CN116067211B - 一种设置热电制冷器的环路热管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种设置热电制冷器的环路热管，包括热电制冷器(TEC)、导热铜片、蒸发器和储液器，所述储液器连接蒸发器，其特征在于，所述热电制冷器的制冷面与储液器的上表面热连接，导热铜片下表面的一部分与蒸发器的上表面热连接，导热铜片下表面的另一部分与在热电制冷器的上表面热连接。本发明将热电制冷器应用于环路热管中，体积小、质量小、无任何运动部件、可靠性高、无污染制冷迅速且控温精度高，有效形成了蒸发器与储液器的温差，确保了环路热管正常启动与稳定运行，在热功率波动时也可维持温度稳定。
Description
1.技术领域
本发明属于环路热管领域，尤其涉及一种环路热管辅助控制装置。
2.背景技术
热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。
热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果，开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备，其中包括太空散热领域。
环路热管是指一种回路闭合环型热管。一般由蒸发器、冷凝器、储液器以及蒸汽和液体管线构成。其工作原理为：对蒸发器施加热载荷，工质在蒸发器毛细芯外表面蒸发，产生的蒸汽从蒸汽槽道流出进入蒸汽管线，继而进入冷凝器冷凝成液体并过冷，回流液体经液体管线进入液体干道对蒸发器毛细芯进行补给，如此循环，而工质的循环由蒸发器毛细芯所产生的毛细压力驱动，无需外加动力。由于冷凝段和蒸发段分开，环路式热管广泛应用于能量的综合应用以及余热的回收。
半导体制冷器又称热电制冷器(Thermo Electric Cooler，TEC)，TEC利用了珀耳帖效应(Peltier effect)，可以将输入的电能直接转化为温度差，从而实现制冷，是一种以温差电现象为基础的制冷方式。所谓珀耳帖效应，指的是当直流电通过由两种不同材料构成的导体时，两种导体中处于不同能级的电子便开始运动并形成电流，当电子由高能级向低能级方向运动时，便会向外界释放多余的能量，反之则从外界吸收能量，能量在两种材料的交界处以热的形式吸收或放出，故在热电偶两端会产生一端吸热，另一端放热的现象。此外，当改变直流电方向时，热电偶的制冷端和放热端也会随之互换。
热电制冷器的主要优点是体积小、质量小、无任何运动部件、可靠性高、无污染、制冷迅速且控温精度高。热电制冷器在航天器上已经有较多应用，主要用于冷却星敏感器和红外敏感器等，如NASA的goddard空间飞行中心基于多个三级热电制冷器实现了对红外探测器的散热，以及对嫦娥五号飞行试验器返回舱的两套环路热管储液器的冷却。后者的试验结果表明，热电制冷器有效形成了蒸发器和储液器温差，确保了环路热管正常启动和稳定运行。
TEC的工作原理如图1所示。TEC内部由数十对P、N型半导体构成的热电偶串联而成，两种材料的连接结点处则通过绝缘且导热性能良好的陶瓷片覆盖。因为所有的制冷端集中在一边，发热端集中在另一边，TEC可以将单个热电偶通电时不明显的珀尔帖效应放大，从而在发热面和制冷面产生较大的温差。通过外部散热措施控制发热面温度后，制冷面处便可达到较低的制冷温度。
相较于传统的蒸发压缩式制冷或是吸收式制冷，TEC其具有体积小、无振动及噪声、工作可靠性高、制冷迅速、操作简单、可快速切换发热/制冷面以及易于进行冷量调节等优点。但TEC同样存在部分缺点，如制冷效率较低、对于材料的依赖性较高以及加工成本较高等，因此其主要应用于制冷空间小和需要较小制冷量的场合。
