CN109764736A - 一种空间微孔膜蒸发高效散热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空间微孔膜蒸发高效散热装置，属于航天器热控技术领域，包括：壳体、液体进口通道、液体出口通道及微孔膜组件；所述壳体两端封闭，壳体的两端分别设有与其内腔相通的液体进口通道和液体出口通道；所述微孔膜组件包括两个以上轴线平行的中空纤维膜，在所述微孔膜组件的两端通过粘合剂将两个以上中空纤维膜粘接为一体；中间段的各中空纤维膜之间仍有间隙；所述中空纤维膜具有疏水性，其壁面设有一个以上微孔；所述微孔膜组件安装在壳体内，壳体内部微孔膜组件中间段各中空纤维膜之间的间隙形成的空腔为容气腔；该装置属于消耗型散热装置，可以在空间微重力环境及重力环境下使用，可以在真空环境及大气环境下均发挥散热性能。

Description

一种空间微孔膜蒸发高效散热装置
技术领域
本发明属于航天器热控技术领域，具体涉及一种空间微孔膜蒸发高效散热装置。
背景技术
目前消耗型散热装置的研究单位主要是美国的NASA。美国与20世纪70年代开展了高效蒸发散热技术研究，但当时仅仅进行了一些试验之后，NASA就中止了该技术的研究。近年来，在X-37B可重复使用飞行器、载人火星探测和长时间驻留月球基地等项目的推动下，NASA又重新开始了蒸发器技术的研究，现在已研制了4代原理样机，但尚未开展飞行试验。目前国内还没有一种能够解决航天器在具有大气的环境下短时大功率散热难题的高效散热装置。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种空间微孔膜蒸发高效散热装置，该装置属于消耗型散热装置，可以在空间微重力环境及重力环境下使用，可以在真空环境及大气环境下均发挥散热性能。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种空间微孔膜蒸发高效散热装置，包括：壳体、液体进口通道、液体出口通道、微孔膜组件及背压阀；
所述壳体两端封闭，壳体的两端分别设有与其内腔相通的液体进口通道和液体出口通道，且所述液体进口通道和液体出口通道分别与外部用于提供液体工质的流体循环系统相通；
所述微孔膜组件包括两个以上轴线平行的中空纤维膜，在所述微孔膜组件的两端通过粘合剂将两个以上中空纤维膜粘接为一体，即通过粘合剂将两个以上中空纤维膜端部之间的间隙密封，形成与壳体内腔形状一致的结构；中间段的各中空纤维膜之间仍有间隙；所述中空纤维膜具有疏水性，其壁面设有一个以上微孔；
所述微孔膜组件安装在壳体内，壳体内部微孔膜组件中间段各中空纤维膜之间的间隙形成的空腔为容气腔；
所述背压阀安装在壳体上，背压阀的一端与所述容气腔相通，另一端与外部环境相通，液体工质在微孔膜组件内蒸发生成的气态工质通过背压阀排放至外部环境；通过控制所述背压阀开度控制液体工质蒸发出的气态工质在容气腔内聚集产生的气压高低。
进一步的，微孔膜组件的两端与壳体两端之间分别留有空腔，安装有液体进口通道的壳体所在端的空腔为进口集液腔，安装有液体出口通道的壳体所在端的空腔为出口集液腔。
进一步的，所述中空纤维膜的内径由微孔膜组件的中心向外逐渐减小。
进一步的，所述中空纤维膜的内径为0.1mm～0.5mm，壁厚为0.1mm～0.3mm。
进一步的，所述中空纤维膜的微孔的孔径＜1μm。
进一步的，相邻中空纤维膜之间的中心间距为1mm～5mm。
进一步的，还包括支撑环，一个以上所述支撑环安装在壳体内，并套装在微孔膜组件外部，用于支撑微孔膜组件。
进一步的，所述背压阀采用电动控制或压差驱动控制的形式，其压力调节范围为10Pa～101000Pa。
