CN113518540B - 一种多功率防冻型空间辐射散热系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功率防冻型空间辐射散热系统及其工作方法，属于能源综合利用领域。该系统通过安装在冷却剂管道内部的防冻支管，在防冻支管内部通入水作为导热介质，通过阀门的控制以及独特的回路设计，控制参与进行辐射散热的辐射散热单元数量，从而达到在调节热管式辐射散热器散热功率的同时还能防止冷却剂支管内部流体冻结的目的。本发明还基于传统的热管式辐射散热器的翅片进行了改进设计，提升了系统的安全性能。本发明具有辐射散热效果调节能力好，冷却剂管道内流体不易冻结，功率调节响应时间短且安全性能好的优点，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外太空飞行的要求。

Description

一种多功率防冻型空间辐射散热系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种多功率空间辐射散热系统及其工作方法，尤其涉及一种多功率防冻型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

空间核动力电源系统是未来空间飞行器的首选动力系统，相比较于传统的太阳能以及化石能源，它具有能量密度高、结构紧凑、不受相对太阳位置影响等优点；但是，由于核动力电源系统的热电转换效率较低，要提高核动力电源系统的输出功率，必然需要提高整个系统的散热功率，而在外太空只能通过热辐射的形式进行散热，散热手段有限，因此高效可调节的热辐射散热装置是必须的。

热管式辐射散热器是空间核动力电源系统最常用的散热装置，它是由许多传热单元组成的，每个传热单元都由一根热管以及钎焊或者粘连在热管上的翅片组成，这些传热单元都并列的插入冷却剂管道中，通过高温的冷却剂将热量传至热管，再由热管将热量传导至翅片，后者具有较大的表面积，因此可以通过辐射传热将热量传递至外界。

在核反应堆系统功率发生变化时，所需要的散热功率也会相应的发生变化，但是辐射散热单元的数目是一定的，并不能随着所需散热功率进行调整，若是实际运行时辐射散热器的散热功率远小于辐射散热器的设计散热功率，热管内部的工质可能会由于热量不足而发生冻结，这会对整个空间核反应堆电源系统造成不利的影响；此外，空间中的许多小型陨石还可能对热管产生撞击，导致热管失效，但是在外太空飞行器上热管并不能得到及时的维修，这些问题都会直接影响到整个空间核动力电源系统的安全稳定。

发明内容

发明目的：

针对上述技术中存在的不足，本发明提出多功率防冻型空间辐射散热系统及其工作方法，可以利用阀门对辐射散热器进行控制，通过控制参与散热的辐射散热单元数量来对辐射散热功率进行调节，以适应空间核反应堆功率变化所带来的散热量变化，并且可以很好的防止热管出现内部工质冻结的问题，此外，通过对翅片进行改进设计，能够保证热管破损失效时辐射散热器正常工作，以上设计和改进可以显著提高空间核动力电源系统的稳定性与适应性，能够更好地满足长期空间飞行的要求。

技术方案：

一种多功率防冻型空间辐射散热系统，包括冷却剂循环回路和防冻支管回路；所述冷却剂循环回路包括冷却剂换热器、冷却剂管道和若干组依次串联在冷却剂管道上的辐射散热单元，相邻辐射散热单元之间的冷却剂管道上设置阀门，用于控制冷却剂管道中冷却剂是否进入下一个辐射散热单元；所述防冻支管回路用于向辐射散热单元输入导热工质，防冻支管回路处于一个持续运行的状态，防止未工作的辐射散热单元中冷却剂支管内流体以及辐射散热单元中热管内部的工质冻结。

进一步的，所述防冻支管回路包括防冻支管；所述防冻支管设置于所述冷却剂管道内，阀门设置为只控制冷却剂管道内的流体流动，但是并不控制防冻支管内的流体流动。

进一步的，所述防冻支管回路还包括第一水泵、气液分离器和热水换热器，所述防冻支管的出水端连接气液分离器的进口e，进水端连接第一水泵；气液分离器的蒸汽出口g与热水换热器的热端进口h连接；

