CN111397409A - 一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置 - Google Patents

一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置 Download PDF

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Abstract

一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置，包括毛细泵储液器、毛细泵蒸发器、气相管路、冷凝器、相变换热器1～相变换热器n，2n根连接管路、液相管路；冷凝器包括冷凝管路1～冷凝管路n+1；毛细泵蒸发器一端与毛细泵储液器相连，另一端与气相管路连接，气相管路另一端连接至冷凝管路1，冷凝管路1～冷凝管路n+1分别与相变换热器1～相变换热器n通过连接管路依次对应首尾相连，冷凝管路n+1另一端通过液相管路连接至毛细泵储液器。本发明能以单位蒸发器驱动功耗携带数倍以上热源热量，显著提升环路热管有效传热能力；同时辅以相变材料，应用于航天器周期性工作热源上，能进一步节约蒸发器驱动功耗。

Description

一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置
技术领域
本发明涉及一种环路热管组件，特别涉及一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置，属于航天器热控技术领域。
背景技术
环路热管是目前最先进的热热控产品之一，其利用毛细力驱动工质循环以传递热量的两相流体回路装置，具有传输热量大、传输距离远、无运动部件、管路柔性灵活布局等优点。
如图4、5所示，环路热管分两种典型回路结构。一种由毛细泵(储液器&蒸发器)、气相管路、冷凝器、液相管路形成闭环回路。应用时，毛细泵蒸发器与热源热耦合，热源热量进入蒸发器内使液体工质蒸发，蒸汽通过气相管路进入冷凝器进行散热，并冷凝成液体，液体工质通过液相管路回流至毛细泵储液器中，形成闭环回路。该种回路简单可靠，无需额外驱动功耗，是最传统的环路热管回路。但该种回路结构，单套环路热管仅能对一套热源进行散热，且蒸发器多为圆柱型，与热源机械接口不易实现。
另一种是专利201610243303.5公开的控温型环路热管组件。该回路由毛细泵、气相管路、副冷凝器、冷板组件、主冷凝器、液相管路依次连接而成。其中冷板组件含若干冷板单元。应用时，毛细泵蒸发器上增设额外驱动功耗，冷板组件中冷板单元能与多个热源分别热耦合。工作时，从蒸发器泵出的蒸汽首先在副冷凝器中冷凝成液体，进入冷板组件后依次带走热源热量并汽化，气相工质进入主冷凝器再次冷凝成液体工质，最终通过回液管回流至毛细泵储液器。该环路热管回路冷板组件含多个冷板单元，由柔性管路串而成，其结构简单、布局灵活，且冷板可根据热源机械结构定制，这使环路热管应用于航天器分散式热源散热控温时的优势更显凸出。尽管如此，此种回路，额外增设的驱动功耗必须大于等于所有热源功耗之和，因此需消耗航天器的电资源较大；且受蒸发器沸腾极限限制，单套回路所能携带的热源热耗受限。
发明内容
本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置，能以单位蒸发器驱动功耗携带数倍以上热源热量，显著提升环路热管有效传热能力；同时辅以相变材料，应用于航天器周期性工作热源上，能进一步节约蒸发器驱动功耗。
本发明采用的技术方案是：一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置，包括毛细泵储液器、毛细泵蒸发器、气相管路、冷凝器、相变换热器1～相变换热器n，2n根连接管路、液相管路；冷凝器包括冷凝管路1～冷凝管路n+1；毛细泵蒸发器一端与毛细泵储液器相连，另一端与气相管路连接，气相管路另一端连接至冷凝管路1，冷凝管路1～冷凝管路n+1分别与相变换热器1～相变换热器n通过连接管路依次对应首尾相连，冷凝管路n+1另一端通过液相管路连接至毛细泵储液器；n为正整数。
毛细泵蒸发器驱动加热通过在蒸发器表面缠绕加热丝或薄膜电加热器实现，驱动功耗符合如下公式：
Pev≥max(q1、q2、q3...qn)，
qn＝Qn·t/T，