申请人进行的实验中，使用热电制冷器控温作为LHP精确控温的手段之一，具有一定独特性，同时可对储液腔加热或制冷。而其它多数LHP控温手段仅通过加热储液腔或液体管或将蒸汽通过支路不通过冷凝器导入储液腔。热电制冷器的制冷功能在精确控温的作用之外，还能在一定程度上改善环路热管的性能。而其增加的部分功耗可以通过将TEC热端同蒸发器连接，将其同载荷一起通过环路热管传输到冷端，不需要额外的散热渠道。
3.发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于热电制冷器的新式结构航天环路热管辅助控制系统。该系统主要由TEC温度调节系统与温度感应自动控制系统复合而成。其中，温度调节系统由TEC、导热铜片与直流电源串联而成；自动控制系统则由单片机、温度传感器、双路继电器、MOS管等相连而成。此外，本装置应用Arduino Uno单片机以实现对整个环节的控制。散热系统与保温系统的密切配合保证了散热部件的正常运行。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种设置热电制冷器的环路热管，包括热电制冷器(TEC)、导热铜片、蒸发器和储液器，所述储液器连接蒸发器，其特征在于，所述热电制冷器的制冷面与储液器的上表面热连接，导热铜片下表面的一部分与蒸发器的上表面热连接，导热铜片下表面的另一部分与在热电制冷器的上表面热连接。
作为优选，还包括双路继电器、MOS管和直流电源，双路继电器连接TEC，MOS管连接双路继电器，直流电源、MOS管、双路继电器以及安装在环路热管储液器上方的TEC之间通过导线连接形成回路，直流电源负责为热电制冷器供电，双路继电器可通过改变常通接口和常闭接口的状态来改变TEC的供电方向，而MOS管则可控制回路的通断。
作为优选，单片机与双路继电器、MOS管以及安装于蒸发器另一侧的温度传感器相连，使用杜邦线、面包板、接线端子等部件完成了控制系统的接线与固定，并利用轻触/自锁式按键、LED灯等电子元件实现了各回路的外部控制及状态显示，可接收蒸发器处的温度作为判断要素来控制双路继电器以及MOS管的工作状态。还包括双路继电器、MOS管和直流电源，双路继电器连接TEC，MOS管连接双路继电器，直流电源、MOS管、双路继电器以及安装在环路热管储液器上方的TEC之间通过导线连接形成回路，直流电源负责为热电制冷器供电，双路继电器可通过改变常通接口和常闭接口的状态来改变TEC的供电方向，而MOS管则可控制回路的通断。
单片机与双路继电器、MOS管以及安装于蒸发器下侧的温度传感器相连，可接收蒸发器处的温度数据作为判断要素来控制双路继电器以及MOS管的工作状态。
作为优选，在正常供电模式下，单片机将接收温度传感器信号并通过串口每隔一秒将蒸发器的温度数据传输至电脑端，同时控制双路继电器保持TEC为正向供电状态(即与储液器接触面为制冷面，与导热铜片接触面为发热面)，而MOS管则在单片机的控制下保持导通状态。此工作模式下，TEC回路始终保持导通状态，可通过调节直流电源的参数来实现对环路热管的定功率辅助制冷。
作为优选，在控温反馈模式下，单片机接收温度传感器反馈的蒸发器温度，将其与系统设定的目标温度进行对比得到误差值，此后单片机将基于PID算法计算得到实现温控所需提供的TEC功率，并向MOS管的栅极输出不同占空比的PWM信号，从而改变TEC的输出功率并实现闭环控制。同时，单片机也将对蒸发器温度是否达到峰值、由升高转为降低做出判断，从而终止对TEC的功率输入，关闭TEC。该过程中，单片机将控制双路继电器保持正向供电状态，同时每秒通过串口向计算机输出当前为MOS管栅极处提供的电压以及蒸发器的实时温度。
