CN111442673A - 热管辐射器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热管辐射器，包括热管和多根毛细管组成的平面管束，所述热管包括蒸发段和冷凝段，均设有毛细芯层和蒸汽通道，所述冷凝段侧面上开设多个管孔，所述冷凝段包括内部蒸汽通道相互分隔离的上游部分和下游部分，所述毛细管束的一端连接所述上游部分的所述管孔，另一端连接所述下游部分的所述管孔。所述的毛细管束大幅扩展了热管冷凝段的面积，形成主辐射散热面。本发明提供的一种热管辐射器若利用热管作为传热器件，能实现长距离、大面积的高效热流输送。一方面利用热管原理提高了辐射面的等温性和辐射散热效率，另一方面减小了结构质量、实现了良好的系统可靠性和较低的生产制作成本。

Description

热管辐射器
技术领域
本发明涉及一种航天器散热部件，具体地，涉及一种轻质的中温热管辐射器。
背景技术
大功率的航天器往往设置有强散热能力的热辐射器，以满足航天器长时间、高功率废热排放的需求。实现高效散热的一个有利途径是在不超过结构材料承受能力的前提下，适当提高散热温度，如达到200-300℃，从而有效减少散热面积，降低辐射器结构重量。大面积辐射散热器常用热管作为热流传输、扩展的核心器件。热管具有传热效率高、完全被动工作，寿命长、可靠性高等优点，在航天器热控系统的设计中广泛应用。现有的热管辐射器，包括中温热管辐射器，主要布局为管翅式设计，热管作为干线路径将热流向单一方向输运，与热管管壁连接的翅片以固体热传导的方式进一步将热量向两侧方向扩展(AlbertJ.Juhasz，High Conductivity Carbon-Carbon Heat Pipes for Light Weight SpacePower System Radiators,NASA/TM—2008-215420；William G.Anderson,DavidB.Sarraf,and Scott Garner,High Temperature Water-Titanium Heat Pipe Radiator,AIAA 2006-4146)。
如附图1所示为现有的热管辐射器设计的外部形态，其主要采用热管3配合固体导热的辐射面板4实现热量的收集、传输和排散。现有的热管辐射器的材料组成，热管管壳一般为金属，工作温度为常温或低温时，翅片多采用铝蜂窝板材料；对于中温热管辐射器，由于铝蜂窝板无法适用于200-300℃的温度，翅片材料主要采用金属面板或高导热复合材料，如高导热石墨泡沫、沥青基碳纤维复合材料板等。
如申请号为CN201310148891，名称为用于航天器的热管-流体回路耦合热辐射器的发明专利，公开了一种用于航天器的热管-流体回路耦合热辐射器，其中：流体管路和热管预埋在蜂窝板内，流体管路两端分别为流体进出口，流体管路上下表面与蜂窝板蒙皮胶结，热管的上下表面与蜂窝板蒙皮胶结，热管两端呈L形弯制，L形弯制的端部侧面与流体管路内侧表面胶结或焊接，蜂窝板外表面施加热控涂层。该专利采用的蜂窝板无法适用于200-300℃的温度。金属面板由于材料密度高、单位导热率低，导致辐射器结构重量大，面内温度均匀性差。高导热复合材料的导热率虽然相对于金属有明显提升，密度也有所降低，但是复合材料成本高、工艺性复杂，与金属热管之间只能采用胶接或钎焊等连接方式，连接界面容易产生较大的热阻。更严重的是，复合材料的热膨胀率与热管管壁的金属材料之间存在明显的差异，在高低温循环的过程中易发生脱离剥落等可靠性问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种轻质的中温热管辐射器。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种热管辐射器，包括热管和多根毛细管，所述热管包括蒸发段和冷凝段，均设有毛细芯层和蒸汽通道，所述冷凝段上开设多个管孔，所述冷凝段包括内部蒸汽通道相互分隔的上游部分和下游部分，所述毛细管的一端连接所述上游部分的所述管孔，另一端连接所述下游部分的所述管孔。