进一步的，所述气液分离器的液体水出口f和热水换热器的热端出口k连接第一水泵。

进一步的，所述冷却剂管道呈U型，其两端分别连接冷却剂换热器的冷端出口b和冷端进口c，若干组辐射散热单元在冷却剂管道上线性排列；相邻辐射散热单元之间，U型冷却剂管道的两条边上分别设有一级阀门，一级阀门之前两条边连通，连通管道上设置二级阀门。

进一步的，所述辐射散热单元包含若干根热管和翅片，热管插入冷却剂管道内，翅片通过焊接或者粘合的方式附着于热管上，翅片的末端插入冷却剂管道内；热管的末端与防冻支管接触，翅片的末端不与防冻支管接触。现有的翅片都分布在冷却剂管道外部，如果热管破损，粘合在热管上的翅片就会失效，因为翅片通过热管导热然后再进行辐射散热的，但是设计成插入式的，即使热管破损失效，翅片末端还会和冷却剂进行对流换热然后再通过辐射散热把余热排出。

进一步的，空间飞行器上的空间核反应堆电源系统的气体出口与所述冷却剂换热器的热端进口a连接。

进一步的，可以添加任意组辐射散热单元并添加相应的阀门以及管道，从而实现空间辐射散热系统多功率运行。

上述多功率防冻型空间辐射散热系统的工作方法，包括如下步骤：

步骤一：选择需要工作的前N个辐射散热单元，打开冷却剂管道上的前N*2个一级阀门，关闭前N-1个二级阀门；冷却剂由冷却剂换热器冷端出口b流出，依次流经前N个辐射散热单元，然后进入冷却剂换热器冷端进口c；

步骤二：防冻工质输入冷却剂管道中，经过前N个辐射散热单元时被加热，然后进入之后未工作的辐射散热单元，加热辐射散热单元中冷却剂支管内的流体。

进一步的，还包括步骤三：步骤二产生的防冻工质水汽混合物输入气液分离器，分离出的液体进入防冻支管回路，气体作为加热介质进入热水换热器。

本发明具有如下有益效果：

(1)可以根据空间核动力电源系统功率的散热需求变化进行主动调节，通过控制参与散热的辐射散热单元数目以调整辐射散热器的散热功率，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，此外，通过特殊的设计，可以有效防止未参加辐射散热部分热管工质的冻结问题，在实现主动调节辐射散热器散热功率的同时还能防止散热单元中的工质冻结，能够有效的提升辐射散热系统的适应性以及安全性能。

(2)由于空间飞行器运行环境的特殊性，热管部件在遭受陨石撞击后不能得到及时的修理，长期以往，会对整个空间些动力电源系统的安全性能造成很大的影响，本发明中通过独特的翅片设计，在热管出现破损后，在不依靠热管的情况下依旧能够进行正常的辐射散热，可以显著提高空间核动力电源系统的安全性，能够更好地满足外太空环境下飞行探测的要求。

(3)在辐射散热器中加入的新型防冻工质水循环，不仅能够防止散热单元中的工质冻结，还能利用余热对飞行器中的生活用水进行加热，能够充分的利用核反应堆余热，提高能量利用率。

(4)在本发明的基础上，还能够继续添加任意组辐射散热单元并添加相应的阀门以及管道，从而实现更多级的功率控制功能，大幅提高辐射散热系统的适应性。

附图说明

图1为本发明一种多功率防冻型空间辐射散热系统的结构示意图；

其中：1-第一水泵，2-冷却剂换热器，3-防冻支管，4-冷却剂管道，5-第一组辐射散热单元，6-第一一级阀门，7-第二一级阀门，8-第二组辐射散热单元，9-第一二级阀门，10-第二二级阀门，11-第三组辐射散热单元，12-第三二级阀门，13-第三一级阀门，14-

第二水泵，15-电磁泵，16-气液分离器，17-热水换热器，a-冷却剂换热器热端进口，b-冷却剂换热器冷端出口，c-冷却剂换热器冷端进口，d-冷却剂换热器热端出口，e-气液分离器进口，f-气液分离器液体出口，g-气液分离器蒸汽出口，h-热水换热器热端进口，i-热水换热器冷端进口，j-热水换热器冷端出口，k-热水换热器热端出口。

