CN112284166A - 一种航天器用两相流体回路冷凝器装置 - Google Patents

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Abstract

一种航天器用两相流体回路冷凝器装置。包括：管路压板、安装板、管路、安装板螺钉以及压板螺钉；所述安装板为板状金属结构，其表面加工有管路槽道用于安装管路，管路通过管路压板和压板螺钉紧固安装在管路槽道中，安装板通过安装板螺钉与辐射器紧固装配，安装板与辐射器间导热安装；所述管路压板为窄条状金属薄片结构，其两侧加工有通孔，用于压板螺钉穿过，管路压板与管路接触面为平面；所述安装板上设置有压板安装螺纹孔和安装板通孔，压板安装螺纹孔用于实现压板螺钉的装配，安装板通孔用于实现安装板螺钉的贯穿。该装置可以实现与不同结构形式航天遥感器结构的耦合，以及实现与不同尺寸、不同形状体装辐射器的安装，研制难度小、造价低。

Description

一种航天器用两相流体回路冷凝器装置
技术领域
本发明涉及一种航天器用两相流体回路冷凝器装置，属于航天热控领域。
背景技术
随着航天遥感技术的不断发展，光学遥感器对其核心器件(如CCD组件或CMOS组件)的温度要求越来越高，需要采用两相流体回路技术进行热控设计。两相流体回路的系统组成如图1所示。包括驱动装置11、蒸发器12、冷凝器14、辐射器15以及连接管路13等。航天遥感器在轨使用时，需要在一定的温度范围内，将两相流体回路的发热量向空间排散，并达到热平衡。在两相流体回路系统中，为了实现热量的排散，通常将冷凝器和辐射器进行耦合设计，冷凝器一般为盘绕的管路，管路内部为载热工质，冷凝器主要负责将两相流体回路蒸发器吸收的热量进行释放；辐射器主要通过结构外表面的辐射属性以热辐射的形式将冷凝器传递的热量进行排散。为了保证两相流体回路吸收的热量可以有效被排散，冷凝器和辐射器之间的热阻要减少到最小，从而保证二者之间良好的热偶和。
目前，辐射器的类型主要包括被动结构辐射器和体装辐射器。被动结构辐射器是利用航天器表面，直接向空间进行散热的辐射器；体装辐射器是装在航天器外，且与航天结构外形相似的辐射器，通过采用两相流体回路等技术将内部热量输送到辐射器上。随着航天遥感器分辨率的不断提升，遥感器内部发热功率越来越大，遥感器的体积和结构也越来越大，需要采用两相流体回路通过管路的形式将热量从内部传到航天遥感器的结构体上(如相机镜筒)或装在航天器外部的体装辐射器。然而，遥感器的结构通常为非平面结构，针对该结构形式的体装辐射器不好加工。此外，为实现超大结构的加工与研制，相机结构大多采用了强度高、刚性好且质量轻的铝蜂窝结构，考虑到蜂窝结构导热系数普遍较低，且冷凝管路管径通常较小，冷凝管路与蜂窝结构之间接触热阻较大。另一方面，随着传热功率的增加，采用体辐射器的面积也越来越大，传统形式的冷凝器也逐渐被淘汰。因此，需要设计一种适用于大型航天遥感器应用的两相流体回路冷凝器装置，适应不同的航天器结构和体装辐射器，降低研制成本和难度，提升加工速度。
发明内容
本发明解决的技术问题：克服现有两相流体回路冷凝器的不足，研制了一种适用于不同结构的两相流体回路冷凝器装置，该装置可以实现与不同结构形式航天遥感器结构的耦合，以及实现与不同尺寸、不同形状体装辐射器的安装，具有研制难度小、造价低、研制周期短等优点，具有一定的通用性。
本发明的技术解决方案是：
一种航天器用两相流体回路冷凝器装置，包括：管路压板、安装板、管路、安装板螺钉以及压板螺钉；
所述安装板为板状金属结构，其表面加工有管路槽道用于安装管路，管路通过管路压板和压板螺钉紧固安装在管路槽道中，安装板通过安装板螺钉与辐射器紧固装配，安装板与辐射器间导热安装；
所述管路压板为窄条状金属薄片结构，其两侧加工有通孔，用于压板螺钉穿过，管路压板与管路接触面为平面；
所述安装板上设置有压板安装螺纹孔和安装板通孔，压板安装螺纹孔用于实现压板螺钉的装配，安装板通孔用于实现安装板螺钉的贯穿。
进一步的，所述安装板形状为长条形、马鞍形、圆形或蛇形。
进一步的，所述安装板上设置有一条或多条管路槽道。
进一步的，管路槽道中间填涂导热材料，安装板与辐射器之间填涂导热材料。
进一步的，冷凝管路中的工质首先通过对流换热的形式将热量传递给冷凝管路的壁面，冷凝管路的壁面与管路安装槽导热连接，并通过管路压板压紧，热量通过管路安装槽导热传递给安装板，安装板通过导热将热量传递给辐射器。
进一步的，冷凝管路内的工质与辐射器之间的温度差为：
Figure BDA0002702353540000031
其中，T1为冷凝器管路内工质温度，T2为辐射器温度，Q为辐射器排散的热量；R1、R2、R3分别为对流换热热阻、管路与安装板接触热阻和安装板与辐射器接触热阻。
进一步的，R1计算如下：
Figure BDA0002702353540000032
式中h1为对流换热系数，A为管路内壁截面积；
Figure BDA0002702353540000033
式中Nu为Nuselt数，kf为工质导热系数，di为管路内径；
Nu根据下式进行计算：
Figure BDA0002702353540000034
式中f为摩擦系数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，当管壁温度高于流体时，n＝0.4，否则，n＝0.3；
R2、R3计算如下
Figure BDA0002702353540000035
