CN111023878B - 一种功率可调节空间辐射散热系统及其工作方法 - Google Patents

一种功率可调节空间辐射散热系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功率可调节空间辐射散热系统及其工作方法，属于能源综合利用领域。该系统可通过一个安装在冷却剂管道内部的磁流体发电装置，通过导线和开关连接到安装在辐射散热器翅片内部的直流电磁铁为电磁铁供能，通过直流式电磁铁吸引翅片表面薄膜内部的永磁体控制翅片表面薄膜的开闭，通过设置和调整电路控制辐射散热器的有效工作区域，从而达到调节热管式辐射散热器散热功率的目的。本发明采用的多档位热管式空间辐射散热系统，具有控制装置电源寿命长，辐射散热效果调节能力好的优点，可以显著提高空间核动力电源系统的稳定性与适应性，能够更好地满足空间飞行器长期飞行的要求。

Description

一种功率可调节空间辐射散热系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种热管式空间辐射散热系统及其工作方法，尤其涉及一种功率可调节空间辐射散热系统及其工作方法，属于能源综合利用领域。
背景技术
目前空间核动力电源的热电转化效率较低，核动力电源中普遍的热电转化效率仅为5％～10％，要获得更多的电能意味着需要向外部排出更多的废热，而在宇宙中，通过热辐射的方式进行换热是散热的唯一途径，因此高效可调节的热辐射散热装置是必须的。
热管是人们所知的最有效的传热元件之一，它可以将大量的热量通过很小的截面积进行传输而无需外加动力，在密闭的热管内，热管工质在吸热端吸热蒸发，高温的工质蒸汽在冷凝段放热液化，并通过管内的毛细吸液芯产生的毛细力回到吸热端继续吸热蒸发，如此循环完成热量的传递；热管的等效热导率远远超过任何一种已知金属，具有广阔的应用前景，而将热管运用在空间飞行器的辐射散热器上面，能够大幅提高换热效率并减少飞行器负重，提高能源的利用效率。通过钎焊或者粘连的方式使不同材质的翅片附着在热管的冷凝段，通过热传导将热量传递给翅片，再由具有高发射率表面的翅片将热量辐射至外部空间是目前空间核反应堆电源系统的普遍散热方式，在核反应堆功率发生变化时，所需要的散热功率也会随之发生相应的变化，如果所需的散热功率低于辐射散热器的设计功率较多时，可能会造成热管内的工质冻结，而工质冻结对于辐射散热器来说是不利的，这会增加热管下一次启动时所需要的时间，目前空间飞行器中核动力电源的辐射散热器都是固定辐射面积的，因此并不能主动的对辐射散热器的散热功率进行调节，在核反应堆功率发生变化时，无法根据需求来控制辐射散热器的散热功率。根据辐射传热计算公式
Figure BDA0002309991530000011
其中Q为辐射散热量，σ为黑体辐射常数，ε为翅片表面发射率，T为翅片表面温度，Tenv为外界环境温度，A为翅片表面积，由于黑体辐射常数σ和翅片表面发射率ε在翅片制作完成后基本是定值，而外界环境温度Tenv也是定值，翅片表面温度T的主动控制比较困难，因此通过改变翅片的有效散热表面积A来控制辐射散热器散热功率是比较可行简便的办法。
发明内容
发明目的：
针对上述技术中存在的不足，本发明提出功率可调节多档位热管式空间辐射散热系统及其工作方法，可以主动的对辐射散热器的散热功率进行调节，以适应空间核反应堆功率变化所带来的散热量变化，可以显著提高空间核动力电源系统的稳定性与适应性，更好地满足长期空间飞行的要求。
