CN113562201A - 一种空间用轻质高温热管辐射器 - Google Patents

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王录
王亚龙
苗建印
刘飞标
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Abstract

本发明公开了一种空间用轻质高温热管辐射器，该热管辐射器包括用于扩热的钛水热管和高导热碳碳辐射器；钛水热管与高导热碳碳辐射器钎焊连接形成一体结构；钛水热管采用钛或钛合金材料通过3D打印增材技术一体化制造而成；高导热碳碳辐射器采用由高导热碳纤维与中间相沥青构成的复合材料制成，复合材料的密度小于2g/cm3、且单向导热系数大于500W/(m·K)；钛水热管的延伸方向与高导热碳碳辐射器中的高导热碳纤维垂直设置，用于形成两个高导热方向的正交耦合。上述热管辐射器适用于核动力航天器热排散所需的工作温区，可极大的提高辐射器的效率，并降低系统乃至整星的重量。

Description

一种空间用轻质高温热管辐射器
技术领域
本发明涉及空间热控技术领域，具体涉及一种空间用轻质高温热管辐射器。
背景技术
航天器对电功率的需求越来越高，例如，某些航天器的载荷对电功率的需求在数百千瓦以上，甚至可达到百兆瓦量级。热排散技术是维持空间大功率电源系统正常工作的重要支撑技术。针对空间核动力以及大功率航天器的发展需求，发展高温大功率的热排散技术迫在眉睫。
典型的空间核反应电源系统由高温气冷堆、布雷顿(也可为磁流体、斯特林、半导体温差等)发电机、冷却器、压气机以及管路组成。对于空间应用，上述空间核反应电源系统中的热排散系统用于将电源系统的废热排散到空间，从而保障空间核电系统的正常及高效工作。热排散系统的核心组成包括用于将核电源的废热传递到热排散系统中的高温换热器、用于将核电源的废热传递给热辐射器的泵驱两相流体回路、以及用于将核电源的废热排散给宇宙深冷环境的热辐射器。
常用的空间高效热辐射器主要有热管辐射器技术和液滴辐射器技术。液滴辐射器由于技术复杂、可靠性低，目前还尚处于实验室研究阶段。常规航天器采用的热管辐射器一般为铝氨热管-铝蒙皮辐射器形式，铝氨热管与铝蒙皮一般采用导热脂耦合连接或者与铝蜂窝采用结构胶预埋耦合。对于核动力航天器，由于废热功率较大，热管辐射器一般需要工作在100℃以上的温度，常规的铝氨热管不再适用于该温区；同样，通过导热脂或结构胶将热管和辐射器耦合的方式也不再适用于该温度；同时，铝蒙皮辐射器导热系数在200W/(m·K)左右，密度为2700kg/m3，由于辐射器上传递的热量很大，使用铝蒙皮辐射器会极大的增加航天器的重量以及体积。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种空间用轻质高温热管辐射器，该热管辐射器适用于核动力航天器热排散所需的工作温区，可极大的提高辐射器的效率，并降低系统乃至整星的重量。
本发明采用以下具体技术方案：
一种空间用轻质高温热管辐射器，该热管辐射器包括用于扩热的钛水热管和高导热碳碳辐射器；所述钛水热管与所述高导热碳碳辐射器钎焊连接形成一体结构；
所述钛水热管采用钛或者钛合金材料通过3D打印增材技术一体化制造而成；
所述高导热碳碳辐射器采用由高导热碳纤维与中间相沥青构成的复合材料制成，所述复合材料的密度小于2g/cm3、且单向导热系数大于500W/(m·K)；
所述钛水热管的延伸方向与所述高导热碳碳辐射器中的高导热碳纤维垂直布置，用于形成两个高导热方向的正交耦合。
更进一步地，所述钛水热管与所述高导热碳碳辐射器之间形成有热管-辐射器高温钎焊耦合界面；
所述热管-辐射器高温钎焊耦合界面通过银铜钛基高温钎焊耦合，并采用厚度为0.5mm的石墨板作为高温钎焊过渡层。
更进一步地，所述高导热碳碳辐射器包括并排设置的多块碳碳板；
所述钛水热管的延伸方向与所述碳碳板的排列方向重合；
所述钛水热管与所述碳碳板之间通过钎焊连接。
更进一步地，所述碳碳板的表面包覆有高发射率涂层。
更进一步地，所述钛水热管包括壳体和形成于所述壳体内的毛细芯；
