CN115420056A - 一种空间低温超导腔用低温系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间低温超导腔用低温系统，属于空间热控技术领域，其包括三维均温腔体、环路热管以及制冷机，其中，三维均温腔体的内部空腔用于容置超导设备，并低温环境；三维均温腔体的内壁面与外壁面之间设置有毛细结构，并充装有气液两相态的传热工质A，传热工质A在毛细力的作用下能够在毛细结构中循环流动；环路热管内部也充装有气液两相态的传热工质B，该传热工质B能够在环路热管中循环流动；环路热管中的蒸发器与三维均温腔体的金属壳体热耦合，低温环路热管中的冷凝器与制冷机热耦合。该低温系统缩小了冷源与超导设备之间的传热温差，降低了对制冷机温度和冷量的需求。
Description
技术领域
本发明属于空间热控技术领域，具体涉及一种空间低温超导腔用低温系统。
背景技术
为了实现超导技术的空间应用，需要解决好超导技术所需的低温系统热控难题。采用地面的低温流体(如液氦)进行浸泡冷却系统需要体积庞大的支撑/固定部件，这些体积庞大的支撑/固定部件不可避免地会引入较大的漏热量，对这些体积庞大的支撑/固定部件的隔热技术难度极大；此外，采用在轨消耗式低温流体冷却方案则不能满足长期在轨工作的需求。因此，采用主动制冷的技术方案来维持超导体工作所需的低温是一种较佳的方案。
对于主动制冷，冷源与超导体之间的冷量传输是关键技术之一，因为一方面，冷量传输过程若不能使超导设备所处环境的温度保持均匀，则会引起超导设备各部位变形量的不一致，从而严重影响超导设备的正常工作性能；另一方面，如果冷量传输过程中冷源温度需要明显低于超导设备的工作温度才能确保超导设备所需的低温环境，则将进一步提高对主动制冷机冷源的指标要求，进而严重增加航天器资源消耗。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种空间低温超导腔用低温系统，该低温系统采用主动制冷与两相传热的方法，降低了对机械式制冷机温度和冷量的需求，进而大幅降低了空间超导用低温系统的尺寸、重量和功耗等，能够满足超导设备长期在轨工作的需求。
一种空间低温超导腔用低温系统，包括三维均温腔体、环路热管以及制冷机；
所述三维均温腔体内部空腔用于容置设置有超导体的超导设备，并为所述超导设备提供低温环境；所述三维均温腔体的内壁面与外壁面之间设置有毛细结构，并充装有气液两相态的传热工质A，所述传热工质A在毛细力的作用下能够在所述毛细结构中循环流动；
所述环路热管内部充装有循环流动的气液两相态的传热工质B；所述环路热管中的蒸发器与所述三维均温腔体的壳体热耦合，所述低温环路热管中的冷凝器与所述制冷机热耦合。
进一步地，所述三维均温腔体的内壁面覆设有超导薄膜，用于屏蔽所述超导设备在工作中产生的交变磁场。
进一步地，在所述空间低温超导腔用低温系统的外部包覆隔热材料，用于隔绝外部辐射热量。
进一步地，所述超导薄膜的超导转变温度不小于所述超导体的超导转变温度。
进一步地，所述毛细结构为不锈钢丝网。
进一步地，所述毛细结构为毛细槽道。
进一步地，所述传热工质A和传热工质B均为氖。
进一步地，所述制冷机为脉冲管制冷机；
所述环路热管中的冷凝器与所述脉冲管制冷机中的冷端换热器热耦合。
进一步地，所述三维均温腔体为金属壳体结构。
有益效果：
1、本发明采用主动制冷与两相传热的方法，缩小了冷源与超导设备之间的传热温差，降低了对机械式制冷机温度和冷量的需求，进而大幅降低了空间超导对航天器电功耗、重量和尺寸等方面的资源需求；同时，该低温系统主要由三维均温腔体、环路热管以及制冷机组成，结构简单紧凑，不需要体积庞大的支撑/固定部件，既减小了低温系统的复杂性，又减小了低温系统的漏热量，能够有效提高航天器低温系统的可靠性；另外，在三维均温腔体的内壁面与外壁面之间设置毛细结构，实现了三维均温腔体内壁面与外壁面之间毛细力的连续性，从而确保三维均温腔体内外壁之间的传热工质在毛细力的作用下稳定循环流动，可以有效实现超导腔体的温度均匀性控制，保证位于超导腔体中超导设备的工作性能的稳定；而且，环路热管以及三维均温腔体内的传热工质均可循环流动，满足了低温系统长期在轨工作的需求。
2、本发明在三维均温腔体的内表面设置有超导薄膜，可以屏蔽三维均温腔体中的超导设备在工作过程中产生的交变磁场，进而避免了金属制的三维均温腔体在该交变磁场作用下产生电流，进而引起三维均温腔体自身发热的问题。