作为优选，在反向供电模式下，单片机接收温度传感器信号并通过串口每隔一秒将蒸发器温度数据传输至电脑端，同时保持MOS管为导通状态，并切换双路继电器工作状态，此时直流电源为TEC反向供电，TEC的制冷面通过导热铜片传热至蒸发器，发热面则直接与储液器接触。此工作模式下，TEC回路始终保持导通，发热面和制冷面的切换使得环路热管蒸发器与储液器间温差快速减小，环路热管正常运行所必须的压力差也随之减小，所以该模式可以实现环路热管的快速停止运行。
与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：
1)将热电制冷器应用于环路热管中，体积小、质量小、无任何运动部件、可靠性高、无污染制冷迅速且控温精度高，有效形成了蒸发器与储液器的温差，确保了环路热管正常启动与稳定运行，在热功率波动时也可维持温度稳定。
2)创新性地将热电制冷器与自动控制系统复合，通过对蒸发器温度的实时监控来自动控制热电制冷器的启停与功率大小，既可一体化实现对热管辅助与精准控温的控制效果，也可通过控制TEC的运行功率与运行时间达到节能的目的。
3)热管结构优化。在热管的储液室内加入副毛细芯并插入毛细芯内部，使回路的轴向毛细力加强，并可有效减少毛细芯内部液体管线的大气泡，降低反向漏热，保证热管的稳定正向运行，并使热管的毛细抽吸速度提高到0.6g/s。
4)将传统热管毛细芯的毛细抽吸功能与液体回流功能分离。传热距离得以明显提升，其最远可达10m。抗重力能力也显著增强，抗重力高度最高可达5m。以上突出性能解决了传统热管使用方位和长度限制的问题，在太空中具有极高的适用性。
5)热管高传热效率。装置采用镍基毛细芯氨工质环路热管，以小粒径T255球形镍粉为原材料，g-C3N4、NaCl颗粒为造孔剂，其中镍基毛细芯孔隙率高达75％，毛细抽吸速度达到0.6g/s，热管热阻在60％充注量下可稳定在0.15±0.01℃/W，低于市场现有0.18-0.32℃/W的普遍范围，整体传热功率可达400W，且极限功率较普通热管提升100W，整体传热性能大幅提升。
4.附图说明
图1是TEC工作原理图；
图2为本发明环路热管基本结构及工作原理图。
图3是TEC布置图与能量循环图。
图4是某加热功率下蒸发器温度运行曲线图。
图5是TEC辅助控制系统设计图。
图6是本发明优选蒸发端内部结构图。
5.具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
一种环路热管，如图2所示，包括蒸发端、冷凝端、气体管线和液体管线，所述液体在蒸发端吸热蒸发，通过气体管线进入冷凝端进行冷凝放热，放热后的液体通过液体管线进入蒸发端。其工作原理为：对蒸发端施加热载荷，工质在蒸发端毛细芯外表面蒸发，产生的蒸汽从蒸汽槽道流出进入蒸汽管线，继而进入冷凝端冷凝成液体并过冷，回流液体经液体管线进入液体干道对蒸发端毛细芯进行补给，如此循环，而工质的循环由蒸发端毛细芯所产生的毛细压力驱动，无需外加动力。由于冷凝端和蒸发端分开，环路式热管广泛应用于能量的综合应用以及余热的回收。
如图3所示，蒸发端包括蒸发器、储液器、导热铜片和热电制冷器(ThermoElectric Cooler，TEC)，所述储液器连接蒸发器，所述热电制冷器的制冷面与储液器的上表面热连接，导热铜片下表面的一部分与蒸发器的上表面热连接，导热铜片下表面的另一部分与在热电制冷器的上表面热连接。
本发明将热电制冷器应用于环路热管中，体积小、质量小、无任何运动部件、可靠性高、无污染制冷迅速且控温精度高，有效形成了蒸发器与储液器的温差，确保了环路热管正常启动与稳定运行，在热功率波动时也可维持温度稳定。
作为优选，热管用于航天系统，例如卫星的散热系统。
作为优选，环路热管还包括双路继电器、MOS管和直流电源，双路继电器连接TEC，MOS管连接双路继电器，直流电源、MOS管、双路继电器以及安装在环路热管储液器上方的TEC之间通过导线连接形成回路，直流电源负责为热电制冷器供电，双路继电器可通过改变常通接口和常闭接口的状态来改变TEC的供电方向，而MOS管则可控制回路的通断。