所述毛细芯为轴向槽结构。
更进一步地，在所述壳体背离所述高导热碳碳辐射器的一侧设置有弧形槽；
所述弧形槽内钎焊连接有流体回路冷凝管。
更进一步地，所述流体回路冷凝管与所述弧形槽之间通过银铜钛基高温钎焊进行耦合。
更进一步地，所述弧形槽的长度为所述钛水热管的长度的1/3～1/2。
更进一步地，所述钛水热管之间平行设置。
更进一步地，所述钛水热管的一端部焊接连接有充液管，另一端部焊接连接有堵头。
有益效果：
1、本发明的热管辐射器采用3D打印的钛水热管，可适用于核动力航天器高温的热排散需求，适应热排散所需的工作温区，同时3D打印轴向槽结构的热管可实现远距离的热传输；钛或者钛合金材料比高温下常用的铜、不锈钢等热管壳体材料密度更低，从而能够有效的降低航天器的重量。
2、本发明热管辐射器的高导热碳碳辐射器采用由高导热碳纤维(一般为沥青基碳纤维)与中间相沥青构成的复合材料制成，复合材料的密度小于2g/cm3，单向导热系数大于500W/(m·K)，因此，高导热碳碳辐射器的低密度以及高导热的特点可有效降低热管辐射器乃至整个航天器的重量，并极大的提高辐射器的效率。
3、本发明的热管辐射器将钛水热管通过钎焊连接于高导热碳碳辐射器，高导热碳碳辐射器采用多块独立的碳碳板辐射器结构，能够有效降低钛-碳界面处的热应力。
附图说明
图1为本发明的空间用轻质高温热管辐射器的结构示意图；
图2为图1中钛水热管的剖面结构示意图。
其中，1-钛水热管，2-高导热碳碳辐射器，3-热管-辐射器高温钎焊耦合界面，4-热管-流体回路耦合界面，5-流体回路冷凝管，11-壳体，12-毛细芯，13-弧形槽，14-充液管
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种空间用轻质高温热管辐射器，如图1结构所示，该热管辐射器包括用于扩热的钛水热管和高导热碳碳辐射器；钛水热管与高导热碳碳辐射器钎焊连接形成一体结构，并在钛水热管与高导热碳碳辐射器之间形成有热管-辐射器高温钎焊耦合界面，热管-辐射器高温钎焊耦合界面通过银铜钛基高温钎焊耦合，并采用厚度为0.5mm的石墨板作为高温钎焊过渡层；
钛水热管采用钛或者钛合金材料通过3D打印增材技术一体化制造而成；
高导热碳碳辐射器采用由高导热碳纤维与中间相沥青构成的复合材料制成，复合材料的密度小于2g/cm3、且单向导热系数大于500W/(m·K)；如图1结构所示，高导热碳碳辐射器包括并排设置的多块碳碳板，多块碳碳板之间可以具有间隙，也可以部设置间隙，碳碳板的形状可以为图1中的矩形，也可以为梯形、圆形、扇形等形状；多块碳碳板之间可以如图1中并排设置；钛水热管的延伸方向与碳碳板的排列方向重合；钛水热管与碳碳板之间通过钎焊连接；碳碳板的表面包覆有高发射率涂层；
钛水热管的延伸方向与高导热碳碳辐射器中的高导热碳纤维垂直布置，用于形成两个高导热方向的正交耦合。
上述基于3D打印钛水热管和高导热碳碳辐射器耦合的轻质高效高温热管辐射器，采用3D打印的钛水热管进行扩热，可适用于100℃～300℃温区，适用于核动力等大功率航天器；由于主体采用高导热碳碳辐射器，高导热碳碳辐射器采用由高导热碳纤维(一般为沥青基碳纤维)与中间相沥青形成的复合材料制成，使得高导热碳碳辐射器的密度小于2g/cm3、且单向导热系数大于500W/(m·K)，可有效的提高扩热能力且降低航天器的重量；由于钛水热管和高导热碳碳辐射器中高导热碳纤维的方向垂直设置，即，如图1结构所示，钛水热管轴向延伸方向为高导热方向，高导热碳碳辐射器中高导热碳纤维沿与两个钛水热管的排列方向相同的方向延伸，从而形成两个高导热方向的正交耦合，可有效提高热管辐射器的二维散热效果。
同时，上述轻质高效高温热管辐射器中，钛水热管和高导热碳碳辐射器的热管-辐射器高温钎焊耦合界面通过银铜钛基高温钎焊耦合，钎焊温度大于等于500℃，并在热管-辐射器高温钎焊耦合界面处采用0.5mm的石墨板作为高温钎焊过渡层，能够有效解决钛-碳材料体系的高温钎焊；高导热碳碳辐射器采用多块碳碳板结构与钛水热管形成一体钎焊结构，能够降低钎焊界面处不同材料体系造成的热应力。在实际设计、制造过程中，碳碳板和钛水热管的数量可以根据实际工程应用情况确定，图1中碳碳板和钛水热管的数量仅作为示例进行说明。