图2为本发明一种多功率防冻型空间辐射散热系统辐射散热单元的结构示意图；

其中：3-防冻支管，4-冷却剂管道，18-热管，19-翅片，n-冷却剂，o-防冻工质水。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的解释。

如图1所示，本实施例中采用三组辐射散热单元。冷却剂循环回路包括冷却剂换热器2，冷却剂管道4，第一组辐射散热单元5，第一一级阀门6，第二一级阀门7，第三一级阀门13，第二组辐射散热单元8，第一二级阀门9，第二二级阀门10，第三二级阀门12，第三组辐射散热单元11，电磁泵15。防冻支管回路包括第一水泵1，防冻支管3，第二水泵14，气液分离器16，热水换热器17。

冷却剂循环回路可分为三段，第一段冷却剂循环回路中冷却剂换热器2冷端出口b与第一组辐射散热单元5连接，第一组辐射散热单元5与第一一级阀门6连接，第一一级阀门6与电磁泵15连接，电磁泵15与冷却剂换热器2冷端进口连接。第二段冷却剂循环回路中冷却剂换热器2冷端出口b与第一组辐射散热单元5连接，第一组辐射散热单元5与第二一级阀门7连接，第二一级阀门7与第二组辐射散热单元8连接，第二组辐射散热单元8与第一二级阀门9连接，第一二级阀门9与第三一级阀门13连接，第三一级阀门13与电磁泵15连接，电磁泵15与冷却剂换热器2冷端进口连接。第三段冷却剂循环回路中冷却剂换热器2冷端出口b与第一组辐射散热单元5连接，第一组辐射散热单元5与第二一级阀门7连接，第二一级阀门7与第二组辐射散热单元8连接，第二组辐射散热单元8与第二二级阀门10连接，第二二级阀门10与第三组辐射散热单元11连接，第三组辐射散热单元11与第三二级阀门12连接，第三二级阀门12和第三一级阀门13连接，第三一级阀门13与电磁泵15连接，电磁泵15与冷却剂换热器2冷端进口连接。

防冻支管回路也分为三段，第一段防冻工质循环回路中，第一水泵1与防冻支管3连接，防冻支管3与第一组辐射散热单元5连接，第一组辐射散热单元5与第一一级阀门6连接，第一一级阀门6连接与第二水泵14连接，第二水泵14连接与气液分离器16进口e连接。第二段防冻工质循环回路中，第一水泵1与防冻支管3连接，防冻支管3与第一组辐射散热单元5连接，第一组辐射散热单元5与第二一级阀门7连接，第二一级阀门7与第二组辐射散热单元8连接，第二组辐射散热单元8与第一二级阀门9连接，第一二级阀门9和第三一级阀门13连接，第三一级阀门13与第二水泵14连接，第二水泵14与气液分离器16进口e连接。第三段防冻工质循环回路中，第一水泵1与防冻支管3连接，防冻支管3与第一组辐射散热单元5连接，第一组辐射散热单元5与第二一级阀门7连接，第二一级阀门7与第二组辐射散热单元8连接，第二组辐射散热单元8与第二二级阀门10连接，第二二级阀门10与第三组辐射散热单元11连接，第三组辐射散热单元11与第三二级阀门12连接，第三二级阀门12和第三一级阀门13连接，第三一级阀门13和第二水泵14连接，第二水泵14和气液分离器16进口e。三段循环路线最终都与气液分离器16进口e连接，气液分离器16蒸汽出口g与热水换热器17热端进口h连接，热水换热器17热端出口k与第一水泵1连接，空间飞行器上的冷水从热水换热器17冷端进口i进入，从热水换热器17冷端出口j流出，气液分离器16液体水出口f与第一水泵1连接。