其中，Pev为蒸发器驱动功耗；q1、q2、q3...qn分别为第1～n个相变换热器中单位时间释放的热功率；Qn为与相变换热器耦和的热源功率；t为航天器热源每轨道工作时间，T为航天器轨道周期。
冷凝管路1～冷凝管路n+1均为不锈钢管，外径为Φ2mm～Φ6mm。
冷凝器还包括铝板，铝板上设置与冷凝管路外径相同的凹槽，各冷凝管路嵌入凹槽中，各冷凝管路与凹槽焊接或填充导热材料。
如果冷凝器中铝板为整体结构，则冷凝管路长度及冷凝器面积计算如下：
Ll＝(Pev+q1+q2+......qn)/(hlπd(TCC-Trad))，
A＝(Pev+q1+q2+......qn)/(εC0Trad 4-Qa)；
其中，Ll为冷凝管路长度；d为冷凝管路外径；hl为冷凝管内两相工质与冷凝器间的换热系数；TCC为冷凝管路内两相工质温度；Trad为冷凝器温度；A为冷凝器面积；ε为冷凝器外表面发射率；C0为黑体辐射系数；Qa为冷凝器吸收的轨道外热流。
如果冷凝器中铝板分为n块，每块铝板上对应安装一段冷凝管路构成一块冷凝器，则第n块冷凝器的冷凝管路长度及冷凝器面积计算如下：
lln＝qn/(hπd(TCC-Tradn))，
An＝qn/(εC0Tradn 4-qan)，
其中，lln为第n块冷凝器中冷凝管路长度；An为第n块冷凝器的面积；qn为第n个相变换热器中释放的热功率；Tradn为第n块冷凝器的温度；qan为第n块冷凝器吸收的轨道外热流。
相变换热器包括相变储存壳体、汽化管路、及相变材料；汽化管路两端分别与连接管路连接，中段位于相变储存壳体内部，中段盘绕成蛇形结构或螺旋结构；相变材料填充相变储存壳体内部。
相变储存壳体的材料为铝合金、铜或不锈钢。
汽化管路为Φ2mm～Φ6mm的不锈钢管，相变材料为石蜡。
第n组相变换热器内部容积，及汽化管路长度计算如下：
mn＝Qn·t/hfg，
Vn＝Qn·t/ρnhfg，
Lgn＝qn/hgπDn，
其中，mn为第n组相变换热器内相变材料质量；Vn为第n组相变换热器内部容积；ρn为相变材料密度；hfg为相变材料相变潜热；Lgn为第n组相变换热器内部汽化管路长度；Dn为第n组相变换热器内部汽化管路外径；hg为相变材料与汽化管路内部工质的等效换热系数。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的环路热管组件，工质每进入一次相变换热器获取热源热量，便返回一次冷凝器释放热量。能以单位蒸发器驱动功耗，携带数倍(N倍)热源热量，并排散至冷凝器，显著提升环路热管有效传热能力。
(2)本发明的相变换热器布局及外形尺寸根据被控热源特征匹配设计，相变换热器数量N根据被控热源数量确定，即单套环路热管组件可同时满足多个热源控温。
(3)本发明的冷凝器，可根据需求整体设计或分块设计，以适应航天器外舱板的机械安装或外热流特性。
(4)本发明的连接管路、气相管路、液相管路，可根据卫星布局及力学需求，灵活布置，可设置成螺旋弹簧结构实现冷凝器、相变换热器、毛细泵间的力学解耦。
(5)本发明的相变换热器，可吸收周期性热源热量，储存于相变材料中，然后全周期逐渐将热量传递至环路热管工质内，并通过工质传导至冷凝器散失。能有效降低航天器冷凝器辐射面积，并节约蒸发器驱动功耗。
(6)本发明相变换热器中的汽化管路可设计成蛇形结构、螺旋结构、并联分层结构，并位于相变储存壳体内部，直接与相变材料接触换热，能显著改善相变材料相变特性，提升换热效率。
(7)本发明的相变换热器中的相变材料石蜡型号根据热源温度指标选取，同时单套环路热管组件中，不同相变换热器可选取不同型号石蜡，实现各个热源不同温控指标。
附图说明
图1为本发明航天器用耦合相变材料的高散驱比环路热管组件原理图。
图2为本发明蛇形结构汽化管路相变换热器结构示意图。
图3为本发明螺旋形结构汽化管路相变换热器结构示意图。
图4为传统环路热管回路示意图。
图5为控温型环路热管回路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置，能以单位蒸发器驱动功耗携带数倍以上热源热量，显著提升环路热管有效传热能力；同时辅以相变材料，应用于航天器周期性工作热源上，能进一步节约蒸发器驱动功耗。
如图1所示，一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置，包括毛细泵储液器、毛细泵蒸发器、气相管路、冷凝管路1～n+1、相变换热器1～n，2n根连接管路、液相管路；n为正整数。