3、本发明在空间低温超导腔用低温系统的外周包裹隔热材料，可以隔绝低温系统外部辐射热量。
4、本发明选择MgB2作为三维均温腔体内壁面的超导薄膜材料，MgB2的超导转变温度为39K，因此对于小于或等于该超导转变温度的超导材料，如铌超导材料、NbN以及MgB2超导材料，均能使用该MgB2超导薄膜屏蔽交变磁场，扩宽了该空间低温超导腔用低温系统的适用范围。
5、本发明在三维均温腔的内外壁之间设置毛细结构的形式既可以是不锈钢丝网或铜丝网或金属烧结结构，也可以是毛细槽道结构，可以根据具体情况灵活选用，增强了该低温系统的可操作性。
6、本发明的制冷机选择为脉冲管制冷机，其结构与性能已经较为成熟与完善，且使用寿命也较长，进一步保证了该低温系统长时间在轨运行的可靠性。
附图说明
图1为本发明提供的空间低温超导腔用低温系统的结构示意图。
图2为本发明使用的环路热管的结构示意图。
图3为本发明实施例一中的脉冲管制冷机的结构示意图。
其中，1－三维均温腔体，2－环路热管，3－制冷机，4－超导设备，5－内壁面，6－外壁面，7－不锈钢丝网，8－超导薄膜，9－压缩机，10－主室温换热器，11－回热器，12－冷端换热器，13－热缓冲管，14－副室温换热器，15－惯性管，16－气库，17－蒸发器，18－蒸汽管路，19－冷凝器，20－进液管路，21－储液器，22－出液管路。
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。
实施例一：
如图1所示，一种空间低温超导腔用低温系统，包括三维均温腔体1、环路热管2以及制冷机3，其中：
三维均温腔体1的内部空腔用于容置装备有超导体的超导设备4，并为超导设备4提供稳定的低温环境；三维均温腔体1的内壁面5与外壁面6之间设置有不锈钢丝网7或铜丝网或金属烧结结构或毛细槽道构成的毛细结构，可以根据具体情况灵活选用具体的毛细结构形式，并且在三维均温腔体1的内壁面5与外壁面6之间充装有气液两相态的传热工质A，传热工质A在毛细力的作用下能够在毛细结构中循环流动；
如图2所示，环路热管2主要包括由储液器21、蒸发器17、冷凝器19、液体管路(进液管路20和出液管路22)和蒸汽管路18组成的回路闭合环型热管，其内部也充装有气液两相态的传热工质B，该传热工质B能够在环路热管2中循环流动(传热工质A与传热工质B可以均为氖或氢或氦等)；更具体地，在图1中，环路热管2中的蒸发器17与三维均温腔体1的壳体热耦合(这里的热耦合是指两者之间有热交换)，环路热管2中的冷凝器19与制冷机3热耦合，如此，构成一个完整的空间低温超导腔用低温系统，其工作原理如下：
在三维均温腔体1中的超导设备4在工作过程中产生的热量使得三维均温腔体1内外壁之间的液态传热工质A吸热蒸发形成气体传热工质A，气体传热工质A在与环路热管2蒸发段相连的部位冷凝，而环路热管2蒸发段内部液体传热工质B蒸发吸热，气体传热工质B通过环路热管2的蒸汽管路18流动到与制冷机3相连的冷凝器19进行冷凝，传热工质B冷凝释放的热量通过冷端换热器12传递到制冷机3，而冷凝后的传热工质B通过进液管路20流入到储液器21后通过出液管路22流入蒸发器17，如此循环。
可以看出，采用主动制冷与两相传热的方法，可以缩小冷源与超导设备4之间的传热温差，降低对制冷机3温度和冷量的需求，进而大幅降低空间超导对航天器电功耗、重量和尺寸等方面的资源需求；同时，该低温系统主要由三维均温腔体1、环路热管2以及制冷机3组成，结构简单紧凑，不需要体积庞大的支撑/固定部件，既减小了低温系统的复杂性，又减小了低温系统的漏热量，能够有效提高航天器低温系统的可靠性；另外，在三维均温腔体1的内壁面5与外壁面6之间设置毛细结构，从而确保三维均温腔体1内外壁之间的传热工质A在毛细力的作用下稳定循环流动，实现了三维均温腔体1内壁面5与外壁面6之间毛细力的连续性，该基于三维蒸气腔相变传热技术的三维均温腔体1，可以有效实现超导腔体的温度均匀性控制，提高超导设备4工作性能；而且，环路热管2以及三维均温保腔体1内的传热工质均可循环流动，满足了低温系统长期在轨工作的需求。
更进一步，三维均温腔体1的内壁面5涂覆有一层有超导薄膜8(超导薄膜8的超导转变温度不小于超导装置4中超导体的超导转变温度)，用于屏蔽超导装置4在工作中产生的交变磁场，如此，可以避免金属制的三维均温腔体1在该交变磁场作用下产生电流，进而引起三维均温腔体1自身发热的问题；而且，使用时，在空间低温超导腔用低温系统的外部包覆一层隔热材料，用于隔绝外部辐射热量，增强了该低温系统运行的可靠性。