技术方案：
一种功率可调节空间辐射散热系统，包括冷却剂管和设置于冷却剂管外侧壁的翅片，所述翅片表面覆盖低发射率涂层，翅片上固定有直流式电磁铁；翅片的外侧设有表面覆盖高发射率涂层的薄膜，两者之间连接有弹簧；薄膜上固定有第一永磁体；直流式电磁铁连接发电系统，当有电流通过直流式电磁铁时，直流式电磁铁产生磁性，吸引第一永磁体，使薄膜与翅片热接触，没有电流通过直流式电磁铁时，薄膜与翅片不接触。
进一步的，所述发电系统包括安置在冷却剂管壁内部的相对两侧的一对第二永磁体、相对两侧的阳极板和阴极板以及冷却剂管内的冷却剂液态金属；阳极板和阴极板分别连接直流式电磁铁的两端。
一种功率可调节多档位空间辐射散热系统，包括冷却剂管和设置于冷却剂管外侧壁的翅片，所述翅片表面覆盖低发射率涂层，翅片上沿翅片的长度方向固定有若干个直流式电磁铁；翅片的外侧设有表面覆盖高发射率涂层的若干个薄膜，若干个薄膜分别与翅片之间连接有弹簧，若干个薄膜上分别固定有第一永磁体，且每个第一永磁体对应一个直流式电磁铁；若干个直流式电磁铁分别连接发电系统；当有电流通过直流式电磁铁时，直流式电磁铁产生磁性，吸引第一永磁体，使薄膜与翅片热接触，没有电流通过直流式电磁铁时，薄膜与翅片不接触。
一种功率可调节空间辐射散热系统的工作方法，包括如下步骤：
步骤1：直流式电磁铁不通电，薄膜未与翅片接触，少量的热量通过翅片表面覆盖的低发射率涂层辐射出来，其中的一部分被薄膜吸收，另一部分被反射回翅片表面，同时被薄膜吸收的热量又由薄膜表面的高发射率涂层辐射至外界，完成热量由翅片向外部环境的传递，此时辐射散热器的散热效率低；
步骤2：直流式电磁铁通电，直流式电磁铁产生磁场吸引安置在薄膜内部的第一永磁体，磁力克服弹簧弹力使得薄膜与翅片热接触传递热量，而热量又由薄膜表面覆盖的高发射率涂层向外界辐射散热，此时辐射散热器的散热效率升高，实现辐射散热器散热功率由低到高的转变。
一种功率可调节多档位空间辐射散热系统的工作方法，包括如下步骤：
步骤1：所有直流式电磁铁均未通电，在弹簧的作用下，薄膜未与翅片接触，少量的热量通过翅片表面覆盖的低发射率涂层辐射出来，其中的一部分被薄膜吸收，另一部分被反射回翅片表面，同时被薄膜吸收的热量又由薄膜表面的高发射率涂层辐射至外界，完成热量由翅片向外部环境的传递，此时辐射散热器的散热效率较低；
步骤2：直流式电磁铁通电，直流式电磁铁产生磁场吸引安置在薄膜内部的第一永磁体，磁力克服弹簧弹力使得薄膜与翅片热接触传递热量，而热量又由薄膜表面覆盖的高发射率涂层向外界辐射散热；选择不同数量直流式电磁铁通电，可实现辐射散热器散热功率多档位调控。
本发明具有如下有益效果：
(1)使用与冷却剂管道结合的磁流体发电装置为辐射散热器功率调节系统供能，能够大幅提高辐射散热器功率调节系统的使用寿命，由于所述辐射散热器功率调节系统用于空间核反应堆电源系统中，在深空环境中普通直流电源在出现故障或者损坏后的维修更换十分困难，因此使用故障率很低的磁流体发电装置，能够保证在长时间的深空飞行中稳定的为辐射散热器功率调节系统提供电能，显著提高空间核动力电源系统的稳定性，更好地保障空间飞行器进行长时间飞行。
(2)可以根据空间核动力电源系统功率的变化主动调节散热功率以满足相应的散热需求，大幅提高辐射散热系统的适应性，可以有效避免在散热功率远大于系统散热需求时可能会造成的热管内的工质冻结问题，大幅降低热管下一次启动时所需要的时间，提高空间核动力电源系统关闭再启动时的速度，显著提高空间核动力电源系统的稳定性和可调性。
