CN112964108B - 基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统 - Google Patents

基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统，其对循环回路中的流体进行温度控制，包括：温控阀门，被配置为根据有效载荷的瞬时功率将循环回路中的流体进行分流，以便将循环回路中的流体分别输送至第一支路和第二支路；其中，第一支路中的流体通过相变储能装置进行冷却；所述第一支路冷却后和所述第二支路合并，一起连接至有效载荷的入口；所述循环回路中的流体将有效载荷进行冷却。

Description

基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统
技术领域
本发明涉及卫星热控技术领域，特别涉及一种基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统。
背景技术
随着科学技术的发展，卫星的功能已经越来越强大，随之而来的是卫星的功耗也越来越大。如果卫星内电子元器件的温度过高，则会影响其运算效率，降低可靠性，缩短卫星的使用寿命。因此，卫星热控系统是非常重要的分系统之一，主要任务是控制卫星内的设备和结构的温度在要求的范围内，尤其是对于寿命要求较高的卫星，卫星热控系统显得尤为重要。
由于太空中为真空环境，传热途径有限，主要的传热途径为热传导及热辐射。随着电子元器件的热耗愈来愈大，卫星内的结构愈来愈复杂，传统的热传导及热辐射已不能满足卫星热控系统的要求。为此，本申请人进行了有益的探索和研究，找到了解决上述问题的办法，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统，以解决现有的传统的热控已不能满足卫星瞬时大功率单机的高精度控温要求的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统，其对循环回路中的流体进行温度控制，包括：
温控阀门，被配置为根据有效载荷的瞬时功率将循环回路中的流体进行分流，以便将循环回路中的流体分别输送至第一支路和第二支路；
其中，第一支路中的流体通过相变储能装置进行冷却；
所述第一支路冷却后和所述第二支路合并，一起连接至有效载荷的入口；
所述循环回路中的流体将有效载荷进行冷却。
可选的，在所述的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统中，还包括：
所述温控阀门分为第一出口和第二出口，由所述第一出口流出的流体流过第一支路，由所述第二出口流出的流体流过第二支路，所述第一支路还所述第二支路合并后连接至有效载荷的入口；
所述第一支路通过相变储能装置连接至有效载荷的入口，所述第二支路直接连接至有效载荷的入口。
可选的，在所述的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统中，还包括：
储液罐，被配置为存储循环回路中的流体；
循环泵，被配置为向循环回路中的流体提供流动的动力；
流量传感器，被配置为检测循环回路中的流体的流速及流量；
循环回路中的流体由储液罐出发，依次流过循环泵、流量传感器及温控阀门。
可选的，在所述的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统中，所述相变储能装置包括容置装置、以及容置装置中的相变材料，所述循环回路中的流体的热量传导至固态相变材料，以使固态相变材料成为液态相变材料，液态相变材料通过热辐射将热量散发至空间中，以使液态相变材料成为固态相变材料。
可选的，在所述的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统中，还包括：
第一温度传感器，被布置在相变储能装置的出口与第一支路和第二支路的合并处之间；
第二温度传感器，被布置在第一支路和第二支路的合并处与有效载荷的入口之间；
第三温度传感器，被布置在有效载荷与储液罐之间；
第四温度传感器，被布置在流量传感器与温控阀门之间。
可选的，在所述的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统中，所述第一温度传感器检测第一温度值，所述第二温度传感器检测第二温度值，所述第三温度传感器检测第三温度值，所述第四温度传感器检测第四温度值；
根据第二温度值调整温控阀门的比例值，所述比例值为第一支路的流量与第二支路的流量的比值；
所述第一温度值、第三温度值和第四温度值用于检测在轨瞬时大功率控温系统的状态。
可选的，在所述的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统中，还包括两个加注排放阀，用于向循环回路排入流体或将流体排出循环回路；两个加注排放阀分别布置在储液罐的入口和循环泵的出口处。
在本发明提供的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统中，通过温控阀门根据有效载荷的瞬时功率将循环回路中的流体进行分流，且调节第一支路和第二支路的流量比例(第一支路能够散热，第二支路不散热)，实现了流体温度的灵活控制；
另外，通过第一支路中的流体通过相变储能装置进行冷却，实现了相变储能装置代替传统的换热器，实现了热传导结合热辐射代替了简单的热辐射散热，相变储能装置的热容较大，可以适用瞬时大功率载荷散热，将瞬间释放的热量有效的缓慢延迟到后续散热进程中，无需设置较大的热辐射散热装置，能够适应大功率有效载荷的各种使用场景；
