CN110514051A - 一种星上大功率密度单机流体回路辐射器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种星上大功率密度单机流体回路辐射器，包括蜂窝板、流体管道、散热单元和均热单元，所述蜂窝板为中空结构，所述流体管道固定设置在蜂窝板内，所述散热单元固定在蜂窝板面向环境的一侧，并用于将蜂窝板的热量传递给环境；所述均热单元固定在蜂窝板背向环境的一侧，并用于蜂窝板的等温化。本发明的辐射器具有散热能力强、占用空间小、工艺简单、稳定性良好、安全可靠等优点。
Description
技术领域
本发明涉及航天应用技术领域，具体涉及一种星上大功率密度单机流体回路辐射器。
背景技术
卫星热控技术的目的是控制卫星内部及外部环境热交换过程，实现星上设备热平衡温度处于要求范围内。热控技术是航天技术的重要组成部分，其设计水平及质量影响到整个卫星的工作状态、寿命及可靠性。随着航天技术的不断发展，卫星的应用范围逐渐扩大，星上有效载荷因功能不同千差万别，因此卫星热控技术不断面临新的挑战。
其中，星上大功率密度单机满负荷工作时将产生较大的热耗，热控设计必然遇到大热量的快速传递和排散问题。对于该类问题，现行的方法主要有热管传热系统、单相流体回路散热系统和两相流体回路散热系统。其中，单相流体回路散热系统以其传热性能强、可靠性高和工艺简单等优点备受关注。单相流体回路散热系统由单相流体回路和辐射器组成，前者可实现大热量的快速传递，后者则实现向空间环境的高效排热。而辐射器的设计在考虑单机散热需求的同时，也要尽可能的减小其体积和重量，降低发射成本。目前，辐射器设计的主流形状有圆筒形辐射器、单面翼-管式辐射器、矩形导管平板式辐射器和管道-肋片式辐射器。
圆筒形辐射器主要应用于国际空间站和大型航天器的温度控制系统。该系统以航天器的圆柱形壁面作为辐射器，流体回路管路盘绕在辐射器的外表面，通过流体回路与辐射器的直接热耦合减小热阻，实现对航天器的高效传热和精准控温。这种辐射器的设计适用于体表面积较大而且形状较规则的航天器。
单面翼-管式辐射器主要应用于航天飞机的热控设计，其将航天飞机的蒙皮作为辐射表面，冷却流体的流动管道直接焊接于航天飞机蒙皮内表面。这种结构工艺简单，重量小，可靠性高。但是单面翼-管式辐射器也存在一定的缺点：辐射器与航天飞机蒙皮的导热将影响系统的散热能力；而且蒙皮的横向导热较差，导致辐射器表面存在较大的温度梯度，影响辐射器的散热效率。
矩形导管平板式辐射器由许多个扁平的矩形导管组成，导管的上下面或者一面作为辐射排热面。该辐射器与流体之间的传热效率非常高，平板辐射面的温度均匀性较好，可以实现向空间环境的高效排热。同时，矩形导管平板式辐射器独立于航天器的结构之外，因此其占用空间较大，重量要求提高。而且该辐射器内的导管较多，流道设计复杂，工艺实施难度增大，可靠性降低。
管道-肋片式辐射器由多个管道-肋片单元组成，每个单元中管道和肋片的上下面作为辐射排热面。该辐射器的肋片布置可以灵活设计，也可采用多管道加强流体与肋片之间的换热。同时，这种辐射器也存在肋片温度均匀性较差、重量要求高、流道设计复杂等缺陷。
随着近些年航天技术的飞速发展，对航天器的功能要求不断提高，星上仪器设备高度集成，大功率密度单机热耗逐渐增加。而上述几种现有的空间辐射器并不能很好的满足星上大功率密度单机的热控要求。因此，现在迫切需要一种散热效率高、工艺简单、可靠性高、占用空间小的辐射器来解决星上大功率密度单机长时间满负荷工作时的散热问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供散热能力强的星上大功率密度单机流体回路辐射器。