附图说明
图1为本发明一种功率可调节空间辐射散热系统的结构示意图；
其中：1-磁流体发电永磁体，2-磁流体发电永磁体，3-阳极板，4-直流式控制电磁铁，5-直流式控制电磁铁，6-总控制开关，7-阴极板，8-永磁体，9-永磁体，10-控制弹簧，11-控制弹簧，12-薄膜，13-翅片，14-冷却剂管道内壁，15-冷却剂NaK流动方向。
图2为本发明一种功率可调节多档位空间辐射散热系统的结构示意图(一档位，二档位)；
其中：1-磁流体发电永磁体，2-磁流体发电永磁体，3-阳极板，4-一档位直流式控制电磁铁，5-一档位直流式控制电磁铁，6-总控制开关，7-阴极板，8-一档位永磁体，9-一档位永磁体，10-一档位控制弹簧，11-一档位控制弹簧，12-一档位薄膜，13-翅片，14-冷却剂管道内壁，15-冷却剂NaK流动方向，16-一档位控制开关，17-二档位控制开关，18-二档位直流式控制电磁铁，19-二档位直流式控制电磁铁，20-二档位永磁体，21-二档位永磁体，22-二档位控制弹簧，23-二档位控制弹簧，24-二档位薄膜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的解释。
一种功率可调节空间辐射散热系统(如图1)，包括磁流体发电系统和功率调节系统，所述磁流体发电系统包括安置在冷却剂管道内壁14内部的磁流体发电永磁体1和磁流体发电永磁体2、阳极板3和阴极板7以及流向为15的冷却剂液态金属NaK，所述功率调节系统包括安置在覆盖低发射率涂层的翅片13内部的一对直流式电磁铁4、5，总控制开关6，安置在翅片表面覆盖高发射率涂层的薄膜12内部的一对永磁体8、9，连接薄膜与翅片的一对弹簧10、11；所述阳极板3与直流式电磁铁4、5相连，直流式电磁铁4、5另一端与总控制开关6正极接口相连，总开关6阴极接口与阴极板7相连形成完整的回路。
一种功率可调节多档位空间辐射散热系统(如图2)，包括磁流体发电系统和一档位空间辐射散热系统，二档位空间辐射散热系统…N档位空间辐射散热系统，N可以为大于等于2的自然数，所述磁流体发电系统包括安置在冷却剂管道内壁14内部的磁流体发电永磁体1和磁流体发电永磁体2、阳极板3和阴极板7以及流向为15的冷却剂液态金属NaK，所述一档位空间辐射散热系统包括安置在覆盖低发射率涂层的翅片13内部的一对直流式电磁铁4、5，一档位控制开关16，总控制开关6，安置在翅片表面覆盖高发射率涂层的薄膜12内部的一对永磁体8、9，连接薄膜与翅片的一对弹簧10、11，所述二档位空间辐射散热系统包括安置在覆盖低发射率涂层的翅片13内部的另外一对直流式电磁铁18、19，二档位控制开关17，总控制开关6，安置在翅片表面覆盖高发射率涂层的薄膜24内部的一对永磁体20、21，连接薄膜与翅片的一对弹簧22、23；所述阳极板3与直流式电磁铁4、5相连，直流式电磁铁4、5另一端与一档位控制开关16正极接口相连，一档位控制开关16负极接口与总开关6正极接口相连，总开关6阴极接口与阴极板7相连形成完整的一档位控制回路，所述阳极板3还与直流式电磁铁18、19相连，直流式电磁铁18、19另一端与二档位控制开关17正极接口相连，二档位控制开关17负极接口与总控制开关6正极接口相连，总控制开关6负极接口与阴极板7相连形成完整的二档位控制回路，以此类推，N档位空间辐射散热系统需要配置相应的直流式电磁铁、薄膜、永磁体、弹簧以及N档位控制开关，阳极板3与N档位空间辐射散热系统的直流式电磁铁相连，直流式电磁铁另一端与N档位控制开关相连，N档位控制开关与总控制开关6相连，总控制开关6负极接口与阴极板7相连形成完整的N档位控制回路。