一种具体的实施方式中，钛水热管包括壳体和形成于壳体内的毛细芯；毛细芯为轴向槽结构；如图2结构所示，在壳体的内部中间形成有直径较大的蒸汽孔，并在蒸汽孔的周向分布有多个毛细孔，毛细孔与蒸汽孔连通且均采用轴向槽结构。由于毛细芯采用轴向槽结构，并且钛水热管采用3D打印增材技术一体化制造工艺，相比于传统的烧结毛细芯以及丝网毛细芯结构，轴向槽结构的热管更适用于远距离的热传输。
如图2结构所示，在壳体背离高导热碳碳辐射器的一侧设置有弧形槽；弧形槽内钎焊连接有流体回路冷凝管。流体回路冷凝管与弧形槽之间通过银铜钛基高温钎焊进行耦合。由于在钛水热管的壳体上同步打印出与流体回路冷凝管耦合的弧形槽，并在弧形槽与流体回路冷凝管之间形成热管-流体回路耦合界面，通过热管-流体回路耦合界面将流体回路冷凝管钎焊于弧形槽内，热管-流体回路耦合界面采用银铜钛基高温钎焊将钛水热管和流体回路冷凝管进行耦合，钎焊温度不低于500℃。
如图1结构所示，弧形槽的长度为钛水热管的长度的1/3～1/2，可以有效的增强钛水热管和流体回路冷凝管的换热面积，降低界面换热温差。
如图1结构所示，当轻质高效高温热管辐射器设置有两个或多个钛水热管时，钛水热管之间平行设置；钛水热管的端部可以设置有充液管和堵头；堵头通过氩弧焊焊接连接于钛水热管的一端，充液管可以通过氩弧焊焊接于钛水热管背离堵头的一端。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间用轻质高温热管辐射器，其特征在于，包括用于扩热的钛水热管(1)和高导热碳碳辐射器(2)；所述钛水热管(1)与所述高导热碳碳辐射器(2)钎焊连接形成一体结构；
所述钛水热管(1)采用钛或者钛合金材料通过3D打印增材技术一体化制造而成；
所述高导热碳碳辐射器(2)采用由高导热碳纤维(一般为沥青基碳纤维)与中间相沥青构成的复合材料制成，所述复合材料密度小于2g/cm3、且单向导热系数大于500W/(m·K)；
所述钛水热管(1)的延伸方向与所述高导热碳碳辐射器(2)中的高导热碳纤维垂直布置，用于形成两个高导热方向的正交耦合。
2.如权利要求1所述的空间用轻质高温热管辐射器，其特征在于，所述钛水热管(1)与所述高导热碳碳辐射器(2)之间形成有热管-辐射器高温钎焊耦合界面(3)；
所述热管-辐射器高温钎焊耦合界面(3)通过银铜钛基高温钎焊耦合，并采用厚度为0.5mm的石墨板作为高温钎焊过渡层。
3.如权利要求1所述的空间用轻质高温热管辐射器，其特征在于，所述高导热碳碳辐射器(2)包括并排设置的多块碳碳板；
所述钛水热管(1)的延伸方向与所述碳碳板的排列方向重合；
所述钛水热管(1)与所述碳碳板之间通过钎焊连接。
4.如权利要求3所述的空间用轻质高温热管辐射器，其特征在于，所述碳碳板的表面包覆有高发射率涂层。
5.如权利要求1所述的空间用轻质高温热管辐射器，其特征在于，所述钛水热管(1)包括壳体(11)和形成于所述壳体(11)内的毛细芯(12)；
所述毛细芯(12)为轴向槽结构。
6.如权利要求5所述的空间用轻质高温热管辐射器，其特征在于，在所述壳体(11)背离所述高导热碳碳辐射器(2)的一侧设置有弧形槽(13)；
所述弧形槽(13)内钎焊连接有流体回路冷凝管(5)。
7.如权利要求6所述的空间用轻质高温热管辐射器，其特征在于，所述流体回路冷凝管(5)与所述弧形槽(13)之间通过银铜钛基高温钎焊进行耦合。
8.如权利要求6所述的空间用轻质高温热管辐射器，其特征在于，所述弧形槽(13)的长度为所述钛水热管(1)的长度的1/3～1/2。
9.如权利要求1-8任一项所述的空间用轻质高温热管辐射器，其特征在于，所述钛水热管(1)之间平行设置。
10.如权利要求9所述的空间用轻质高温热管辐射器，其特征在于，所述钛水热管(1)的一端部焊接连接有充液管(14)，另一端部焊接连接有堵头。
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