Figure BDA0002702353540000036
式中h2和h3分别为管路与安装板之间、安装板与辐射器之间的接触传热系数，A2和A3分别为管路与安装板之间、安装板与辐射器之间的接触面积。
进一步的，所述管路槽道直径比管路直径大0.5mm到1.0mm之间；所述管路槽道高度比所述管路的外径小0.1mm到0.5mm之间。
进一步的，安装板的材质为不锈钢、铜或铝合金。
进一步的，所述安装板通孔直径大于所述安装板螺钉外径0.5mm到1.0mm之间；所述安装板螺钉长度大于安装板厚度1mm到3mm之间；所述压板螺钉长度小于安装板厚度1mm到3mm之间。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明提供的两相流体回路冷凝器装置，克服传统辐射器管路安装槽加工的困难，实现了辐射器与管路安装槽的解耦，并将管路安装槽作为两相流体回路冷凝器的一部分，具有加工简单，成本低，研制周期短等优点；
(2)本发明提供的两相流体回路冷凝器装置，可以安装在相机结构或体装辐射器上；
(3)本发明提供的两相流体回路冷凝器装置，可以按照需求加工成不同的形状，如长条形、马鞍形、圆形、蛇形等；
(4)本发明提供的两相流体回路冷凝器装置，管路安装板的材质可以为不锈钢、铜、铝合金等材料。
附图说明
图1为两相流体回路组成示意图；
图2为两相流体回路冷凝器装置组成示意图；
图3为安装板放大图；
图4为安装板装配示意图；
图5为管路压板装配示意图；
其中：1：辐射器；2：管路压板；3：压板螺钉；4：压板安装螺纹孔；5：管路槽道；6：安装板通孔；7：安装板；8：管路；9：安装板螺钉；10：压板螺钉
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图2～图5所示，本发明提出的一种航天器用两相流体回路冷凝器装置，包括：管路压板2、安装板7、管路8、安装板螺钉9以及压板螺钉10；
所述安装板7为板状金属结构，其表面加工有管路槽道5用于安装管路8，管路8通过管路压板2和压板螺钉10紧固安装在管路槽道5中，安装板7通过安装板螺钉9与辐射器1紧固装配，安装板7与辐射器1间导热安装；
所述管路压板2为窄条状金属薄片结构，其两侧加工有通孔，用于压板螺钉10穿过，管路压板2与管路8接触面为平面；
所述安装板7上设置有压板安装螺纹孔4和安装板通孔6，压板安装螺纹孔4用于实现压板螺钉10的装配，安装板通孔6用于实现安装板螺钉9的贯穿。
所述安装板7形状为长条形、马鞍形、圆形或蛇形。
所述安装板7上设置有一条或多条管路槽道。管路槽道5中间填涂导热材料，安装板7与辐射器1之间填涂导热材料。
冷凝管路中的工质首先通过对流换热的形式将热量传递给冷凝管路的壁面，冷凝管路的壁面与管路安装槽导热连接，并通过管路压板压紧，热量通过管路安装槽导热传递给安装板，安装板通过导热将热量传递给辐射器。
冷凝管路内的工质与辐射器之间的温度差为：
Figure BDA0002702353540000051
其中，T1为冷凝器管路内工质温度，T2为辐射器温度，Q为辐射器排散的热量；R1、R2、R3分别为对流换热热阻、管路与安装板接触热阻和安装板与辐射器接触热阻。
R1计算如下：
Figure BDA0002702353540000061
式中h1为对流换热系数，A为管路内壁截面积；
Figure BDA0002702353540000062
式中Nu为Nuselt数，kf为工质导热系数，di为管路内径；
Nu根据下式进行计算：
Figure BDA0002702353540000063
式中f为摩擦系数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，当管壁温度高于流体时，n＝0.4，否则，n＝0.3；
R2、R3计算如下
Figure BDA0002702353540000064
Figure BDA0002702353540000065
式中h2和h3分别为管路与安装板之间、安装板与辐射器之间的接触传热系数，A2和A3分别为管路与安装板之间、安装板与辐射器之间的接触面积。
本发明冷凝器装置的安装顺序为：首先将管路槽道5中间填涂导热材料，然后将管路8放置于管路槽道5中，随后通过压板螺钉3实现管路压板2与安装板7之间的紧固，再将辐射器1与安装板3接触的位置处填涂导热材料，并将安装板3与辐射器1进行导热连接，最后利用安装板螺钉9将安装板3与辐射器1进行紧固连接。
本发明提供的两相流体回路冷凝器装置，克服传统辐射器管路安装槽加工的困难，实现了辐射器与管路安装槽的解耦，并将管路安装槽作为两相流体回路冷凝器的一部分，具有加工简单，成本低，研制周期短等优点；同时，本发明提供的两相流体回路冷凝器装置，可以安装在相机结构或体装辐射器上。
给出本发明实施例：
安装板上加工出来的管路槽道5直径比管路8直径大0.5mm到1.0mm之间；管路槽道5高度比所述管路8的外径小0.1mm到0.5mm之间。
安装板的形状可以根据需求加工为长条形、马鞍形、圆形、蛇形等，材质为不锈钢、铜或铝合金。
安装板通孔6直径大于所述安装板螺钉9外径0.5mm到1.0mm之间；所述安装板螺钉9长度大于安装板7厚度1mm到3mm之间；所述压板螺钉9长度小于安装板7厚度1mm到3mm之间。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。