可选的或优选的，所述毛细管包括毛细管引出段、毛细管回流段和毛细管中间段，所述毛细管引出段连接所述上游部分的所述管孔，所述毛细管回流段连接所述下游部分的所述管孔。
可选的或优选的，所述毛细管引出段与毛细管回流段与所述热管垂直，所述毛细管中间段与所述热管的中轴线平行。
可选的或优选的，还包括一充装管，用来充注相变工质，所述充装管连接在所述热管的蒸发段。
可选的或优选的，所述热管外侧的中部设置有一支撑架，用来支撑固定所述毛细管。
可选的或优选的，所述热管的管壁内侧设有毛细芯层，贯通热管的全部长度，所述毛细芯层厚度均匀，与所述热管的管壁紧密贴合。
可选的或优选的，还包括一堵塞装置，设置于所述冷凝段上游部分和所述下游部分之间，用于堵塞蒸汽流动，但不影响毛细芯内的液体流动。
可选的或优选的，所述管孔的孔径相同，所述管孔穿透所述热管的管壳和所述毛细芯层，连通所述热管的内腔与各个毛细管，所述若干管孔沿所述热管的轴线方向成直线阵列均匀分布。
可选的或优选的，各毛细管的中间段在同一平面上相互平行，且相邻毛细管的间距为零。
可选的或优选的，所述毛细管内装有贯穿整个毛细管的圆金属丝。
热管辐射器的最理想设计是使用平板蒸汽腔作为辐射面板，同时蒸汽腔内的空间和毛细芯与热管的空间和毛细芯实现一体化连接，利用热管原理能达到很高的整体温度均匀性。但是一般采用耐中高温材料的蒸汽腔重量较大，同时蒸汽腔与热管之间的蒸汽流道与毛细芯的连结工艺难度较高。此外，在200～300℃的工作温度下，绝大多数的相变工质的蒸汽压均较大，蒸汽腔必须使用面内加固以防止破裂，这样进一步增大了系统的重量。
一种结构轻薄，同时又能承受较大内压的容器是圆管。同样壁厚的圆管，其管径越小，承压能力越强。对于管径只有几毫米的毛细金属管，管壁厚度只需0.1-0.2毫米，就可承受几十个大气压的压力，同时重量非常轻。壁厚小的另一个好处是导热能力强，即使金属材料本身导热率不高，在壁厚非常小的情况下，也能达到很低的热阻。
本发明利用毛细管连接热管的冷凝段上游部分，引出工质蒸汽，并在毛细管内冷凝放热，通过毛细管的外壁向宇宙空间辐射排散热量。多根平行伸展的毛细管形成平面阵列，形成有效面积较大的辐射面。相变工质经过冷凝散热后，从毛细管与热管的冷凝段的连接处向热管冷凝段下游部分排出，最后借助热管的毛细芯回流到蒸发段，形成传热传质循环。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：利用热管原理，毛细管辐射面与热管蒸发段之间形成良好的等温性和极高的等效导热率，远远优于现有的各种高导热材料，最大程度提升辐射器的散热效率；毛细管与热管之间可以使用相同的金属材料，辐射面板与热管之间没有热膨胀率的差异，在高低温的环境变化下不会因为微小的热变形问题而导致剥落脱离；在保证耐压能力的前提下，薄壁毛细管的单位面积密度很低，甚至还低于碳纤维复合材料。因此本发明能充分降低热管辐射器的质量。此外，相比一些高导热材料的高昂价格，本发明利用相对廉价的金属毛细管，也能降低辐射器的制造成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为目前现有的热管辐射器设计的外部形态示意图。
图2为本发明的轻质中温热管辐射器的外部形态示意图。
图3为本发明中热管辐射器蒸发段一侧的内部结构剖面示意图。
图4为毛细管阵列在引出段5处的示意图。
图5为热管辐射器在工作时，单根毛细管内的气液分布的两种形态示意图。