如图2所示，本实施例采用的辐射散热单元中包含许多根热管18和翅片19，翅片19均设计为插入冷却剂管道4的形式。

图1所示一种多功率防冻型空间辐射散热系统中冷却剂循环回路的工作方法具体包括如下步骤：

步骤一：冷却剂换热器2利用空间核反应堆电源系统余热对冷却剂进行加热，加热后冷却剂由冷却剂换热器2冷端出口b流出，流经第一组辐射散热单元5进行散热，此时第二一级阀门7，第三一级阀门13关闭，第一一级阀门6打开，冷却剂流经一第一级阀门6通过电磁泵15运输至冷却剂换热器2冷端进口c，冷却剂回到冷却剂换热器2进行加热。此过程高温冷却剂仅流经第一组辐射散热单元5进行散热，此时多功率防冻型空间辐射散热系统处于低功率散热模式。

步骤二：冷却剂换热器2利用空间核反应堆电源系统余热对冷却剂进行加热，加热后冷却剂由冷却剂换热器2冷端出口b流出，流经第一组辐射散热单元5进行散热，此时第二一级阀门7，第三一级阀门13开启，第一一级阀门6关闭，冷却剂继续流经第二组辐射散热单元8进行散热，关闭第二二级阀门10和第三二级阀门12，开启第一二级阀门9，冷却剂流经第一二级阀门9通过电磁泵15运输至冷却剂换热器2冷端进口c，冷却剂回到冷却剂换热器2中进行加热，此过程高温冷却剂流经第一组辐射散热单元5和第二组辐射散热单元8进行散热，此时多功率防冻型空间辐射散热系统处于中功率散热模式。

步骤三：冷却剂换热器2利用空间核反应堆电源系统余热对冷却剂进行加热，加热后冷却剂由冷却剂换热器2冷端出口b流出，流经第一组辐射散热单元5进行散热，此时第二一级阀门7，第三一级阀门13开启，第一一级阀门6关闭，冷却剂继续流经第二组辐射散热单元8进行散热，开启第二二级阀门10和第三二级阀门12，关闭第一二级阀门9，冷却剂继续流经第三组辐射散热单元11进行散热，之后冷却剂流经第三二级阀门12和第三一级阀门13，再通过电磁泵15运输至冷却剂换热器2冷端进口c，冷却剂回到冷却剂换热器2中进行加热，此过程高温冷却剂流经第一组辐射散热单元5、第二组辐射散热单元8和第三组辐射散热单元11进行散热，此时多功率防冻型空间辐射散热系统处于高功率散热模式。

图1所示一种多功率防冻型空间辐射散热系统的防冻支管回路的工作方法具体包括如下步骤：

步骤一：由于所设计的阀门只控制冷却剂管道内冷却剂的流动，并不控制防冻工质水的流动，在多功率防冻型空间辐射散热系统处于低功率散热模式时，防冻工质水通过第一水泵1从防冻支管进口m输入冷却剂管道4中并受到加热，加热的同时流经第一组辐射散热单元5，加热后的高温防冻工质水汽混合物经过一第二级阀门7，流经第二组辐射散热单元8，防止辐射散热单元8中热管内部的液态金属冻结，再经过第二二级阀门10，流经第三组辐射散热单元11并防止第三组辐射散热单元11中热管内部的液态金属冻结，之后防冻工质水汽混合物经过第三二级阀门12，第三一级阀门13，通过第二水泵14输送至气液分离器16进口e。

步骤二：在多功率防冻型空间辐射散热系统处于中功率散热模式时，防冻工质水通过第一水泵1从防冻支管进口m输入冷却剂管道4中并受到加热，加热的同时流经第一组辐射散热单元5、第二一级阀门7和第二组辐射散热单元8，加热后的高温防冻工质水汽混合物经过第二二级阀门10流经第三组辐射散热单元11并防止第三组辐射散热单元11中热管内部的液态金属冻结，之后防冻工质水汽混合物经过第三二级阀门12，第三一级阀门13，通过第二水泵14输送至气液分离器16进口e。

步骤三：上述两个步骤最后防冻工质水汽混合物都通过第二水泵14输送至气液分离器16进口e，其中液态水由气液分离器16出口f流出，流至第一水泵1完成循环，而水蒸气由气液分离器16出口g流出，通过热水换热器17热端进口h进入并对飞行器上的冷水进行加热并液化，从热水换热器17热端出口k流出并流至第一水泵1完成循环。