本发明通过设置双路继电器改变常通接口和常闭接口的状态来改变TEC的供电方向，而MOS管则可控制回路的通断，从而实现针对TEC的智能控制。
作为优选，单片机与双路继电器、MOS管以及安装于蒸发器下侧的温度传感器相连，可接收蒸发器处的温度数据作为判断要素来控制双路继电器以及MOS管的工作状态。
作为优选，如图5所示，在TEC辅助系统中，直流电源、MOS管、双路继电器以及安装在环路热管蒸发器上方的TEC之间通过胶皮导线连接形成回路。可控功率的直流电源负责为TEC供电，与MOS管单向连接，以便于MOS管灵活控制回路的通断，起到开关阀的作用。双路继电器同MOS管与TEC相连，可通过改变常通接口和常闭接口的状态来改变TEC的供电方向。单片机与双路继电器、MOS管以及安装于蒸发器另一侧的温度传感器相连，使用杜邦线、面包板、接线端子等部件完成了控制系统的接线与固定，并利用轻触/自锁式按键、LED灯等电子元件实现了各回路的外部控制及状态显示，可接收蒸发器处的温度作为判断要素来控制双路继电器以及MOS管的工作状态。
作为优选，在正常供电模式下，单片机将接收温度传感器信号并通过串口每隔一定时间(例如1秒)将蒸发器的温度数据传输至电脑端，同时控制双路继电器保持TEC为正向供电状态(即与储液器接触面为制冷面，与导热铜片接触面为发热面)，而MOS管则在单片机的控制下保持导通状态。此工作模式下，TEC回路始终保持导通状态，可通过调节直流电源的参数来实现对环路热管的定功率辅助制冷。通过上述操作可以促使环路热管的快速启动。以及运行中的快速循环。
作为优选，在需要提高蒸发器与储液器间温差的时候，例如当检测的蒸发器的温度过低，此时提供控温反馈模式下。在控温反馈模式下，单片机接收温度传感器反馈的蒸发器温度，将其与系统设定的目标温度进行对比得到数据，单片机根据得到的数据控制向TEC提供的直流电源的功率大小。
作为优选，如果检测的蒸发器的温度高于目标温度，单片机数据控制向TEC提供的直流电源的功率降低，如果检测的蒸发器的温度低于目标温度，单片机数据控制向TEC提供的直流电源的功率增加。
作为优选，单片机将基于PID算法计算得到实现温控所需提供的TEC功率，并向MOS管的栅极输出不同占空比的PWM信号，从而改变TEC的输出功率并实现闭环控制。同时，单片机也将对蒸发器温度是否达到峰值、由升高转为降低做出判断，从而终止对TEC的功率输入，关闭TEC。如果检测的蒸发器的温度达到峰值，则终止对TEC的功率输入。该过程中，单片机将控制双路继电器保持正向供电状态，同时每隔一定时间(例如1秒)通过串口向计算机输出当前为MOS管栅极处提供的电压以及蒸发器的实时温度。
作为优选，在需要降低蒸发器与储液器间温差的时候，例如当检测的蒸发器的温度达到峰值时候，或者高于峰值的时候，此时提供反向供电模式下。在反向供电模式下单片机接收温度传感器信号并通过串口每隔一定时间(例如1秒)将蒸发器温度数据传输至电脑端，同时保持MOS管为导通状态，并切换双路继电器工作状态，此时直流电源为TEC反向供电，TEC的制冷面通过导热铜片传热至蒸发器，发热面则直接与储液器接触。此工作模式下，TEC回路始终保持导通，发热面和制冷面的切换使得环路热管蒸发器与储液器间温差快速减小，环路热管正常运行所必须的压力差也随之减小，所以该模式可以实现环路热管的快速停止运行。
表1装置内各部件及其作用
作为一个优选，在具体器件的选择方面，本文根据控制系统的设计需求选用了TES1-7103型号的半导体制冷片，该型号制冷片大小为23mm*23mm*3.8mm，与环路热管储液器直径相近，其内部有71对P、N型半导体，制冷功率最大可达到13W，制冷面与发热面的最大温差可达64℃。