一种功率可调节空间辐射散热系统的工作方法(如图1)，包括如下步骤：
步骤一：总控制开关6未闭合时，在弹簧10、11的作用下，表面覆盖高发射率涂层的薄膜12未与表面覆盖低发射率涂层的翅片13接触，少量的热量通过翅片13表面覆盖的低发射率涂层辐射出来，其中的一部分被薄膜吸收，另一部分被反射回翅片13表面，同时被薄12吸收的热量又由薄膜12表面的高发射率涂层辐射至外界，完成热量由翅片13向外部环境的传递，此时辐射散热器的散热效率较低。
步骤二：闭合总控制开关6，冷却剂管路中的NaK导电液态金属做切割磁感线的运动产生电流供给直流式电磁铁4和5，直流式电磁铁4和5产生磁场吸引安置在薄膜内部的永磁体8和9，磁力克服弹簧弹力使得薄膜12与翅片13热接触传递热量，而热量又由薄膜12表面覆盖的高发射率涂层向外界辐射散热，此时辐射散热器的散热效率显著升高，实现辐射散热器散热功率由低到高的转变。
一种功率可调节多档位空间辐射散热系统的工作方法(如图2)，包括如下步骤：
步骤一：总控制开关6未闭合时，在弹簧10、11、22、23的作用下，表面覆盖高发射率涂层的薄膜12和24未与表面覆盖低发射率涂层的翅片13接触，少量的热量通过翅片表面覆盖的低发射率涂层辐射出来，其中的一部分被薄膜12和24吸收，另一部分被反射回翅片表面，同时被薄膜12和24吸收的热量又由薄膜12和24表面的高发射率涂层辐射至外界，完成热量由翅片向外部环境的传递，此时辐射散热器的散热效率较低。
步骤二：闭合总控制开关6和一档位控制开关16，冷却剂管路中的NaK导电液态金属做切割磁感线的运动产生电流供给直流式电磁铁4和5，直流式电磁铁4和5产生磁场吸引安置在薄膜12内部的永磁体8和9，磁力克服弹簧弹力使得薄膜12与翅片13热接触传递热量，而热量又由薄膜12表面覆盖的高发射率涂层向外界辐射散热，此时辐射散热器的散热效率升高，实现辐射散热器散热功率由低到一档位的转变。
步骤三：保持总控制开关6和一档位控制开关16闭合，此时薄膜12与翅片13保持热接触传递热量，热量由薄膜12表面覆盖的高发射率涂层向外界辐射散热，接着闭合二档位控制开关17，冷却剂管路中的NaK导电液态金属做切割磁感线的运动产生电流还供给直流式电磁铁18和19，产生磁场吸引安置在薄膜24内部的永磁体20和21，磁力克服弹簧弹力使得薄膜24与翅片13热接触传递热量，而热量又由薄膜24表面覆盖的高发射率涂层向外界辐射散热，此时辐射散热器的散热效率继续升高，实现辐射散热器散热功率由一档位到二档位的转变；以此类推，保持总控制开关6、一档位控制开关16、二档位控制开关17…N－1档位开关闭合，继续闭合N档位控制开关，可实现辐射散热器散热功率由N－1档位到N档位的转变；其次，在N档位空间辐射散热系统中，保持总控制开关6闭合，可通过闭合不同档位开关实现多档位空间辐射散热系统散热功率调节。