Claims (10)

1.一种航天器用两相流体回路冷凝器装置，其特征在于包括：管路压板(2)、安装板(7)、管路(8)、安装板螺钉(9)以及压板螺钉(10)；
所述安装板(7)为板状金属结构，其表面加工有管路槽道(5)用于安装管路(8)，管路(8)通过管路压板(2)和压板螺钉(10)紧固安装在管路槽道(5)中，安装板(7)通过安装板螺钉(9)与辐射器(1)紧固装配，安装板(7)与辐射器(1)间导热安装；
所述管路压板(2)为窄条状金属薄片结构，其两侧加工有通孔，用于压板螺钉(10)穿过，管路压板(2)与管路(8)接触面为平面；
所述安装板(7)上设置有压板安装螺纹孔(4)和安装板通孔(6)，压板安装螺纹孔(4)用于实现压板螺钉(10)的装配，安装板通孔(6)用于实现安装板螺钉(9)的贯穿。
2.根据权利要求1所述的一种航天器用两相流体回路冷凝器装置，其特征在于：所述安装板(7)形状为长条形、马鞍形、圆形或蛇形。
3.根据权利要求1所述的一种航天器用两相流体回路冷凝器装置，其特征在于：所述安装板(7)上设置有一条或多条管路槽道。
4.根据权利要求1所述的一种航天器用两相流体回路冷凝器装置，其特征在于：管路槽道(5)中间填涂导热材料，安装板(7)与辐射器(1)之间填涂导热材料。
5.根据权利要求1所述的一种航天器用两相流体回路冷凝器装置，其特征在于：冷凝管路中的工质首先通过对流换热的形式将热量传递给冷凝管路的壁面，冷凝管路的壁面与管路安装槽导热连接，并通过管路压板压紧，热量通过管路安装槽导热传递给安装板，安装板通过导热将热量传递给辐射器。
6.根据权利要求1所述的一种航天器用两相流体回路冷凝器装置，其特征在于：冷凝管路内的工质与辐射器之间的温度差为：
Figure FDA0002702353530000021
其中，T1为冷凝器管路内工质温度，T2为辐射器温度，Q为辐射器排散的热量；R1、R2、R3分别为对流换热热阻、管路与安装板接触热阻和安装板与辐射器接触热阻。
7.根据权利要求6所述的一种航天器用两相流体回路冷凝器装置，其特征在于：R1计算如下：
Figure FDA0002702353530000022
式中h1为对流换热系数，A为管路内壁截面积；
Figure FDA0002702353530000023
式中Nu为Nuselt数，kf为工质导热系数，di为管路内径；
Nu根据下式进行计算：
Figure FDA0002702353530000024
式中f为摩擦系数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，当管壁温度高于流体时，n＝0.4，否则，n＝0.3；
R2、R3计算如下
Figure FDA0002702353530000025
Figure FDA0002702353530000026
式中h2和h3分别为管路与安装板之间、安装板与辐射器之间的接触传热系数，A2和A3分别为管路与安装板之间、安装板与辐射器之间的接触面积。
8.根据权利要求1所述的一种航天器用两相流体回路冷凝器装置，其特征在于：所述管路槽道(5)直径比管路(8)直径大0.5mm到1.0mm之间；所述管路槽道(5)高度比所述管路(8)的外径小0.1mm到0.5mm之间。
9.根据权利要求1所述的一种航天器用两相流体回路冷凝器装置，其特征在于：安装板的材质为不锈钢、铜或铝合金。
10.根据权利要求1所述的一种航天器用两相流体回路冷凝器装置，其特征在于：所述安装板通孔(6)直径大于所述安装板螺钉(9)外径0.5mm到1.0mm之间；所述安装板螺钉(9)长度大于安装板(7)厚度1mm到3mm之间；所述压板螺钉(9)长度小于安装板(7)厚度1mm到3mm之间。
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