CN115031558A - 功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统及工作方法。该系统采用高温热管和中低温热管相结合的多级热管模式进行散热，提高了系统散热效率和散热稳定性；通过改变辐射板上半导体发电片的串并联方式对系统余热进行进一步利用，在减轻热排散压力的同时输出了电能，提高了系统的能量利用率和安全可靠性。本发明采用普通辐射板和可卷曲的辐射板相结合的模式，根据空间探索过程的不同散热需求采用温度感应器控制可卷曲辐射板的状态以进行热量的排散，功率自调节的散热模式可以保持各部件在工作温度下运行，有效地保障各部件的续航能力，实现散热系统与核电系统较好地匹配，满足空间站变轨运行、交会对接、休眠等不同工况的散热需求。

Description

功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统及工作方法

技术领域

本发明涉及一种功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统及工作方法，属于能源综合利用领域。

背景技术

核动力航天器、空间站、卫星等方面的应用需求，使得大功率空间核电源成为重点研究方向。随着空间科学探索的深入，电能的需求逐渐增加，系统的散热需求也大幅度提高。空间核电源与其他能源相比具有结构紧凑，效率高，寿命长，不受环境影响等优点，在空间站变轨运行、交会对接、航天员出舱活动、舱外货物搬运等方面具有重要意义。

热管式辐射散热器是空间辐射散热系统的重要组成部分之一，其主要功能是将动力系统产生的废热由热管进行传导，然后通过相连的辐射板以热辐射的形式将热量散失到太空环境中，从而有效保障飞行器的续航能力。不同运行工况下，系统散热量存在较大的差异，常规的散热系统具有一定的局限性，不能很好的与不同工况进行配适。此外，核能经过一系列利用后，需要热管排散的热量很高，温度可以达到250-550℃左右，常规的空间辐射散热系统直接将这些热量排散到太空环境，存在能量的局部浪费，且排散压力较大，若热量排散不当，可能会引起部件的损坏或不稳定运动；常规散热系统只采用高温热管，不能很好的发挥不同工质热管的散热能力，因此进一步废热排散和利用是十分必要的。

本发明针对空间辐射散热系统的辐射散热部分进行改进，通过改变辐射散热部分的结构，改变系统表面发射率，实现散热功率可调节的灵活工作模式以确保航天器的运行安全，采用高温热管和中低温热管相结合的多级热管模式，同时采用半导体发电片对排散到空间环境之前的热量进行进一步利用，在减轻热排散压力的同时较好地满足能量的最大化利用需求。

发明内容

发明目的：

针对当前空间辐射散热系统中能量排散及利用方面存在的不足，本发明提出了一种功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统及工作方法，可以根据不同的运行工况调节系统散热功率，更好地与发电系统进行匹配，满足航天器各部件的温控要求；利用高温热管和中低温热管相结合的多级热管模式，满足不同温度范围下不同工质热管的各类运行极限，提高系统散热效率；通过控制半导体发电片的数目和连接方式实现对余热的进一步利用，输出高电压或高电流的电能，此阶段的发电没有机械转动部件，提高系统可靠性和能源利用率。

技术方案：

一种功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统，包括常规辐射散热装置、可调节辐射散热装置及温差发电装置三部分。

常规辐射散热装置包括热管和辐射板，热管的蒸发段受热，其壁面温度升高，毛细芯中的液体受热汽化，内部工质发生相变，热量传递到冷凝段后经辐射板排散到空间环境，此阶段系统散热量较小。冷凝段和辐射板通过结构耦合，如外加包壳、外加销钉等结构。

可调节辐射散热装置包括热管、耐高温电机连接件、温度感应器、温控电机、卷轴、导向转动器、可卷曲式辐射板、牵引槽道，其中温控电机通过耐高温电机连接件固定在热管上。可调节辐射散热装置采用多级热管模式，即考虑需散热流体沿程温降的影响，结合实际运行的温度范围，采用高温热管和中低温热管结合的多级热管模式，以满足不同温度范围下不同工质热管的各类运行极限，使得热量高效排散。如在高温区采用液态金属钠、钾、锂等，在中温区采用液态金属汞等，在常温区采用丙酮、水等作为工质。

可卷曲式辐射板采用耐高温的超薄柔性材料(如石墨碳纤维复合材料、碳纳米材料、金属纳米薄膜等)，表面涂有高发射率涂层。在空间核电系统大功率运行时，牵引槽道的设置能够使得可卷曲式辐射板铺设的更加平整，更好地贴合辐射板。