本发明一种功率可调节多档位热管式空间辐射散热系统的原理：通过在翅片表面覆盖低发射率薄膜并运用弹簧结合一个覆盖有高发射率涂层的薄膜于翅片表面，通过在冷却剂管路内布置磁流体发电装置，为翅片内部的直流式电磁铁供电，使电磁铁能够产生一定强度的磁场从而对安置在薄膜内部的永磁体产生磁吸附力，通过开关的闭合和断开控制电磁铁吸附安置在薄膜内部的永磁体，能够合理的调整辐射散热器翅片表面的有效辐射面积，实现对辐射散热器辐射散热功率的主动控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种功率可调节空间辐射散热系统，包括冷却剂管和设置于冷却剂管外侧壁的翅片，其特征在于，所述翅片表面覆盖低发射率涂层，翅片上固定有直流式电磁铁；翅片的外侧设有表面覆盖高发射率涂层的薄膜，两者之间连接有弹簧；薄膜上固定有第一永磁体；直流式电磁铁连接发电系统，当有电流通过直流式电磁铁时，直流式电磁铁产生磁性，吸引第一永磁体，使薄膜与翅片热接触，没有电流通过直流式电磁铁时，薄膜与翅片不接触。
2.根据权利要求1所述的一种功率可调节空间辐射散热系统，其特征在于，所述发电系统包括安置在冷却剂管壁内部的相对两侧的一对第二永磁体、相对两侧的阳极板和阴极板以及冷却剂管内的冷却剂液态金属；阳极板和阴极板分别连接直流式电磁铁的两端。
3.一种功率可调节多档位空间辐射散热系统，包括冷却剂管和设置于冷却剂管外侧壁的翅片，其特征在于，所述翅片表面覆盖低发射率涂层，翅片上沿翅片的长度方向固定有若干个直流式电磁铁；翅片的外侧设有表面覆盖高发射率涂层的若干个薄膜，若干个薄膜分别与翅片之间连接有弹簧，若干个薄膜上分别固定有第一永磁体，且每个第一永磁体对应一个直流式电磁铁；若干个直流式电磁铁分别连接发电系统；当有电流通过直流式电磁铁时，直流式电磁铁产生磁性，吸引第一永磁体，使薄膜与翅片热接触，没有电流通过直流式电磁铁时，薄膜与翅片不接触。
4.权利要求1所述系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：直流式电磁铁不通电，薄膜未与翅片接触，少量的热量通过翅片表面覆盖的低发射率涂层辐射出来，其中的一部分被薄膜吸收，另一部分被反射回翅片表面，同时被薄膜吸收的热量又由薄膜表面的高发射率涂层辐射至外界，完成热量由翅片向外部环境的传递，此时辐射散热系统的散热效率低；
步骤2：直流式电磁铁通电，直流式电磁铁产生磁场吸引安置在薄膜内部的第一永磁体，磁力克服弹簧弹力使得薄膜与翅片热接触传递热量，而热量又由薄膜表面覆盖的高发射率涂层向外界辐射散热，此时辐射散热系统的散热效率升高，实现辐射散热系统散热功率由低到高的转变。
5.权利要求3所述系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：所有直流式电磁铁均不通电，在弹簧的作用下，薄膜未与翅片接触，少量的热量通过翅片表面覆盖的低发射率涂层辐射出来，其中的一部分被薄膜吸收，另一部分被反射回翅片表面，同时被薄膜吸收的热量又由薄膜表面的高发射率涂层辐射至外界，完成热量由翅片向外部环境的传递，此时辐射散热系统的散热效率低；
步骤2：直流式电磁铁通电，直流式电磁铁产生磁场吸引安置在薄膜内部的第一永磁体，磁力克服弹簧弹力使得薄膜与翅片热接触传递热量，而热量又由薄膜表面覆盖的高发射率涂层向外界辐射散热；选择不同数量直流式电磁铁通电，可实现空间辐射散热系统散热功率多档位调控。
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