为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。
在第一方面中，本申请提供一种星上大功率密度单机流体回路辐射器，所述辐射器包括蜂窝板、流体管道、散热单元和均热单元，所述蜂窝板为中空结构，所述流体管道固定设置在蜂窝板内，所述散热单元固定在蜂窝板面向环境的一侧，并用于将蜂窝板的热量传递给环境；所述均热单元固定在蜂窝板背向环境的一侧，并用于蜂窝板的等温化。
在第一方面的一种实施方式中，所述流体管道在蜂窝板内呈盘形分布。
在第一方面的一种实施方式中，所述流体管道的两侧布置翅片。
在第一方面的一种实施方式中，所述散热单元为铈玻璃镀银二次表面镜。
在第一方面的一种实施方式中，所述散热单元通过粘结的方式固定在蜂窝板面向环境的一侧。
在第一方面的一种实施方式中，所述均热单元为均温热管，且所述均温热管与流体管道交叉布置。
在第一方面的一种实施方式中，所述蜂窝板的材质为铝。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)将流体管道与铝蜂窝板一体化，减小了辐射器的占用空间和重量；
(2)高温流体通过预埋在蜂窝板内的流体管道进入铝蜂窝板，然后流体通过导热将热量传递给铝蜂窝板，再利用布置在铝蜂窝板一侧的均温热管对铝蜂窝板进行等温化，最后利用铝蜂窝板外表面的铈玻璃镀银二次表面镜向空间辐射散热，实现对卫星上大功率密度单机的高效、快速散热。
附图说明
图1为本发明辐射器面向环境一侧的结构示意图；
图2为本发明辐射器背向环境一侧的结构示意图；
图3为本发明辐射器侧面结构示意图。
在附图中，1为铝蜂窝板，2为流体管道，21为流体管道入口，22为流体管道出卡口，3为均温热管，4为铈玻璃镀银二次表面镜，5为翅片。
具体实施方式
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。
以下将结合附图描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本发明的保护范围之内。
传统的空间辐射器不同程度上都有散热效率低、结构复杂、占用空间大等问题。根据斯特藩-波尔兹曼定律及辐射换热相关原理，加强空间辐射器散热能力的途径主要有：一是增大散热面积；二是提高辐射器表面温度均匀性；三是增大表面发射-吸收比。第一种方式对于给定构型布局的卫星型号显然不适用，本申请所述一种星上大功率密度单机流体回路辐射器是在不改变卫星结构布局及安装方式的条件下，通过设计优化增强辐射换热能力的第二和第三种方式，实现快速、高效向空间环境散热的目的，进而解决星上大功率密度单机长时间满功耗工作时的散热问题。
在一种具体实施方式中，本申请提供一种星上大功率密度单机流体回路辐射器，所述辐射器包括蜂窝板、流体管道、散热单元和均热单元，所述蜂窝板为中空结构，所述流体管道固定设置在蜂窝板内，所述散热单元固定在蜂窝板面向环境的一侧，并用于将蜂窝板的热量传递给环境；所述均热单元固定在蜂窝板背向环境的一侧，并用于蜂窝板的等温化。该辐射器的工作过程如下：高温流体通过预埋在蜂窝板内的流体管道，进入铝蜂窝板内部，然后高温流体通过传导将热量传递给蜂窝板，再利用布置在蜂窝板内侧面的均热单元对蜂窝板进行等温化，最后利用蜂窝板外侧面黏贴的高发射-吸收比散热单元向空间辐射散热，实现对卫星上大功率密度单机的高效、快速散热。由于流体管路集成于蜂窝板内，因此减小了辐射器的占用空间和重量。
在一种具体实施方式中，所述流体管道在蜂窝板内呈盘形分布，该设置加强了流体与辐射器的换热能力，提高了辐射器表面温度均匀性。