实施例二：
在上述实施例一的基础上，本实施例针对装备有MgB2超导体的超导装置，提供了更加具体的空间低温超导腔用低温系统。
通过选择超导转变温度较高的超导材料，提高超导所需的低温温度，可以大幅度减小所需的资源，以基于铌材料和NbN的超导体低温系统对比为例，根据现有主动制冷技术水平，在系统漏热量都为1W的情况下，采用主动式机械制冷机作为冷源，铌超导所需的9.2K低温的维持需要重量超过150kg、功耗超过4000W的机械式制冷机来维持；NbN所需的17.3K低温只需要重量约25kg、功耗500W的机械式制冷机。
由此可知，随着超导转变温度的升高，超导低温系统所需的资源呈现出明显的减小趋势。因此，采用高温超导材料有利于减小超导低温系统资源消耗。在本实施例中，MgB2所需的39K低温只需要重量约10kg，功耗250W的机械式制冷机，如此，该机械式制冷机可以选择为如图3所示的单级的脉冲管制冷机，其包括压缩机9、主室温换热器10、回热器11、冷端换热器12、热缓冲管13、副室温换热器14、惯性管15以及气库16，此时，环路热管2中的冷凝器19与该脉冲管制冷机中的冷端换热器12热耦合。该脉冲管制冷机的结构与性能已经较为成熟与完善，且使用寿命也较长，进一步保证了该低温系统长时间在轨运行的可靠性。
在本实施例中，三维均温腔体1为不锈钢制的壳体结构(也可以是其它金属结构)，且三维均温腔体1的内壁面5与外壁面6之间的传热工质以及环路热管2中的传热工质均为气液两相态的氖，其沸点约为27K，低于MgB2所需的39K，可以保证该装备有MgB2超导体的超导装置在工作温度时，氖能蒸发吸热带走热量；而且，超导薄膜的材料为MgB2，MgB2的超导转变温度为39K，因此对于小于或等于该超导转变温度的超导材料，如铌超导材料、NbN以及MgB2超导材料，均能使用该MgB2超导薄膜屏蔽交变磁场，扩宽了该空间低温超导腔用低温系统的适用范围。
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 (9)
1.一种空间低温超导腔用低温系统，其特征在于，包括三维均温腔体、环路热管以及制冷机；
所述三维均温腔体内部空腔用于容置设置有超导体的超导设备，并为所述超导设备提供低温环境；所述三维均温腔体的内壁面与外壁面之间设置有毛细结构，并充装有气液两相态的传热工质A，所述传热工质A在毛细力的作用下能够在所述毛细结构中循环流动；
所述环路热管内部充装有循环流动的气液两相态的传热工质B；所述环路热管中的蒸发器与所述三维均温腔体的壳体热耦合，所述低温环路热管中的冷凝器与所述制冷机热耦合。
2.如权利要求1所述的空间低温超导腔用低温系统，其特征在于，所述三维均温腔体的内壁面覆设有超导薄膜，用于屏蔽所述超导设备在工作中产生的交变磁场。
3.如权利要求1或2所述的空间低温超导腔用低温系统，其特征在于，在所述空间低温超导腔用低温系统的外部包覆隔热材料，用于隔绝外部辐射热量。
4.如权利要求2所述的空间低温超导腔用低温系统，其特征在于，所述超导薄膜的超导转变温度不小于所述超导体的超导转变温度。
5.如权利要求1或2或4所述的空间低温超导腔用低温系统，其特征在于，所述毛细结构为不锈钢丝网。
6.如权利要求1或2或4所述的空间低温超导腔用低温系统，其特征在于，所述毛细结构为毛细槽道。
7.如权利要求1或2或4所述的空间低温超导腔用低温系统，其特征在于，所述传热工质A和传热工质B均为氖。
8.如权利要求1或2或4所述的空间低温超导腔用低温系统，其特征在于，所述制冷机为脉冲管制冷机；
所述环路热管中的冷凝器与所述脉冲管制冷机中的冷端换热器热耦合。
9.如权利要求1或2或4所述的空间低温超导腔用低温系统，其特征在于，所述三维均温腔体为金属壳体结构。
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- 2022-07-18 CN CN202210838667.3A patent/CN115420056A/zh active Pending
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