图6是在普通毛细管管壁103内冷凝液膜101形成时的气液分布的横截面图。
图7是本发明中毛细管管壁103内冷凝液膜101形成时的气液分布的横截面图。
图中：1-蒸发段；2-冷凝段；3-热管；4-辐射面板；5-毛细管引出段；6-毛细管回流段；7-充装管；8-支撑架；9-毛细管阵列；10-管壳；11-毛细芯层；12-堵塞装置；13-密封端帽，14-管孔；15-毛细管中间段；100-蒸汽流动区域；101-冷凝液液膜；102-冷凝液液柱；103-毛细管管壁；104-金属细丝。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明采用毛细管阵列9组成的平面管束取代现有的辐射面板4，热管的蒸发段1产生的蒸汽，通过毛细管与热管之间的连接，引向各毛细管，在毛细管内冷凝放热。冷凝液受蒸汽压的推动向下游运动，在毛细管回流段6回到热管内，最后利用热管内毛细芯的抽吸作用，回流到蒸发段1，实现传热传质循环，如附图2所示。由于毛细管阵列沿纵向伸展长度较长，中部容易发生下垂弯曲，因此在热管外侧的中部设置一支撑架8。
具体的工作实例如附图3所示。其中热管3的管壳10为轻质的金属钛管，外径14mm，壁厚1mm，两端密封端帽13焊接密封。热管3总长1100mm，其中蒸发段长度100mm。热管3的内侧为一层厚度1～2mm的粉末烧结毛细芯或丝网毛细芯。热管3的一端设一充装管7，用于充注相变工质。在热管3两侧，从蒸发段的下游开始，以4.8mm的圆心间距各开一排共17个直径为2.4mm的圆孔，穿透热管管壳10和毛细芯层11，用于连接毛细管。毛细管阵列9采用外径2.4mm，壁厚0.2mm的钛或不锈钢毛细管弯制而成。如果毛细管的转弯半径过小，在转弯处可以使用专门的90度弯头配件辅助连接。金属毛细管利用钎焊工艺与热管3密封连接，其中毛细管的管口14突出于热管毛细芯。在热管3的冷凝段2，毛细管与热管3的连接也作类似处理。在本实例中，毛细管阵列9内部通道的总截面积大于热管3毛细芯层11内侧的通道横截面，因此蒸汽从原来的热管3中流动改为在毛细管阵列9中流动，阻力不会明显增大。在热管3热端两排圆孔的紧邻下游，设置一个固定的堵塞装置12，用于阻止从热管蒸发段1产生的蒸汽从热管3内直接流向热管的冷凝段2。该堵塞装置12可以由毛细芯材料直接形成或采用与相变工质相容的金属挡板构成。
毛细管阵列9的具体形态，在引出段5如附图4所示。毛细管引出段16与热管3垂直，其相邻管的间距为一个管径，以便在热管3上打孔和保持热管强度。毛细管中间段15与热管3中轴线平行，该部分毛细管相邻管的间距为零。毛细管外壁面采用化学氧化或喷涂耐高温热控漆，以实现高的红外发射率和低的太阳吸收率。根据理论计算，圆管外表的辐射面积比宽度与其直径相当的平板多出约57％；多根圆管平行等间距放置时，当间距为一倍管径时，相邻圆管间相互辐射的角系数约为0.22；当间距为零时，角系数约为0.38。在本发明实例中，热管辐射器毛细管阵列9辐射面的长度约1000mm，包含热管3在内的总宽度约为100mm。扣除相邻毛细管之间的相互辐射影响，毛细管阵列9的半球总有效辐射面积约为0.0778m2，约为相同包络的矩形平板面积的约90.5％。考虑到本设计中毛细管的高导热能力和等温性，毛细管阵列9的实际热辐射能力将明显优于单纯的导热面板。本发明实例中的钛热管连同两端密封端帽13及充装管7的质量约300克，钛毛细管阵列质量约210克，再包括支撑架、钎焊料及相变工质(去离子水)的质量，单个热管辐射器的总质量可望控制在800克以内。
