CN109870053A - 一种用于空间站科学载荷柜的多柔性蒸发器环路热管控温系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空间站科学载荷柜的多柔性蒸发器环路热管控温系统，包括：柔性蒸发器；管式冷凝器；连接蒸发器和冷凝器的液体管路；连接蒸发器和冷凝器的蒸气管路；存储工质的储液器。柔性蒸发器包括：不锈钢制柔性多孔毛细芯，与不锈钢制柔性多孔毛细芯处于同一槽道区域的石蜡胶囊，以及羰基镍粉制烧结多孔毛细芯。本发明利用毛细芯的毛细抽吸力使工质在蒸发器和冷凝器之间循环带走热量，利用置于所述蒸发器内的石蜡胶囊感温相变而体积变化的特性，挤压柔性毛细芯，改变工质的流量，达到自适应控温的目的。本发明无需外置驱动泵，节约能源，性能可靠，具有很强的自适应控温能力，适用于空间站科学载荷柜的控温要求。

Description

一种用于空间站科学载荷柜的多柔性蒸发器环路热管控温系 统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于空间站科学载荷柜的多柔性蒸发器环路热管控温系统和方法。

背景技术

随着航天技术的发展，空间站已经成为一个引人瞩目的科学研究和探索的前沿阵地。目前，人类已经在空间站上进行了数百项不同的科学研究，在医药、环境、生物以及太空探索方面均取得了重大研究进展，随着空间科学实验研究的不断深入以及电子器件性能的不断提升和体积不断地向小型化轻量化方向发展，空间站科学载荷的散热问题越来越突出，一方面，由于空间站空间利用和结构重量设计要求，往往只能给出较小的区域用于专门布置控温系统，因此需要控温元件结构紧凑轻便，布置灵活，可靠性高；另一方面，控温系统要性能好，响应快，且满足高热流密度散热要求。这些都对空间站实验载荷控温系统提出了新的挑战，控温系统需要有更好的传热性能，较低的重量，较小的体积和较少的能量消耗。

环路热管作为一种高效的被动式相变冷却装置，能很好的满足空间站控温系统的需求。其利用工质的相变传热,依靠自身毛细结构提供的毛细力泵送冷凝液回流,形成了蒸发—冷凝循环,具有传热能力强,热阻低、等温性好、效率高、传输距离长以及不需要额外耗能等优点,由于唯一的动力是依靠蒸发器毛细芯的毛细抽吸作用,无需外加动力,可靠性好。同时由于气、液管路可以任意安排,提高了系统的灵活性,非常适用于空间站科学载荷的控温。但是，在环路热管运行过程中还存在几大问题：

1.系统仅靠毛细芯为内部工质的循环提供动力,系统运行过程中，毛细抽吸力和工质阻力均会发生变化，一旦毛细抽吸力小于系统总压降时环路热管无法正常工作，而当毛细抽吸力过大时,它又会对工质的流动产生阻碍作用,限制环路热管的传热能力。因此，对毛细芯的毛细抽吸力和毛细渗透率这对参数的平衡有很高的要求；

2.由于蒸发器内蒸气的产生需要一定的过热度与汽化核心，而多孔区域内部存在的较多的凹凸区域极利于汽化核心的形成，而在蒸发区前段的气泡生长会阻碍液体向蒸发界面的正常补给，导致环路热管系统启动失败；

3.当热负荷较大时，由于持续的蒸发作用，使得蒸气的流速会沿着蒸气槽道增大且在蒸发器出口蒸气速度达到最大值，一旦超过声速就会造成阻塞现象，降低传热效率甚至导致系统运行失败；

4.当载荷热负荷变化时，由于从液体蒸发到毛细抽吸力的增大进行液体补充有一定的时间，因此环路热管系统运行过程中系统温度变化对热负荷变化滞后严重。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了用于空间站科学载荷柜的多柔性蒸发器环路热管控温系统，其特征在于包括：