本发明可以添加任意组辐射散热单元并添加相应的阀门以及管道，从而实现空间辐射散热系统多功率运行。

本发明一种多功率防冻型空间辐射散热系统的原理：通过一个设计安装在冷却剂管道内部的防冻支管，在防冻支管内部通入水作为导热介质，通过阀门的控制以及独特的回路设计，控制参与进行辐射散热的辐射散热单元数量，从而调节热管式辐射散热器散热功率，此外，运用回路中的防冻支管，可以先吸收冷却剂的热量，再将其用于维持未运行部分热管工质以及冷却剂的温度，起到防止流体冻结的作用。此外，本发明基于传统的热管式辐射散热器的翅片进行了进一步设计，将翅片末端插入冷却剂管道中，即使在热管损坏的情况下依旧能够通过冷却剂的对流换热以及翅片的导热、辐射散热为空间核反应堆电源系统排放余热，提升了系统的安全性能。

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 (6)

1.一种多功率防冻型空间辐射散热系统，其特征在于，包括冷却剂循环回路和防冻支管回路；所述冷却剂循环回路包括冷却剂换热器（2）、冷却剂管道（4）和若干组依次串联在冷却剂管道（4）上的辐射散热单元，相邻辐射散热单元之间的冷却剂管道（4）上设置阀门，用于控制冷却剂管道（4）中冷却剂是否进入下一个辐射散热单元；所述防冻支管回路用于向辐射散热单元输入导热工质，防止未工作的辐射散热单元中冷却剂支管内流体以及辐射散热单元中热管内部的工质冻结；

所述防冻支管回路包括防冻支管（3）；所述防冻支管（3）设置于所述冷却剂管道（4）内；

所述防冻支管回路还包括第一水泵（1）、气液分离器（16）和热水换热器（17），所述防冻支管（3）的出水端连接气液分离器（16）的进口e，进水端连接第一水泵（1）；气液分离器（16）的蒸汽出口g与热水换热器（17）的热端进口h连接；

所述阀门设置为只控制冷却剂管道内的流体流动，但是并不控制防冻支管内的流体流动；

所述冷却剂管道（4）呈U型，其两端分别连接冷却剂换热器（2）的冷端出口b和冷端进口c，若干组辐射散热单元在冷却剂管道（4）上线性排列；相邻辐射散热单元之间，U型冷却剂管道（4）的两条边上分别设有一级阀门，一级阀门之前两条边连通，连通管道上设置二级阀门。

2.根据权利要求1所述的一种多功率防冻型空间辐射散热系统，其特征在于，所述气液分离器（16）的液体水出口f和热水换热器（17）的热端出口k连接第一水泵（1）。

3.根据权利要求1所述的一种多功率防冻型空间辐射散热系统，其特征在于，所述辐射散热单元包含若干根热管（18）和翅片（19），热管（18）和翅片（19）的末端插入冷却剂管道（4）内。

4.根据权利要求1所述的一种多功率防冻型空间辐射散热系统，其特征在于，空间飞行器上的空间核反应堆电源系统的气体出口与所述冷却剂换热器（2）的热端进口a连接。

5.权利要求1所述多功率防冻型空间辐射散热系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：选择需要工作的前N个辐射散热单元，打开冷却剂管道（4）上的前N*2个一级阀门，关闭前N-1个二级阀门；冷却剂由冷却剂换热器（2）冷端出口b流出，依次流经前N个辐射散热单元，然后进入冷却剂换热器（2）冷端进口c；

步骤二：防冻工质输入冷却剂管道（4）中，经过前N个辐射散热单元时被加热，然后进入之后未工作的辐射散热单元，加热辐射散热单元中冷却剂支管内的流体。

6.根据权利要求5所述的工作方法，其特征在于，还包括步骤三：步骤二产生的防冻工质水汽混合物输入气液分离器（16），分离出的液体进入防冻支管回路，气体作为加热介质进入热水换热器（17）。

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