进一步的，瞬间释放的热量较大也很好的解决了后续散热装置需要额外加热的问题，降低了损耗功率；基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统通过相变储能装置平时的辐射散热冷却，可以有效加长散热时间，(传统方案要考虑有效载荷工作时实时将热散走，否则流体工质温度无法降下来，本发明让相变材料把热能存起来，在有效载荷不工作的时候慢慢辐射散热)大大减小散热面的负担(即散热面积可以减小)，即以时间保证总散热量；
更进一步的，相变储能装置冷却不需要精密控温，只需要确保过冷，大大简化了精密控温及散热同时实现带来的复杂控制(传统方案要通过换热器达到出口温度精密控温也很难，需要再在储液罐进行控温，由于储液罐液体多，热熔大，精密控温代价很大，加热功率会很大)；本发明的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统已经通过地面热真空系统验证试验，方案合理可行，能实现实时大功率高精度散热控温。
附图说明
图1是现有的在轨瞬时大功率控温系统示意图；
图2是本发明一实施例的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统示意图；
图中所示：10-有效载荷；20-相变储能装置；30-温控阀门；40-流量传感器；50-循环泵；60-储液罐；70-加注排放阀。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
本发明的核心思想在于提供一种基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统，以解决现有的传统的热控已不能满足卫星热控系统的要求的问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统，其对循环回路中的流体进行温度控制，包括：温控阀门，被配置为根据有效载荷的瞬时功率将循环回路中的流体进行分流，以便将循环回路中的流体分别输送至第一支路和第二支路；其中，第一支路中的流体通过相变储能装置进行冷却；所述第一支路冷却后和所述第二支路合并，一起连接至有效载荷的入口；所述循环回路中的流体将有效载荷进行冷却。
本发明适用于当有效载荷是瞬时大功率密度负载(上千瓦)，且系统又有控温精度要求的情况。瞬时大功率密度负载散热需要通过高速流体回路进行散热，但在航天器中最终的散热途径只有一种(空间)辐射散热，对于大功率瞬时工作单机如果单靠辐射面积散热则需要很大辐射面积，平时又需要很大的加热功率补偿，系统会非常庞大，而且能源消耗很大。
如图1所示，现有的在轨瞬时大功率控温系统包括依次相连形成循环回路的有效载荷、换热器、储液罐、循环泵及流量传感器，流体的流向如上所述，其中在换热器的入口处设置温度传感器T2，其中温度传感器T2的控温精度要求为t0±2℃，t0为基准温度。另外现有的在轨瞬时大功率控温系统需要较大的换热器，以及需要精准控温。
如果采用如图1所示的传统简单回路系统散热，由循环泵驱动冷却液体进入有效载荷，将有效载荷的热带出，通过换热器快速冷却，同时需要将换热器做成非常大的散热面进行辐射散热。冷却后的液体流回储液罐，为确保控温精度，需要对储液罐进行控温处理，不工作时，由于有效载荷没有热量带出，为确保系统的温度不降低，需要对换热器进行补偿加热控温，能源损耗大。
本发明提供一种基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统，包括依次相连形成循环回路的温控阀门30、相变储能装置20、有效载荷10、储液罐60、循环泵50及流量传感器40，其中：所述储液罐60存储循环回路中的流体；所述循环泵50为循环回路中的流体提供流动的动力；循环回路中的流体由储液罐60出发，依次流过循环泵50、流量传感器40及温控阀门30；所述流量传感器40检测循环回路中的流体的流速及流量；所述温控阀门30分为第一出口和第二出口，由所述第一出口流出的流体流过第一支路，由所述第二出口流出的流体流过第二支路，所述第一支路还所述第二支路合并后连接至有效载荷10的入口；所述第一支路通过相变储能装置20连接至有效载荷10的入口，所述第二支路直接连接至有效载荷10的入口；所述相变储能装置20将循环回路中的流体进行冷却；所述循环回路中的流体将有效载荷10进行冷却。
具体的，在所述的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统中，所述相变储能装置20包括容置装置、以及容置装置中的相变材料，所述循环回路中的流体的热量传导至固态相变材料，以使固态相变材料成为液态相变材料，液态相变材料通过热辐射将热量散发至空间中，以使液态相变材料成为固态相变材料，瞬时大功率有效载荷工作时间短，因此相比于传统散热模式，相变储能装置更适用于瞬时大功率有效载荷的散热，液态相变材料在载荷不工作的时候通过热辐射慢慢将热量散发至空间中，由液态变回固态相变材料。
进一步的，在所述的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统中，还包括：第一温度传感器T1，被布置在相变储能装置20的出口与第一支路和第二支路的合并处之间；第二温度传感器T2，被布置在第一支路和第二支路的合并处与有效载荷10的入口之间；第三温度传感器T3，被布置在有效载荷10与储液罐60之间；第四温度传感器T0，被布置在流量传感器40与温控阀门30之间。
另外，在所述的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统中，所述第一温度传感器T1检测第一温度值，所述第二温度传感器T2检测第二温度值，所述第三温度传感器T3检测第三温度值，所述第四温度传感器T0检测第四温度值；根据第二温度值调整温控阀门30的比例值，所述比例值为第一支路的流量与第二支路的流量的比值；所述第一温度值、第三温度值和第四温度值用于检测在轨瞬时大功率控温系统的状态。