多个平板蒸发器、冷凝器、液体管路、气体管路、储液器，

其中：

所述的平板蒸发器包括基板和盖板，

蒸发器基板具有槽道，槽道中置入有柔性多孔毛细芯、烧结多孔毛细芯和感温石蜡胶囊，槽道中还具有集气腔区域，

盖板蒸发段具有盖板肋片的结构，形成多道集气槽，

工质流入烧结多孔毛细芯，由盖板肋片的结构导入的热量使工质蒸发，蒸发产生的蒸气通过集气槽导入集气腔区域，再由集气腔出口流向气体管路，

其中，当载荷热负荷增加时，感温石蜡胶囊中的感温石蜡受热后相变形成固-液两相共存状态且体积膨胀，该体积膨胀对处于同一槽道的柔性多孔毛细芯造成挤压，从而使得柔性多孔毛细芯内的液体工质在挤压力的作用下向烧结多孔毛细芯段移动，使得蒸发端工质的流量变大，蒸发量增加，从而能够带走更多的热量。

根据本发明的另一个方面，提供了基于一种多柔性蒸发器环路热管控温系统的用于空间站科学载荷柜的多柔性蒸发器环路热管控温方法，所述多柔性蒸发器环路热管控温系统包括：多个平板蒸发器、冷凝器、液体管路、气体管路、储液器，

其中：

所述的平板蒸发器包括基板和盖板，

蒸发器基板具有槽道，

盖板蒸发段具有盖板肋片的结构，

其特征在于包括：

在所述槽道中置入柔性多孔毛细芯、烧结多孔毛细芯和感温石蜡胶囊，并在槽道设置集气腔区域，

利用所述盖板肋片的结构形成多道集气槽，

使工质流入烧结多孔毛细芯，

让由盖板肋片的结构导入的热量使工质蒸发，使蒸发产生的蒸气通过集气槽导入集气腔区域，再由集气腔出口流向气体管路，

当载荷热负荷增加时，通过该载荷热负荷增加使得感温石蜡胶囊中的感温石蜡受热后相变形成固-液两相共存状态且体积膨胀，

利用上述体积膨胀对处于同一槽道的柔性多孔毛细芯造成挤压，从而使得柔性多孔毛细芯内的液体工质在挤压力的作用下向烧结多孔毛细芯段移动，使得蒸发端工质的流量变大，蒸发量增加，从而能够带走更多的热量。

附图说明

图1是系统组成图；

图2是平板蒸发器基板图；

图3是平板蒸发器盖板图；

图4是平板蒸发器组成图；

图5是蒸发器工作原理图；

图6是科学载荷柜控温系统图。

附图标记：平板蒸发器1、冷凝器2、液体管路3、气体管路4、储液器5、空间站中温回路6、科学载荷柜7、柔性多孔毛细芯103、烧结多孔毛细芯104、感温石蜡胶囊105。

具体实施方式

针对现有技术的上述问题，本发明利用柔性蒸发器使环路热管在不同的热载荷条件下具备了自适应控温能力，提高了系统启动可靠性，改善了控温性能，在空间站科学载荷的控温领域有较好的应用前景。

为了满足空间站科学载荷柜的控温要求，本发明采用多个在不同的热载荷条件下具备可靠的自适应控温能力的柔性蒸发器，提供了一种空间站科学载荷柜控温系统，改善了控温系统的自适应控温能力，提高了系统可靠性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于空间站科学载荷柜的多柔性蒸发器环路热管控温系统，其特征在于：包括多个平板蒸发器(1)、冷凝器(2)、液体管路(3)、气体管路(4)、储液器(5)；所述的平板蒸发器(1)包括基板(101)、盖板(102)、以及置于基板的柔性多孔毛细芯(103)、烧结多孔毛细芯(104)和感温石蜡胶囊(105)；所述基板槽道分为柔性多孔毛细芯区域(101A)、烧结多孔毛细芯区域(101B)、石蜡胶囊区域(101C)以及集气腔区域(101D)、除集气腔区域，各区域分别置入对应部件；所述蒸发器盖板(102)蒸发段具有肋片(102A)结构，形成多道集气槽(102B)；蒸发器基板和盖板上在相同位置开有若干通孔(106)，通过螺钉和密封圈密封；所述冷凝器(2)为管式换热器，由空间站中温回路(6)提供冷却流体进行冷凝；蒸发器和科学载荷通过螺钉固定在机柜(7)中。