在一种具体实施方式中，所述流体管道的两侧布置翅片，该设置加强了流体与辐射器的换热能力，提高了辐射器表面温度均匀性。
在一种具体实施方式中，所述散热单元为铈玻璃镀银二次表面镜，铈玻璃镀银二次表面镜属于高发射-吸收比的部件，能将蜂窝板的热量快速向环境散发。
在一种具体实施方式中，所述散热单元通过粘结的方式固定在蜂窝板面向环境的一侧。
在一种具体实施方式中，所述均热单元为均温热管，且所述均温热管与流体管道交叉布置。使热管与流体管路呈交叉分布，弥补了蜂窝板横向传热能力不足的缺陷，实现辐射器表面的等温化。
在一种具体实施方式中，所述蜂窝板的材质为铝。该材质密度小，导热性能强，有利于快速散热以及卫星的轻量化。
综上所述，该辐射器具有散热能力强、占用空间小、工艺简单、稳定性良好、安全可靠等优点。可广泛用于解决导航卫星、通信卫星、高功率密度微小卫星、载人飞船及空间站等航天器上搭载的大功率密度单机长时间满功率工作状态下的散热问题。
实施例
下面将结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
种星上大功率密度单机流体回路辐射器，其结构如图1～3所示，包含了铝蜂窝板1、预埋在铝蜂窝板1中的流体管道2、固定在铝蜂窝板1内侧的均温热管3以及固定在铝蜂窝板1外侧的铈玻璃镀银二次表面镜4，流体管道入口21以及流体管道出口22分别位于铝蜂窝板1的两端并伸出铝蜂窝板1。
本实施例将流体管道2预埋在铝蜂窝板1中，以铝蜂窝板外侧表面作为散热面，实现辐射器与卫星结构板一体化，极大地减小了辐射器的体积和重量。流体管道2的布置呈现盘形，强化了流体与铝蜂窝板1的传热。在铝蜂窝板内侧增加均温热管3，并使均温热管3与流体管道2呈现十字交叉排布，加强了铝蜂窝板1横向传热能力，提高辐射器表面温度分布均匀性，增强辐射器向空间环境辐射散热的能力。
在铝蜂窝板1外侧布置大量高发射-吸收比的铈玻璃镀银二次表面镜4，增强了辐射器向空间环境辐射散热的能力。
另外，本实施例通过在流体管道2两侧增加翅片5，加强流体管道2与铝蜂窝板1的传热能力，提高了辐射器的温度分布均匀性，增强了辐射器向空间环境辐射散热的能力。
上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。
Claims (7)
1.一种星上大功率密度单机流体回路辐射器，其特征在于，所述辐射器包括蜂窝板、流体管道、散热单元和均热单元，所述蜂窝板为中空结构，所述流体管道固定设置在蜂窝板内，所述散热单元固定在蜂窝板面向环境的一侧，并用于将蜂窝板的热量传递给环境；所述均热单元固定在蜂窝板背向环境的一侧，并用于蜂窝板的等温化。
2.如权利要求1所述的星上大功率密度单机流体回路辐射器，其特征在于，所述流体管道在蜂窝板内呈盘形分布。
3.如权利要求1或2所述的星上大功率密度单机流体回路辐射器，其特征在于，所述流体管道的两侧布置翅片。
4.如权利要求1所述的星上大功率密度单机流体回路辐射器，其特征在于，所述散热单元为铈玻璃镀银二次表面镜。
5.如权利要求1或4所述的星上大功率密度单机流体回路辐射器，其特征在于，所述散热单元通过粘结的方式固定在蜂窝板面向环境的一侧。
6.如权利要求1所述的星上大功率密度单机流体回路辐射器，其特征在于，所述均热单元为均温热管，且所述均温热管与流体管道交叉布置。
7.如权利要求1所述的星上大功率密度单机流体回路辐射器，其特征在于，所述蜂窝板的材质为铝。
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