维持环路热管蒸发器和储液器的温差是环路热管正常运行的关键之一，蒸发器内部毛细芯所产生的毛细力可以提供被动的液封效果，从而维持蒸发器和储液器内部的压力差，而温度差则是形成压力差的主要驱动因素。
蒸发器和储液器间温度差为环路热管各个部分能量传递平衡的结果，其温差可通过式(1)表示：
Qe,cc＝Re,ccΔTe,cc＝cm(Tsat-Tsub) (1)
式中，Re,cc表示壳体的漏热热阻，ΔTe,cc表示蒸发器和储液器间温度差，c为液态工质的比热容，m表示工质的质量流量，Tsat表示储液器内部饱和工质的温度，Tsub表示储液器入口处的工质温度。
将上式进行适当变化即可得式(2)：
ΔTe,cc＝cm(Tsat-Tsub)/Re,cc (2)
由式(2)可见，蒸发器和储液器的温差主要取决于环路热管储液器内回流工质的过冷度Tsat-Tsub以及壳体的漏热热阻Re,cc。
为增大环路热管蒸发器与储液器间温差，本文利用TEC的控温特性，将其制冷面安装于储液器上方，发热面通过铜片连接至蒸发器，从而增大环路热管储液器和蒸发器的温差。安装TEC辅助制冷后，环路热管蒸发器与储液器温差可用式(3)表示：
ΔTe,cc＝(Qtec,l-cm(Tsat-Tsub))/Re,cc (3)
式中，Qtec,l表示TEC的制冷功率。
由式(3)可知，启动TEC辅助制冷后，TEC的制冷功率也成为了影响环路热管正常工作状态下蒸发器-储液器间温度差的关键因素，且TEC制冷功率在环路热管运行温度较低、回流工质过冷量较小的情况下对蒸发器-储液器间温度差影响最大。因此，当环路热管壳体的漏热热阻不变的情况下，使用TEC辅助制冷可以有效增大环路热管蒸发器与储液器间温度差，从而有效提高环路热管运行性能。
图4显示了在某加热功率下，环路热管蒸发器的温度运行曲线。整个曲线中，蒸发器温度经历了上升-下降-趋于平稳三个阶段，其中A点为曲线温度运行的最高点。在A点之前的运行曲线中，蒸发器持续受热，环路热管未完全启动，制冷效率低于放热效率导致蒸发器温度持续上升。A点时刻代表环路热管制冷效率与放热效率等同，环路热管启动情况已足够应对放热，因此以A点的温度转折点作为控制TEC自动关闭的标志，从而达到辅助热管启动与节省功耗二者的最优解。
根据TEC的控温特点，本文以Arduino单片机为控制核心，结合控制要求选用合适参数的TEC、双路继电器、金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOS管)以及温度传感器等电子元件，设计了用于辅助环路热管运行的TEC辅助系统，系统的整体设计思路如图5所示。
在TEC辅助系统中，直流电源、MOS管、双路继电器以及安装在环路热管蒸发器上方的TEC之间通过导线连接形成回路，可控功率的直流电源负责为TEC供电，双路继电器可通过改变常通接口和常闭接口的状态来改变TEC的供电方向，而MOS管则可灵活控制回路的通断。单片机与双路继电器、MOS管以及安装于蒸发器另一侧的温度传感器相连，可接收蒸发器处的温度作为判断要素来控制双路继电器以及MOS管的工作状态。
通过上述控制回路，本文为该系统设计了以下三种工作模式：
1.正常供电模式
在正常供电模式下，单片机将接收温度传感器信号并通过串口每隔一秒将蒸发器的温度数据传输至电脑端，同时控制双路继电器保持TEC为正向供电状态(即与储液器接触面为制冷面，与导热铜片接触面为发热面)，而MOS管则在单片机的控制下保持导通状态。此工作模式下，TEC回路始终保持导通状态，可通过调节直流电源的参数来实现对环路热管的定功率辅助制冷。
2.控温反馈模式