温差发电装置包括辐射板、半导体发电片、电路开关、稳压电源、蓄电装置。其中，半导体发电片嵌在辐射板内部，利用辐射板长度方向的温差进行发电，使得余热高效利用。温差发电装置可以结合不同情况的电能需求，通过若干开关的断开与闭合，改变半导体发电片的串并联方式，实现高电压或者高电流的电能输出，电能经过稳压电源后，进入蓄电装置进行储存。蓄电装置储存的电能一部分可以供给温控电机使用，一部分可作为备用电源，满足突发情况的使用需求。

上述系统的工作方法为：

在空间核电系统大功率运行时，所需散热量急剧增加，热管的壁面温度升高，温度感应器感应壁面温度，温控电机运行，卷轴上的导向转动器驱动带有高发射率涂层的可卷曲式辐射板沿着牵引槽道展开，系统表面发射率增加，散热量增大。牵引槽道的设置能够使得可卷曲式辐射板铺设的更加平整，更好地贴合辐射板。在空间核电系统低功率运行时，所需散热量减小，热管的壁面温度降低，温度感应器感应到温度变化，温控电机运行，卷轴上的导向转动器驱动带有高发射率涂层的可卷曲式辐射板沿着牵引槽道逆向收回，然后绕着卷轴卷曲，系统发射率减小，散热量降低。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明实现了空间辐射散热系统的散热功率自动调节，使空间散热系统与发电系统具有较好的配适性，可以满足空间探索过程不同运行工况下航天器的热控需求，提高系统的运行安全性和稳定性。

(2)本发明采用高温热管和中低温热管相结合的多级热管模式，考虑到需散热流体沿程温降的影响，结合不同的温度范围，选择合适的工质进行散热，以满足不同温度范围下不同工质热管的各类运行极限，防止热管失效。多级热管模式可以提高整体散热效率和系统散热稳定性。

(3)本发明对空间辐射散热系统的余热进行进一步利用，通过电路开关改变辐射板上半导体发电片的个数，同时结合电路串并联的连接方式，根据需要选择高电压或高电流的电能输出。该方式实现了能量的进一步利用，减轻了热排散的压力，且发电过程不具备任何转动部件，实现电能来源多样化，提高了系统的能量利用率和安全可靠性。

附图说明

图1为本发明一种功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统结构示意图；

附图结构说明：1-热管，2-耐高温电机连接件，3-温度感应器，4-温控电机，5-卷轴，6-导向转动器，7-可卷曲式辐射板，8-辐射板，9-牵引槽道，10-半导体发电片，11-电路开关，12-稳压电源，13-蓄电装置。

图2为本发明多级热管模式散热的结构示意图；

附图结构说明：1-热管，8-辐射板，a-需散热流体入口，b-需散热流体出口。

图3为本发明基于温差进行发电的半导体发电片的结构示意图；

附图结构说明：8-辐射板，14-绝缘板，15-导流条，16-半导体，17-导线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的解释。

一种功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统(如图1)，包含如下装置，1-热管，2-耐高温电机连接件，3-温度感应器，4-温控电机，5-卷轴，6-导向转动器，7-可卷曲式辐射板，8-辐射板，9-牵引槽道，10-半导体发电片，11-电路开关，12-稳压电源，13-蓄电装置。

一种功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统，包括常规辐射散热装置、可调节辐射散热装置及温差发电装置三部分。

(1)常规辐射散热装置：

常规辐射散热装置包括热管1和辐射板8，主要是满足低功率情况下的散热，热管1的蒸发段受热，其壁面温度升高，毛细芯中的液体受热汽化，内部工质发生相变，热量传递到冷凝段后经辐射板8排散到空间环境。热管1可以较好地对需散热流体进行冷却，确保飞行器温度控制。

(2)可调节辐射散热装置：

可调节辐射散热装置包括热管1、耐高温电机连接件2、温度感应器3、温控电机4、卷轴5、导向转动器6、可卷曲式辐射板7、辐射板8、牵引槽道9，其中温控电机4通过耐高温电机连接件2固定在热管1上。其工作模式主要有以下两种：

在空间核电系统大功率运行时，所需散热量急剧增加，热管1的壁面温度升高，温度感应器3感应壁面温度的变化，温控电机4运行，卷轴5上的导向转动器6驱动带有高发射率涂层的可卷曲式辐射板7沿着牵引槽道9展开，系统表面发射率增加，散热量增大。牵引槽道9的设置可卷曲式辐射板7平整，更好地贴合辐射板8。

在空间核电系统低功率运行时，所需散热量减小，热管1的壁面温度降低，温度感应器3感应到温度变化，温控电机4运行，卷轴5上的导向转动器6驱动带有高发射率涂层的可卷曲式辐射板7沿着牵引槽道9逆向收回，系统发射率减小，散热量降低。