毛细管内的气液分布如附图5所示。工质蒸汽在毛细管内放热冷凝，初始时在毛细管的管壳壁面103上形成液膜101。通过控制热管辐射器的工质充装量，可以使得传热功率较小时，下游的冷凝液膜不断变厚，最终在管内充分聚集形成液柱102。随着传热功率的加大，液柱与蒸汽界面将不断向下游后退，为毛细管提供更多的有效散热长度用于蒸汽段100的冷凝放热，从而实现了散热能力和等效导热率的自动调节。当传热功率达到最大设计值时，液柱102完全退出毛细管内，毛细管整个长度均用于散热，热管辐射器以恒定导热率工作。这两个工作状态与环路热管的冷凝段类似。
航天器在轨飞行实验发现，环路热管的毛细管冷凝段在空间微重力环境下冷凝换热系数只有2000～3000W/m2K，远远低于在地面测试时8000～10000W/m2K的水平。其主要原因是重力可以帮助毛细管内逐步变厚的液膜脱落、排出和沿重力方向聚集，为新的液膜的形成腾出空间。而在微重力环境中，由于没有重力的帮助，冷凝液膜主要成圆周轴对称分布，液膜在最终形成液塞前会持续不断地均匀变厚，导致传热热阻大幅上升，如附图6所示。这个问题的解决途径一般是在冷凝槽道内设置毛细结构以吸引冷凝液体的聚集。圆形毛细管虽然结构简单、成本相对低廉，但一个不足是没有专门的毛细结构。本发明在不改变毛细管基本结构的前提下，在管内穿入一根金属细丝104，贯穿毛细管全部长度。金属细丝104直径(0.05～0.2mm)远小于毛细管的内径，不会明显改变毛细管内的流动截面积。细丝呈松弛状态，其两端可以在毛细管的两个开口处系结直径大于毛细管管径的金属环进行固定。利用金属的弹性作用和毛细管的弯曲伸展形状，金属细丝104在绝大多数情况下会偏离毛细管的中心，倚靠在毛细管的壁面上。金属细丝104与邻近的毛细管壁面之间形成简单的平行狭缝结构，其毛细直径小于毛细管的内径。在微重力环境下，该结构能够打破毛细管内的气液轴对称分布，促进冷凝液的偏心聚集，提升毛细管的冷凝换热系数，如附图7所示。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种热管辐射器，其特征在于：包括热管和多根毛细管，所述热管包括蒸发段和冷凝段，均设有毛细芯层和蒸汽通道；所述冷凝段侧面上开设多个管孔，所述冷凝段包括内部蒸汽通道相互分隔的上游部分和下游部分，所述毛细管的一端连接所述上游部分的所述管孔，另一端连接所述下游部分的所述管孔。
2.如权利要求1所述的热管辐射器，其特征在于：所述毛细管包括毛细管引出段、毛细管回流段和毛细管中间段，所述毛细管引出段连接所述上游部分的所述管孔，所述毛细管回流段连接所述下游部分的所述管孔。
3.如权利要求2所述的热管辐射器，其特征在于：所述毛细管引出段与毛细管回流段与所述热管垂直，所述毛细管中间段与所述热管的中轴线平行。
4.如权利要求1所述的热管辐射器，其特征在于：还包括一充装管，用来充注相变工质，所述充装管连接在所述热管的蒸发段。
5.如权利要求1所述的热管辐射器，其特征在于：所述热管的外侧中部设置有一支撑架，用来支撑固定所述毛细管。
6.如权利要求1所述的热管辐射器，其特征在于：所述热管的管壁内侧的毛细芯层贯通热管的全部长度，厚度均匀，与所述热管的管壁紧密贴合。
7.如权利要求1所述的热管辐射器，其特征在于：热管的蒸汽通道内包括一堵塞装置，设置于所述冷凝段的上游部分和下游部分之间。
8.如权利要求6所述的热管辐射器，其特征在于：所述管孔的孔径相同，所述管孔穿透所述热管的管壳和所述毛细芯层，连通所述热管的内腔与各个毛细管，所述若干管孔沿所述热管的轴线方向成直线阵列均匀分布。
9.如权利要求2所述的热管辐射器，其特征在于：各毛细管的中间段在同一平面上相互平行，且相邻毛细管的间距为零。
10.如权利要求1所述的热管辐射器，其特征在于：所述毛细管内装有贯穿整个毛细管的圆金属丝。
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