在控温反馈模式下，单片机接收温度传感器反馈的蒸发器温度，将其与系统设定的目标温度进行对比得到误差值，此后单片机将基于PID算法计算得到实现温控所需提供的TEC功率，并向MOS管的栅极输出不同占空比的PWM信号，从而改变TEC的输出功率并实现闭环控制。同时，单片机也将对蒸发器温度是否达到峰值、由升高转为降低做出判断，从而终止对TEC的功率输入，关闭TEC。该过程中，单片机将控制双路继电器保持正向供电状态，同时每秒通过串口向计算机输出当前为MOS管栅极处提供的电压以及蒸发器的实时温度。
3.反向供电模式
在反向供电模式下，单片机接收温度传感器信号并通过串口每隔一秒将蒸发器温度数据传输至电脑端，同时保持MOS管为导通状态，并切换双路继电器工作状态，此时直流电源为TEC反向供电，TEC的制冷面通过导热铜片传热至蒸发器，发热面则直接与储液器接触。此工作模式下，TEC回路始终保持导通，发热面和制冷面的切换使得环路热管蒸发器与储液器间温差快速减小，环路热管正常运行所必须的压力差也随之减小，所以该模式可以实现环路热管的快速停止运行。
系统的控制核心选用的是Arduino Uno单片机，Arduino是一种灵活便捷的开源电子原型平台，其使用类似C语音的处理/写入开发环境，可以在电脑端通过Arduino IDE编写控制程序代码后由数据线上传至单片机实现控制。因为其开源特性，Arduino可以方便地结合现有的电子元器件并与各类软件进行交互，从而设计出高效的控制系统，能够很好地满足本研究的需求。
系统的温度传感器需要附在环路热管蒸发器的侧面，且实现精确温控需要较高的传感器精度，故本研究为TEC辅助系统选用了贴片式的DS18B20温度传感器。DS18B20温度传感器具有较高的测量精度，在-10至+85℃范围内测量精度为±0.5℃，最高分辨率为0.0625℃，它可以通过单线接口的方式与单片机实现双向通信，并可由Arduino的5V电压直接供电。
TEC的正常工作需要直流稳压电源为其供电，本研究选用了UTP3313TFL-II型可调直流稳压电源，该电源最大输出功率为90W，输出电压范围0～30V，输出电流范围0～3A，电压及电流的分辨率分别为10mV和1mA，并有恒压模式及恒流模式，可以满足实验需求。
如图6所示，所述蒸发端包括外壳。所述外壳内设置四个腔室，分别是气体缓冲室12、毛细芯室10、副毛细芯室8(气体缓冲室12、毛细芯室10、副毛细芯室8构成蒸发器)和储液器13。所述气体缓冲室连接毛细芯室，毛细芯室连接副毛细芯室，副毛细芯室连接储液室，毛细芯室和副毛细芯室内分别设置毛细芯和副毛细芯，副毛细芯孔径小于毛细芯孔径。
作为优选，所述外壳使用不锈钢制造；毛细芯室10设置的毛细芯为镍基毛细芯，可从大功率器件处吸收热量传递给工质，工质发生相变带走热量；毛细芯的一侧打多个孔9(优选3个孔)作为引流槽道并可增大径向毛细力；毛细芯上表面刻有槽道，便于液氨汽化成饱和气体后逸散。副毛细芯室8由材质为优选20微米孔径的不锈钢丝网的副毛细芯包裹在储液室四周构成，副毛细芯孔径小于毛细芯孔径。可进一步加强轴向毛细力，并有效破坏毛细芯内部液体管线的大气泡，降低反向漏热，保证热管的稳定正向运行。副毛细芯与主毛细芯一侧的孔相配合，使回流液体工质可直接进入毛细芯前端进行蒸发。储液室可以保证毛细芯一直被液体工质所浸润，启动前无需进行任何预处理，可直接对蒸发器施加热载荷来启动热管，保证对蒸发器毛细芯的液体储备与供给。气体缓冲室提高了气体从毛细芯中逸出的速率，并且可以平衡气体扩散的速率，降低气体扩散的阻力，使气体平稳扩散。
作为优选，从毛细芯中间位置到周边位置，毛细芯的孔9的长度逐渐变短。通过大量的数值模拟和实验研究发现，通过上述设置毛细芯的孔9的长度逐渐变短，能够使得热管的稳定正向效果更好，能够提高8-10％的技术效果。上述经验公式也是本申请经过大量实验研究的结果，也是本申请的一个发明点，并不是本领域的公知常识。
进一步优选，从毛细芯中间位置到周边位置，毛细芯的孔9的长度逐渐变短的幅度越老越大。通过大量的数值模拟和实验研究发现，通过上述设置能够使得热管的稳定正向效果最优。上述经验公式也是本申请经过大量实验研究的结果，也是本申请的一个发明点，并不是本领域的公知常识。