毛细泵蒸发器一端与毛细泵储液器相连，另一端与气相管路连接，气相管路另一端连接至冷凝管路1，冷凝管路1另一端连接至连接管路1，连接管路1另一端连接至相变换热器1，相变换热器1另一端连接至连接管路2，连接管路2另一端连接至冷凝管路2，冷凝管路2另一端连接至连接管路3，连接管路3另一端再连接至相变换热器2，……,依次类推，直至第n根冷凝管路连接至根连接管路2n-1，连接管路2n-1另一端连接至第n个相变换热器，第n个相变换热器另一端连接至连接管路2n，连接管路2n另一端连接至冷凝管路n+1，冷凝管路n+1另一端通过液相管路连接至毛细泵储液器。n为正整数。
毛细泵蒸发器在驱动热加载之后，蒸汽沿气相管路进入冷凝器，液化后通过对应连接管路进入相变换热器1，吸收热源1热量并汽化，气体再次通过对应连接管路进入冷凝器冷凝成液体，液体再进入相变换热器2吸收热源2热量，汽化后再进入冷凝器。如此反复，直至工质在相变换热器N中吸收热量汽化，最终回到冷凝器液化，沿液相管路进入毛细泵储液器。
毛细泵蒸发器驱动加热通过在蒸发器表面缠绕加热丝或薄膜电加热器实现，驱动功耗符合如下公式：
Pev≥max(q1、q2、q3...qn) (1)
qn＝Qn·t/T (2)
其中，Pev为蒸发器驱动功耗；q1、q2、q3...qn分别为第1、2、3……n个相变换热器中单位时间释放的热功率；Qn为与相变换热器耦和的热源功率，Qn间相互独立；t为航天器热源每轨道工作时间，T为航天器轨道周期。
冷凝器由不锈钢管路与铝板组成，不锈钢管外径为Φ2mm～Φ6mm，铝板上设置与不锈钢管外径相同的凹槽，不锈钢管嵌入凹槽中，两者焊接或填充导热材料增强热耦合。
冷凝器可整体设计或分块设计。航天器冷凝器通过辐射制冷，对于整体设计的冷凝器，冷凝管路长度及冷凝器面积计算如下：
Ll＝(Pev+q1+q2+......qn)/(hlπd(TCC-Trad)) (3)
A＝(Pev+q1+q2+......qn)/(εC0Trad 4-Qa) (4)
其中，Ll为冷凝管路长度；d为冷凝管路外径；hl为冷凝管内两相工质与冷凝器间的换热系数；TCC为冷凝管内两相工质温度，其与毛细泵储液器温度相同；Trad为冷凝器温度；A为冷凝器面积；ε为冷凝器外表面发射率；C0为黑体辐射系数；Qa为冷凝器吸收的轨道外热流。
对于分块设计的冷凝器，冷凝器中铝板分为n块，每块铝板上对应安装一段冷凝管路构成一块冷凝器，第n块冷凝器冷凝管路长度及冷凝器面积计算如下：
lln＝qn/(hπd(TCC-Tradn)) (5)
An＝qn/(εC0Tradn 4-qan) (6)
其中lln为第n个冷凝器冷凝管路长度；An为第n个冷凝器面积；qn为第n个相变换热器中释放的热功率；Tradn为第n个冷凝器温度；qan为第n个冷凝器吸收的轨道外热流。
相变换热器由相变储存壳体1、汽化管路2、及相变材料3组成。相变储存壳体1材料可选用铝合金、铜、不锈钢等，壳体通过焊接密封；汽化管路2为Φ2mm～Φ6mm的不锈钢管，两端与连接管路连接，是环路热管闭环回路的一部分，中段位于相变储存壳体1内部，可盘绕成蛇形结构(如图2)、螺旋结构(如图3)等；相变储存壳体1与汽化管路2焊接；相变材料3填充满相变储存壳体内部，材料为石蜡，与汽化管路2外壁及相变储存壳体1内部充分换热。第n组相变换热器内部容积，及汽化管路长度计算公下：
mn＝Qn·t/hfg (7)
Vn＝Qn·t/ρnhfg (8)
Lgn＝qn/hgπDn (9)
其中，mn为第n组相变换热器内相变材料质量；Vn为第n组相变换热器内部容积；ρn为相变材料密度；hfg为相变材料相变潜热；Lgn为第n组相变换热器内部汽化管路2长度；Dn为第n组相变换热器内部汽化管路2外径；hg为相变材料与相变汽化管路内部工质的等效换热系数。
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 (10)

1.一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置，其特征在于，包括毛细泵储液器、毛细泵蒸发器、气相管路、冷凝器、相变换热器1～相变换热器n，2n根连接管路、液相管路；冷凝器包括冷凝管路1～冷凝管路n+1；毛细泵蒸发器一端与毛细泵储液器相连，另一端与气相管路连接，气相管路另一端连接至冷凝管路1，冷凝管路1～冷凝管路n+1分别与相变换热器1～相变换热器n通过连接管路依次对应首尾相连，冷凝管路n+1另一端通过液相管路连接至毛细泵储液器；n为正整数。