有益效果：(1)本发明基于膜蒸发散热原理，通过采用壁面设有微孔的中空纤维膜作为液体工质流动通道和换热表面，当中空纤维膜外的环境压力足够小时，液态工质在中空纤维膜表面蒸发，吸收热量；蒸发产生的气态工质排出容气腔外，只要气态工质排出速率足够快，不至于引起容气腔内压力升高，则相变过程就能够持续进行，进而达到冷却液体工质自身温度的作用；具有质量轻、无运动部件、可靠性高特点，其正常工作不易受到工质污染的影响，具有较好的环境适应性，不仅适用于重力环境(即大气环境)，也适用于空间微重力环境(即真空环境)；因此，本发明在深空探测飞行器、载人登月航天器、高速再入飞行器及可重复使用飞行器上有着很好的应用前景，可以填补国内在相关研究领域的空白。
(2)本发明通过调节背压阀的工作背压，能够实现对散热量的调节，无需额外的能量供给和控制。
(3)本发明的微孔膜组件的中空纤维膜内径随其在微孔膜组件内的排布位置不同而不同，以优化中空纤维膜之间的压力分布。
附图说明
图1为本发明的结构组成图；
图2为本发明的横截面图；
其中，1-液体进口通道，2-液体出口通道，3-壳体，4-微孔膜组件，5-背压阀，6-支撑环，7-进口集液腔，8-出口集液腔。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种空间微孔膜蒸发高效散热装置，参见附图1和2，包括：壳体3、液体进口通道1、液体出口通道2、微孔膜组件4、背压阀5及支撑环6；
所述壳体3为两端封闭的柱形壳体，其耐压强度满足至少202kPa的承压能力；且壳体3的两端分别设有与其内腔相通的液体进口通道1和液体出口通道2，液体进口通道1和液体出口通道2与壳体3连接处的漏率优于1.0×10-7Pa/(m3s)；且所述液体进口通道1和液体出口通道2分别与外部的流体循环系统相通；其中所述壳体3起到与外界环境的隔离作用，需要有一定的强度，但不参与换热；
所述微孔膜组件4为由两个以上轴线平行的中空纤维膜通过粘合剂(如环氧树脂)粘接为一体的柱状结构，粘合剂位于中空纤维膜的两端，将两个以上中空纤维膜的端部之间的间隙密封，中间段的各中空纤维膜之间仍有间隙，使得液体工质只能通过每个中空纤维膜的内孔进入微孔膜组件4；所述中空纤维膜具有疏水性，每个中空纤维膜的内径为0.1mm～0.5mm，壁厚为0.1mm～0.3mm，其壁面设有一个以上微孔，所述微孔的孔径＜1μm；相邻中空纤维膜中心轴线之间的间距为1mm～5mm；所述中空纤维膜的内径由微孔膜组件4的轴线向外逐渐减小，可以优化中空纤维膜之间的压力分布；
所述微孔膜组件4安装在壳体3内，微孔膜组件4中间段的各中空纤维膜之间的间隙与壳体3形成的空腔为容气腔；微孔膜组件4的两端与壳体3两端之间分别留有空腔，安装有液体进口通道1的壳体3所在端的空腔为进口集液腔7，安装有液体出口通道2的壳体3所在端的空腔为出口集液腔8；进口集液腔7用于对经由流体进口通道1进入微孔膜组件4的液体工质进行均流，使液体工质以均匀的流速进入微孔膜组件4；出口集液腔8用于对流出微孔膜组件4的液体工质进行收集，使液体工质通过液体出口通道2流回至流体循环系统时产生的压力损失较小；
一个以上所述支撑环6安装在壳体3内，并套装在微孔膜组件4外部，用于支撑微孔膜组件4，以增强其力学性能，使微孔膜组件4可以适应航天发射及着陆阶段的正弦、随机振动、加速度和冲击力学环境；
所述背压阀5安装在壳体3上，且背压阀5与壳体3之间密封良好，连接处漏率应优于1.0×10-7Pa/(m3s)；背压阀5的一端与所述容气腔相通，另一端与外部环境相通；液体工质在微孔膜组件4内蒸发生成的气态工质通过背压阀5排放至外部环境；背压阀5的开度大小可根据需求精确调控，通过精确控制背压阀5的开度大小，可以调节微孔膜组件4与外部环境间的气体流通面积大小，进而控制液体工质蒸发出的气态工质在容气腔内聚集产生的气压高低，以此来调节液体工质的散热量；背压阀5采用电动控制或压差驱动控制的形式，其压力调节范围为10Pa～101000Pa，其调节精度优于±10Pa；