本申请通过大量的研究，找出了最佳的毛细芯长度分配关系优化公式。
外壳是圆形结构，外壳的内径是2R，外壳中心处的毛细芯的孔9的长度为L，则距离中心的距离为r位置的毛细芯的孔9的长度l规律如下：l＝b*L-c*L*(r/R)a，其中a、b、c是系数，满足如下要求：
1.082<a<1.109,0.99<b<1.01，0.358<c<0.363。
进一步优选，a＝1.096,b＝1，c＝0.361。
上述经验公式也是本申请经过大量实验研究的结果，是对毛细芯的孔9的长度分布的一个优化的结构，也是本申请的一个发明点，并不是本领域的公知常识。作为优选，从毛细芯中间位置到周边位置，毛细芯的孔9的通孔面积逐渐变小。
进一步优选，从毛细芯中间位置到周边位置，毛细芯的孔9的通孔面积逐渐变小的幅度越老越大。技术效果参见前面的毛细芯的孔9的长度变化关系。
外壳是圆形结构，外壳的内径是2R，外壳中心处的毛细芯的孔9的面积为S，则距离中心的距离为r位置的毛细芯的孔9的面积s规律如下：
s＝b*S-c*S*(s/S)a，其中a、b、c是系数，满足如下要求：
1.085<a<1.113,0.99<b<1.01，0.347<c<0.359。
进一步优选，a＝1.099,b＝1，c＝0.353。
上述经验公式也是本申请经过大量实验研究的结果，是对毛细芯的孔9的面积分布的一个优化的结构，也是本申请的一个发明点，并不是本领域的公知常识。
蒸发端工作流程：液体工质从储液室出发，经过副毛细芯进入毛细芯内部的液体干道，从而均匀地对毛细芯进行供液，使毛细芯一直处于浸润状态。工质在毛细芯外表面吸收热量蒸发，产生的蒸汽从蒸汽槽道流出进入蒸汽管线继而进入气体缓冲室。在此过程中，毛细芯提供驱动工质循环的动力。
本发明通过设置副毛细芯，副毛细芯孔径小于毛细芯孔径。相对于现有的环路热管，能够增强轴向毛细力，降低反向漏热、破坏液体管线内部的大气泡。其原理为：高目数的副毛细芯由于其孔径非常小，因此在一定程度上可以增大毛细力，从而使抽吸能力得以加强；在反向运行的过程中，小孔径的副毛细芯还可将气泡挤破，从而滤掉一定的气泡，减小反向漏热。
图6展示了外壳四腔室的具体结构，从右到左分别为气体缓冲室、毛细芯室、副毛细芯室、储液器，正常工作时，液体从右端进，气体从左端出，侧孔即为灌注接口，可以通过此接口向环路热管内灌注液体工质。
本发明创新性如下：
1)将热电制冷器应用于环路热管中，体积小、质量小、无任何运动部件、可靠性高、无污染制冷迅速且控温精度高，有效形成了蒸发器与储液器的温差，确保了环路热管正常启动与稳定运行，在热功率波动时也可维持温度稳定。
2)创新性地将热电制冷器与自动控制系统复合，通过对蒸发器温度的实时监控来自动控制热电制冷器的启停与功率大小，既可一体化实现对热管辅助与精准控温的控制效果，也可通过控制TEC的运行功率与运行时间达到节能的目的。
3)热管结构优化。在热管的储液室内加入副毛细芯并插入毛细芯内部，有利于液氨快速进入毛细芯内部，扩大液氨与毛细芯的接触面积，使回路的轴向毛细力加强，并可有效减少毛细芯内部液体管线的大气泡，降低反向漏热，保证热管的稳定正向运行，并使热管的毛细抽吸速度提高到0.6g/s。
4)热管高传热效率。装置采用镍基毛细芯氨工质环路热管，以小粒径T255球形镍粉为原材料，g-C3N4、NaCl颗粒为造孔剂，其中镍基毛细芯孔隙率高达75％，毛细抽吸速度达到0.6g/s，热管热阻在60％充注量下可稳定在0.15±0.01℃/W，低于市场现有0.18-0.32℃/W的普遍范围，整体传热功率可达400W，且极限功率较普通热管提升100W，整体传热性能大幅提升。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (2)