工质在气体管路(4)中呈蒸气状态，经过冷凝器冷凝放热后相变成液体状态，通过液体管路(3)输送入储液器(5)中，储液器(5)中的液态工质为蒸发器的正常工作提供了可靠的工质来源。所述平板蒸发器(1)中所述柔性多孔毛细芯(103)填充入蒸发器的柔性多孔毛细芯区域(101A)，提为工质提供循环所需毛细抽吸力，在两侧槽道填充适量的感温石蜡胶囊(105)，当载荷热负荷增加，石蜡受热后相变形成固-液两相共存状态，体积膨胀，该体积变化挤压处于同一槽道的柔性多孔毛细芯(103)，毛细芯内液体受到挤压向烧结多孔毛细芯(104)段移动，从而增大工质的流量，使得蒸发端的蒸发工质增加，带走更多的热量；当载荷发热量减小，石蜡胶囊体积减小，柔性多孔毛细芯受到的挤压力减小，工质流量重回正常状态。所述烧结多孔毛细芯(104)为蒸发器的蒸发段，工质在此吸热蒸发，通过毛细芯孔隙进入集气腔(101D)，从蒸发器出口由气体管路(4)回流至冷凝器(2)冷凝放热，完成循环。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点和效果：

1、采用柔性蒸发器结构，在平板蒸发器内置入了柔性多孔毛细芯、石蜡胶囊，依靠石蜡感温体积变化特性控制工质的流量大小，相对于传统的平板蒸发器，在不改变毛细芯的渗透率大小的情况下，可以石蜡胶囊体积变化调节对柔性毛细芯挤压力的大小，改变流向蒸发段工质的流量大小，使系统具有自适应控温能力；

2、感温石蜡胶囊的加入，不仅使蒸发器具有了自适应调节能力，依靠石蜡感温相变吸热的特性，当载荷热源功率突然变化时，石蜡能吸收一部分热量，改善传统的环路热管系统温度变化滞后于热负荷变化的现象；

3、采用两种不同孔隙率的毛细芯，蒸发段的主毛细芯为烧结毛细芯，孔径较小，沿烧结毛细芯外侧三面环绕的辅毛细芯为不锈钢毛细芯，孔径较大,不同孔隙率的毛细芯配合使用，均衡毛细抽吸力和渗透率这对矛盾参数，既保证了足够的毛细抽吸力，又控制了毛细结构的阻力上限；

4、环路热管的冷凝器、蒸发器、液体管路、和蒸气管路通过毛细泵循环形成了热流通道，该热流通道利用了环路热管的被动热控技术，通过工质吸收和放出潜热的相变来传递热量，相对于单向流体环路系统，工质流率小，具有良好的传热性能，无需消耗动力，提高了系统可靠性，减小了系统重量。

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

如图1所示，根据本发明的一个实施例的用于空间站科学载荷柜的多柔性蒸发器环路热管控温系统包括：多个平板蒸发器(1)、冷凝器(2)、液体管路(3)、气体管路(4)、储液器(5)。所述的平板蒸发器(1)包括基板(101)、盖板(102)、以及置于基板的柔性多孔毛细芯(103)、烧结多孔毛细芯(104)和感温石蜡胶囊(105)。所述冷凝器(2)为管式换热器，由空间站中温回路(6)提供冷却流体进行冷凝；

如图2所示，基板(101)的槽道分为柔性多孔毛细芯区域(101A)、烧结多孔毛细芯区域(101B)、石蜡胶囊区域(101C)、集气腔区域(101D)、除集气腔区域(101D)，各区域分别置入对应部件；

如图3所示，盖板(102)蒸发段具有肋片(102A)的结构，形成多道集气槽(102B)。基板和盖板上在相同位置开有若干通孔(106)，通过螺钉和密封圈密封；

如图4所示，蒸发器基板(101)的槽道分别置入柔性多孔毛细芯(103)、烧结多孔毛细芯(104)和感温石蜡胶囊(105)；如图5所示为多柔性蒸发器环路热管控温系统自适应控温原理图，当载荷热负荷增加，感温石蜡胶囊(105)受热后相变形成固-液两相共存状态，体积膨胀，该体积变化挤压处于同一槽道的柔性多孔毛细芯(103)，毛细芯内液体受到挤压向烧结多孔毛细芯(104)段移动，从而增大工质的流量，使得蒸发端的蒸发工质增加，带走更多的热量；