工作原理：外部的流体循环系统的液体工质通过液体进口通道1进入到进口集液腔7中，液体工质在入口集液腔7内均流后，进入微孔膜组件4，液体工质在微孔膜组件4内发生蒸发，变为气态工质，带走液体工质携带的热量，实现对未发生相变的液体工质的冷却降温(由于中空纤维膜内液体工质压力大于中空纤维膜外的环境压力，中空纤维膜内液体工质蒸发为气态，并在蒸发相变过程中吸热)，所述气态工质通过中空纤维膜的微孔，进入所述容气腔内；当容气腔内的气态工质聚集达到一定压力后，多余的气态工质通过背压阀5排入外部环境；流经微孔膜组件4但没有发生蒸发的液体工质，其温度在蒸发作用下降低，排入出口集液腔8中进行收集后，通过液体出口通道2回流至流体循环系统。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种空间微孔膜蒸发高效散热装置，其特征在于，包括：壳体(3)、液体进口通道(1)、液体出口通道(2)、微孔膜组件(4)及背压阀(5)；
所述壳体(3)两端封闭，壳体(3)的两端分别设有与其内腔相通的液体进口通道(1)和液体出口通道(2)，且所述液体进口通道(1)和液体出口通道(2)分别与外部用于提供液体工质的流体循环系统相通；
所述微孔膜组件(4)包括两个以上轴线平行的中空纤维膜，在所述微孔膜组件(4)的两端通过粘合剂将两个以上中空纤维膜粘接为一体，即通过粘合剂将两个以上中空纤维膜端部之间的间隙密封，形成与壳体(3)内腔形状一致的结构；中间段的各中空纤维膜之间仍有间隙；所述中空纤维膜具有疏水性，其壁面设有一个以上微孔；
所述微孔膜组件(4)安装在壳体(3)内，壳体(3)内部微孔膜组件(4)中间段各中空纤维膜之间的间隙形成的空腔为容气腔；
所述背压阀(5)安装在壳体(3)上，背压阀(5)的一端与所述容气腔相通，另一端与外部环境相通，液体工质在微孔膜组件(4)内蒸发生成的气态工质通过背压阀(5)排放至外部环境；通过控制所述背压阀(5)开度控制液体工质蒸发出的气态工质在容气腔内聚集产生的气压高低。
2.如权利要求1所述的一种空间微孔膜蒸发高效散热装置，其特征在于，微孔膜组件(4)的两端与壳体(3)两端之间分别留有空腔，安装有液体进口通道(1)的壳体(3)所在端的空腔为进口集液腔(7)，安装有液体出口通道(2)的壳体(3)所在端的空腔为出口集液腔(8)。
3.如权利要求1所述的一种空间微孔膜蒸发高效散热装置，其特征在于，所述中空纤维膜的内径由微孔膜组件(4)的中心向外逐渐减小。
4.如权利要求1、2或3所述的一种空间微孔膜蒸发高效散热装置，其特征在于，所述中空纤维膜的内径为0.1mm～0.5mm，壁厚为0.1mm～0.3mm。
5.如权利要求1、2或3所述的一种空间微孔膜蒸发高效散热装置，其特征在于，所述中空纤维膜的微孔的孔径＜1μm。
6.如权利要求1、2或3所述的一种空间微孔膜蒸发高效散热装置，其特征在于，相邻中空纤维膜之间的中心间距为1mm～5mm。
7.如权利要求1、2或3所述的一种空间微孔膜蒸发高效散热装置，其特征在于，还包括支撑环(6)，一个以上所述支撑环(6)安装在壳体(3)内，并套装在微孔膜组件(4)外部，用于支撑微孔膜组件(4)。
8.如权利要求1、2或3所述的一种空间微孔膜蒸发高效散热装置，其特征在于，所述背压阀(5)采用电动控制或压差驱动控制的形式，其压力调节范围为10Pa～101000Pa。
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