其中，可调节辐射散热装置采用多级热管模式进行散热，结构示意图如图2所示，包含如下结构：1-热管，8-辐射板，a-散热流体入口，b-散热流体出口。高温需散热流体从散热流体入口a流入，热量经过热管1内部工质的相变传热、辐射板8辐射散热后降低，高温需散热流体温度降低，经散热流体出口b流出。可调节辐射散热装置考虑高温需散热流体沿着流动方向的温度变化，结合热管1实际运行的温度范围，采用高温热管和中低温热管结合的多级热管模式，选取不同工质的热管，如在高温区采用液态金属钠、钾、锂等，在中温区采用液态金属汞等，在常温区采用丙酮、水等作为工质，以满足不同温度范围下不同工质热管的各类运行极限，使得热量高效排散。

(3)温差发电装置：

温差发电装置包括辐射板8、半导体发电片10、电路开关11、稳压电源12、蓄电装置13。在空间辐射散热过程辐射板8的温度仍处于较高状态，此阶段辐射板两侧存在一定温差，热量可以结合半导体发电片10进行进一步利用。半导体发电片10嵌在辐射板8内部，利用其两侧温差进行发电，使得余热高效利用。温差发电装置可以结合不同情况的电能需求，通过若干电路开关11的断开与闭合，改变半导体发电片10的串并联方式，实现高电压或者高电流的电能输出，电能经过稳压电源12后，进入蓄电装置13储存。此部分的电能一部分可供给温控电机4使用，不消耗额外的能源，一部分可以作为备用电源。

其中，基于温差进行发电的半导体发电片的结构如图3所示，包含如下结构，8-辐射板，14-绝缘板，15-导流条，16-半导体，17-导线。上下两侧绝缘板14置于辐射板8上，利用辐射板8两侧的温差进行发电，半导体16通过金属导流条15连接构成回路，电能经导线17输出。

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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统，包括热管(1)和辐射板(8)，热管(1)的冷凝段与辐射板(8)接触导热，其特征在于，还包括可调节辐射散热装置；所述可调节辐射散热装置包括温度感应器(3)、温控电机(4)、卷轴(5)、导向转动器(6)、可卷曲式辐射板(7)；温度感应器(3)用于感应热管(1)的蒸发段的温度，并与温控电机(4)电性连接；导向转动器(6)设置于卷轴(5)上，并与可卷曲式辐射板(7)的一端连接；卷轴(5)由温控电机(4)驱动旋转，卷轴(5)旋转能够带动可卷曲式辐射板(7)平铺于辐射板(8)或卷绕于卷轴(5)上。

2.根据权利要求1所述的一种功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统，其特征在于，所述辐射板(8)上设置牵引槽道(9)，其作用是使可卷曲式辐射板(7)平整，贴合辐射板(8)。

3.根据权利要求1所述的一种功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统，其特征在于，所述温控电机(4)通过耐高温电机连接件(2)固定在热管(1)上。

4.根据权利要求1所述的一种功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统，其特征在于，所述热管(1)的不同冷凝管内设置不同工质。

5.根据权利要求1所述的一种功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统，其特征在于，所述可卷曲式辐射板(7)采用耐高温的超薄柔性材料，表面涂有高发射率涂层。

6.根据权利要求1所述的一种功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统，其特征在于，还包括温差发电装置；所述温差发电装置包括若干个半导体发电片(10)、若干个电路开关(11)、稳压电源(12)、蓄电装置(13)；半导体发电片(10)嵌在辐射板(8)内部，利用沿辐射板长度方向的温差进行发电。

7.根据权利要求6所述的一种功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统，其特征在于，所述蓄电装置(13)连接温控电机(4)，提供电能给温控电机(4)使用。

8.根据权利要求6所述的一种功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统，其特征在于，所述半导体发电片(10)包括沿辐射板(8)长度方向设置的左右两块绝缘板(14)、半导体(16)、导流条(15)；半导体(16)通过导流条(15)连接构成回路，电能经导线(17)输出至稳压电源(12)。

9.根据权利要求6所述的一种功率自调节的多级热管式空间发电辐射散热系统，其特征在于，所述温差发电装置结合不同情况的电能使用需求，通过电路开关(11)的断开与闭合，改变半导体发电片(10)的串并联方式。

10.基于权利要求1-9任一所述系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：在空间核电系统大功率运行时，所需散热量急剧增加，热管(1)的壁面温度升高，温度感应器(3)感应壁面温度的变化，温控电机(4)运行，卷轴(5)上的导向转动器(6)驱动可卷曲式辐射板(7)沿着牵引槽道(9)展开；

在空间核电系统低功率运行时，所需散热量减小，热管(1)的壁面温度降低，温度感应器(3)感应到温度变化，温控电机(4)运行，卷轴(5)上的导向转动器(6)驱动可卷曲式辐射板(7)沿着牵引槽道(9)逆向收回。

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