在本发明的一个实施例中，在所述的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统中，还包括两个加注排放阀70，用于向循环回路排入流体或将流体排出循环回路；两个加注排放阀70分别布置在储液罐60的入口和循环泵50的出口处。
在本发明提供的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统中，通过设置相变储能装置20代替传统的换热器，实现了热传导结合热辐射代替了简单的热辐射散热，相变储能装置20的热容较大，可以适用瞬时大功率载荷的瞬时高温散热，将瞬间释放的热量有效的缓慢延迟到后续散热进程中，无需设置较大的热辐射散热装置；基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统通过相变储能装置20平时的辐射散热冷却，可以有效加长散热时间，(传统方案要考虑有效载荷10工作时实时将热散走，否则流体工质温度无法降下来，本发明让相变材料把热能存起来，在有效载荷10不工作的时候慢慢辐射散热)大大减小散热面的负担(即散热面积可以减小)，即以时间保证总散热量；
另外，相变储能装置20冷却不需要精密控温，只需要确保过冷，大大简化了精密控温及散热同时实现带来的复杂控制(传统方案要通过换热器达到出口温度精密控温也很难，需要再在储液罐60进行控温，由于储液罐60液体多，热熔大，精密控温代价很大，加热功率会很大)；本发明的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统已经通过地面热真空系统验证试验，方案合理可行，能实现实时大功率高精度散热控温。
本发明提出了基于在轨相变储能及冷热掺混方案的瞬时大功率控温系统，如图2所示，循环泵50为整个回路系统所需的流体流动提供动力；温控阀门30用于快速调节相变储能装置20第一支路(冷回路)，以及第一支路(热旁路)的流量比例，从而控制T2的温度达到t0±2℃的要求；相变储能装置20是通过相变材料做成的换热器，用于提供过冷换热，相变点温度设置在低于t0-5℃，并确保相变储能换热存热能力大于有效载荷10的载荷总能量，平时通过辐射散热冷却相变材料；相变储能装置20是封装相变材料的换热器，相变材料为固液相变，在有效载荷10工作时，热的工质流体流入相变储能装置20，将相变材料由固变液融化，储存热量，从而冷却工质流体，有效载荷10不工作时，相变储能装置20通过辐射散热，将相变材料由液体凝固成固体。储液罐60用于存储少量回路循环必须的液体。
综上，上述实施例对基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统，其对循环回路中的流体进行温度控制，其特征在于，包括：
温控阀门，被配置为根据有效载荷的瞬时功率将循环回路中的流体进行分流，以便将循环回路中的流体分别输送至第一支路和第二支路；
储液罐，被配置为存储循环回路中的流体；
循环泵，被配置为向循环回路中的流体提供流动的动力；
流量传感器，被配置为检测循环回路中的流体的流速及流量；
第一温度传感器，被布置在相变储能装置的出口与第一支路和第二支路的合并处之间；
第二温度传感器，被布置在第一支路和第二支路的合并处与有效载荷的入口之间；
第三温度传感器，被布置在有效载荷与储液罐之间；
第四温度传感器，被布置在流量传感器与温控阀门之间；
其中，循环回路中的流体由储液罐出发，依次流过循环泵、流量传感器及温控阀门；
所述第一温度传感器检测第一温度值，所述第二温度传感器检测第二温度值，所述第三温度传感器检测第三温度值，所述第四温度传感器检测第四温度值；
根据第二温度值调整温控阀门的比例值，所述比例值为第一支路的流量与第二支路的流量的比值；
所述第一温度值、第三温度值和第四温度值用于检测在轨瞬时大功率控温系统的状态；
第一支路中的流体通过相变储能装置进行冷却；
所述第一支路冷却后和所述第二支路合并，一起连接至有效载荷的入口；
所述循环回路中的流体将有效载荷进行冷却；
所述相变储能装置包括容置装置、以及容置装置中的相变材料，所述循环回路中的流体的热量传导至固态相变材料，以使固态相变材料成为液态相变材料，液态相变材料通过热辐射将热量散发至空间中，以使液态相变材料成为固态相变材料；
温控阀门根据有效载荷的瞬时功率将循环回路中的流体进行分流，且调节第一支路和第二支路的流量比例；
通过第一支路中的流体通过相变储能装置进行冷却代替传统换热器，实现热传导结合热辐射，以适用瞬时大功率载荷散热，将瞬间释放的热量有效的缓慢延迟到后续散热进程中，无需设置较大的热辐射散热装置，能够适应大功率有效载荷的各种使用场景；
瞬间释放的热量避免散热装置需要额外加热；基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统通过相变储能装置的辐射散热冷却，有效加长散热时间，通过相变材料把热能存起来，在有效载荷不工作的时候缓慢辐射散热，以时间保证总散热量；
相变储能装置冷却通过确保过冷代替精密控温，简化精密控温及散热同时实现带来的复杂控制。
2.如权利要求1所述的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统，其特征在于，还包括：
所述温控阀门分为第一出口和第二出口，由所述第一出口流出的流体流过第一支路，由所述第二出口流出的流体流过第二支路，所述第一支路和所述第二支路合并后连接至有效载荷的入口；
所述第一支路通过相变储能装置连接至有效载荷的入口，所述第二支路直接连接至有效载荷的入口。
3.如权利要求1所述的基于在轨相变储能及冷热掺混的瞬时大功率控温系统，其特征在于，还包括两个加注排放阀，用于向循环回路排入流体或将流体排出循环回路；两个加注排放阀分别布置在储液罐的入口和循环泵的出口处。
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