2.根据权利要求1所述的一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置，其特征在于，毛细泵蒸发器驱动加热通过在蒸发器表面缠绕加热丝或薄膜电加热器实现，驱动功耗符合如下公式：
Pev≥max(q1、q2、q3...qn)，
qn＝Qn·t/T，
其中，Pev为蒸发器驱动功耗；q1、q2、q3...qn分别为第1～n个相变换热器中单位时间释放的热功率；Qn为与相变换热器耦和的热源功率；t为航天器热源每轨道工作时间，T为航天器轨道周期。
3.根据权利要求1或2所述的一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置，其特征在于，冷凝管路1～冷凝管路n+1均为不锈钢管，外径为Φ2mm～Φ6mm。
4.根据权利要求3所述的一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置，其特征在于，冷凝器还包括铝板，铝板上设置与冷凝管路外径相同的凹槽，各冷凝管路嵌入凹槽中，各冷凝管路与凹槽焊接或填充导热材料。
5.根据权利要求4所述的一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置，其特征在于，如果冷凝器中铝板为整体结构，则冷凝管路长度及冷凝器面积计算如下：
Ll＝(Pev+q1+q2+......qn)/(hlπd(TCC-Trad))，
A＝(Pev+q1+q2+......qn)/(εC0Trad 4-Qa)；
其中，Ll为冷凝管路长度；d为冷凝管路外径；hl为冷凝管内两相工质与冷凝器间的换热系数；TCC为冷凝管路内两相工质温度；Trad为冷凝器温度；A为冷凝器面积；ε为冷凝器外表面发射率；C0为黑体辐射系数；Qa为冷凝器吸收的轨道外热流。
6.根据权利要求4所述的一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置，其特征在于，如果冷凝器中铝板分为n块，每块铝板上对应安装一段冷凝管路构成一块冷凝器，则第n块冷凝器的冷凝管路长度及冷凝器面积计算如下：
lln＝qn/(hπd(TCC-Tradn))，
An＝qn/(εC0Tradn 4-qan)，
其中，lln为第n块冷凝器中冷凝管路长度；An为第n块冷凝器的面积；qn为第n个相变换热器中释放的热功率；Tradn为第n块冷凝器的温度；qan为第n块冷凝器吸收的轨道外热流。
7.根据权利要求5或6所述的一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置，其特征在于，相变换热器包括相变储存壳体(1)、汽化管路(2)、及相变材料(3)；汽化管路(2)两端分别与连接管路连接，中段位于相变储存壳体(1)内部，中段盘绕成蛇形结构或螺旋结构；相变材料(3)填充相变储存壳体(1)内部。
8.根据权利要求7所述的一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置，其特征在于，相变储存壳体(1)的材料为铝合金、铜或不锈钢。
9.根据权利要求8所述的一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置，其特征在于，汽化管路(2)为Φ2mm～Φ6mm的不锈钢管，相变材料(3)为石蜡。
10.根据权利要求9所述的一种航天器用耦合相变材料高散驱比环路热管装置，其特征在于，第n组相变换热器内部容积，及汽化管路(2)长度计算如下：
mn＝Qn·t/hfg，
Vn＝Qn·t/ρnhfg，
Lgn＝qn/hgπDn，
其中，mn为第n组相变换热器内相变材料质量；Vn为第n组相变换热器内部容积；ρn为相变材料密度；hfg为相变材料相变潜热；Lgn为第n组相变换热器内部汽化管路(2)长度；Dn为第n组相变换热器内部汽化管路(2)外径；hg为相变材料(3)与汽化管路(2)内部工质的等效换热系数。
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