如图6所示为多柔性蒸发器环路热管控温系统在空间站机柜(7)中的具体布置。蒸发器(1)横向布置在机柜(7)的层板(8)上。冷凝器(2)固定于机柜背部，通过空间站中温回路(6)提供的中温水进行冷却。储液器(5)分别连接于各蒸发器(1)的液体管路(3)上。气体管路(4)连接蒸发器(1)的入口端和冷凝器的出口端，组成完整的循环回路。

根据本发明的一个实施例，蒸发器基板(101)和盖板(102)材料均采用紫铜，基板(101)和盖板(102)之间用O型圈密封，材料选用丁腈橡胶。柔性多孔毛细芯(103)由不锈钢丝网切割加工而成，烧结多孔毛细芯(104)用羰基镍粉烧结而成。如图6所示，科学实验载荷和平板蒸发器(1)采用螺钉固定于机柜层板上，实验载荷和平板蒸发器(1)之间涂有高导热的导热硅脂以减少热阻；液体管路(3)和气体管路(4)均用不锈钢管,由于蒸气在管路中流动速度比较大，阻力大，因此在选用管道时，气体管道直径要大于液体管道直径，工质充灌口位于液体管路(3)上；冷凝器(2)使用管式冷凝器，采用空间站中温回路(6)提供的冷量进行冷却；平板蒸发器(1)与冷凝器(2)管道之间的连接以及充灌口阀门的连接均用卡套式连接；工质选用甲醇；

储液器(5)的存在使得本发明的控温系统有了更高的适应能力和温度控制水平。在作储液器(5)的容积尺寸设计时，根据经验值取储液器(5)的容积为：nV_r＝1.25V_l，其中，n为储液器(5)的数量，即平板蒸发器(1)的数量；V_r为单个储液器(5)的容积；V_l为冷凝器(2)的容积。同时，在储液器(5)上设计观察孔，用窥孔螺栓压紧石英玻璃以及O形圈密封；

工质的充灌对系统的稳定运行性能有重要影响，在压力降到7.8×10^-4Pa时进行工质充灌。工质充灌量定义为：α＝V_l/V_total，其中V_l为充入的工质的体积；V_total为整个环路热管系统内的整个空腔体积，包括液体管路(3)、气体管路(4)、毛细芯孔隙、储液器(5)、集气腔(101D)和冷凝器(2)。充灌量取60％；

管道外层包裹海绵保温，冷凝器(2)外层包裹聚氨酯泡沫保温；

在本发明中，基于柔性环路热管，提供了一种适用于空间站科学载荷散热的控温系统。平板蒸发器(1)内布置了两种不同孔隙率的毛细芯和石蜡胶囊(105)，热量通过蒸发器盖板肋片(102A)结构传递至毛细芯和石蜡胶囊(105)，烧结毛细芯蒸发段(104)的液体蒸发，毛细结构通过毛细抽吸力渗透液态工质进行补充，同时，石蜡胶囊(105)受热相变储存一部分热量并且体积膨胀，挤压柔性毛细芯，增加渗透工质流量，增强对载荷热量改变的响应速度，强化换热，本发明无需外置驱动泵，节约能源，系统结构简单、性能可靠，具有很强的自适应控温能力。

Claims (8)

1.用于空间站科学载荷柜的多柔性蒸发器环路热管控温系统，其特征在于包括：

多个平板蒸发器(1)、冷凝器(2)、液体管路(3)、气体管路(4)、储液器(5)，

其中：

所述的平板蒸发器(1)包括基板(101)和盖板(102)，

蒸发器基板(101)具有槽道，槽道中置入有柔性多孔毛细芯(103)、烧结多孔毛细芯(104)和感温石蜡胶囊(105)，槽道中还具有集气腔区域(101D)，

盖板(102)蒸发段具有盖板肋片(102A)的结构，形成多道集气槽(102B)，

工质流入烧结多孔毛细芯(104)，由盖板肋片(102A)的结构导入的热量使工质蒸发，蒸发产生的蒸气通过集气槽(102B)导入集气腔区域(101D)，再由集气腔出口流向气体管路，

