)外表面。

7.根据权利要求2所述的用于机械泵驱动两相流体回路的精密控温型储液器，其特征在于：所述的筒体(3)内表面设有毛细结构，毛细结构通过金属丝网或金属粉末烧结而成。

8.用于机械泵驱动两相流体回路的控温型储液器装配方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将外套管排液端(8-1)、外套管毛细壁段(8-2)、外套管盲端(8-4)组成外套管，然后将外套管与中心管(8-3)连接，形成被动冷却毛细排液管结构(8)；

(2)将左端封头(1)、筒体(3)、右端封头(6)焊接组成储液器壳体，将加热装置(2)位于储液器壳体外侧，然后将外套管排液端(8-1)、外套管盲端(8-4)外壁面分别与储液器壳体壁面固定连接，中心管(8-3)两端开孔及外套管排液端(8-1)位于储液器壳体外部，外套管毛细壁面(8-2)位于储液器壳体内部，外部流体回路系统与中心管(8-3)两端连接；

(3)采用扩散焊令筒体内衬毛细结构(4)与储液器壳体内表面贴合，将导流装置(5)点焊固定于储液器壳体内表面，然后将集液器(7)通过骨架焊接固定于被动冷却毛细排液管(8)外表面；其中，导流装置(5)为带孔金属板，通过点焊固定于储液器壳体内表面并呈径向均布，集液器(7)为设有圆孔的金属板。

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