其中，当载荷热负荷增加时，感温石蜡胶囊(105)中的感温石蜡受热后相变形成固-液两相共存状态且体积膨胀，该体积膨胀对处于同一槽道的柔性多孔毛细芯(103)造成挤压，从而使得柔性多孔毛细芯(103)内的液体工质在挤压力的作用下向烧结多孔毛细芯(104)段移动，使得蒸发端工质的流量变大，蒸发量增加，从而能够带走更多的热量。

2.根据权利要求1所述的用于空间站科学载荷柜的多柔性蒸发器环路热管控温系统，其特征在于：

基板和盖板上在相同位置开有若干通孔(106)，通过螺钉和密封圈密封。

3.根据权利要求1所述的用于空间站科学载荷柜的多柔性蒸发器环路热管控温系统，其特征在于：

蒸发器(1)分别横向布置在机柜(7)的层板(8)上，

冷凝器(2)固定于机柜背部，由空间站中温回路(6)提供的冷却流体进行冷却，

多个储液器(5)分别连接于各蒸发器(1)的液体管路(3)上，

蒸发器(1)的入口端和冷凝器的出口端通过气体管路(4)连接，组成完整的循环回路。

4.根据权利要求1所述的用于空间站科学载荷柜的多柔性蒸发器环路热管控温系统，其特征在于：

所述冷凝器(2)为管式换热器，由空间站中温回路(6)提供的冷却流体进行冷凝。

5.基于一种多柔性蒸发器环路热管控温系统的用于空间站科学载荷柜的多柔性蒸发器环路热管控温方法，所述多柔性蒸发器环路热管控温系统包括：多个平板蒸发器(1)、冷凝器(2)、液体管路(3)、气体管路(4)、储液器(5)，

其中：

所述的平板蒸发器(1)包括基板(101)和盖板(102)，

蒸发器基板(101)具有槽道，

盖板(102)蒸发段具有盖板肋片(102A)的结构，

其特征在于包括：

在所述槽道中置入柔性多孔毛细芯(103)、烧结多孔毛细芯(104)和感温石蜡胶囊(105)，并在槽道设置集气腔区域(101D)，

利用所述盖板肋片(102A)的结构形成多道集气槽(102B)，

使工质流入烧结多孔毛细芯(104)，

让由盖板肋片(102A)的结构导入的热量使工质蒸发，使蒸发产生的蒸气通过集气槽(102B)导入集气腔区域(101D)，再由集气腔出口流向气体管路，

当载荷热负荷增加时，通过该载荷热负荷增加使得感温石蜡胶囊(105)中的感温石蜡受热后相变形成固-液两相共存状态且体积膨胀，

利用上述体积膨胀对处于同一槽道的柔性多孔毛细芯(103)造成挤压，从而使得柔性多孔毛细芯(103)内的液体工质在挤压力的作用下向烧结多孔毛细芯(104)段移动，使得蒸发端工质的流量变大，蒸发量增加，从而能够带走更多的热量。

6.根据权利要求5所述的多柔性蒸发器环路热管控温方法，其特征在于：

在基板和盖板上的相同位置处开设多个通孔(106)，通过密封圈合穿过该通孔的螺钉进行密封。

7.根据权利要求5所述的多柔性蒸发器环路热管控温方法，其特征在于进一步包括：

把蒸发器(1)分别横向布置在机柜(7)的层板(8)上，

把冷凝器(2)固定于机柜背部，

由空间站中温回路(6)提供的冷却流体对冷凝器(2)进行冷却，

把多个储液器(5)分别连接于各蒸发器(1)的液体管路(3)上，

把蒸发器(1)的入口端和冷凝器的出口端通过气体管路(4)连接，组成完整的循环回路。

8.根据权利要求5所述的多柔性蒸发器环路热管控温方法，其特征在于：

所述冷凝器(2)为管式换热器，由空间站中温回路(6)提供的冷却流体进行冷凝。