1.一种设置热电制冷器的环路热管，包括热电制冷器(TEC)、导热铜片、蒸发器和储液器，所述储液器连接蒸发器，其特征在于，所述热电制冷器的制冷面与储液器的上表面热连接，导热铜片下表面的一部分与蒸发器的上表面热连接，导热铜片下表面的另一部分与在热电制冷器的上表面热连接；
所述的环路热管还包括双路继电器、MOS管和直流电源，双路继电器连接TEC，MOS管连接双路继电器，直流电源、MOS管、双路继电器以及安装在环路热管储液器上方的TEC之间通过导线连接形成回路，直流电源负责为热电制冷器供电，双路继电器可通过改变常通接口和常闭接口的状态来改变TEC的供电方向，而MOS管则可控制回路的通断；
单片机与双路继电器、MOS管以及安装于蒸发器下侧的温度传感器相连，可接收蒸发器处的温度数据作为判断要素来控制双路继电器以及MOS管的工作状态；在控温反馈模式下，单片机接收温度传感器反馈的蒸发器温度，将其与系统设定的目标温度进行对比得到误差值，此后单片机将基于PID算法计算得到实现温控所需提供的TEC功率，并向MOS管的栅极输出不同占空比的PWM信号，从而改变TEC的输出功率并实现闭环控制；同时，单片机也将对蒸发器温度是否达到峰值、由升高转为降低做出判断，从而终止对TEC的功率输入，关闭TEC；该过程中，单片机将控制双路继电器保持正向供电状态，同时每秒通过串口向计算机输出当前为MOS管栅极处提供的电压以及蒸发器的实时温度；在反向供电模式下，单片机接收温度传感器信号并通过串口每隔一秒将蒸发器温度数据传输至电脑端，同时保持MOS管为导通状态，并切换双路继电器工作状态，此时直流电源为TEC反向供电，TEC的制冷面通过导热铜片传热至蒸发器，发热面则直接与储液器接触；此工作模式下，TEC回路始终保持导通，发热面和制冷面的切换使得环路热管蒸发器与储液器间温差快速减小，环路热管正常运行所必须的压力差也随之减小，所以该模式可以实现环路热管的快速停止运行。
2.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，在正常供电模式下，单片机将接收温度传感器信号并通过串口每隔一秒将蒸发器的温度数据传输至电脑端，同时控制双路继电器保持TEC为正向供电状态(即与储液器接触面为制冷面，与导热铜片接触面为发热面)，而MOS管则在单片机的控制下保持导通状态；此工作模式下，TEC回路始终保持导通状态，可通过调节直流电源的参数来实现对环路热管的定功率辅助制冷。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101519127A (zh) * | 2009-04-07 | 2009-09-02 | 北京航空航天大学 | 一种基于lhp被动散热的微小卫星主动热控系统 |
| CN102092482A (zh) * | 2009-12-11 | 2011-06-15 | 上海卫星工程研究所 | 卫星星载设备的环路热管降温装置 |
| CN106225535A (zh) * | 2016-07-22 | 2016-12-14 | 北京空间机电研究所 | 一种圆柱型环路热管毛细泵组件 |
| CN107062962A (zh) * | 2017-03-23 | 2017-08-18 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种具有良好启动性能和运行稳定性的环路热管 |
| CN108252050A (zh) * | 2017-12-15 | 2018-07-06 | 同济大学 | 一种热电热管复合式干衣机 |
| CN109237837A (zh) * | 2018-07-24 | 2019-01-18 | 同济大学 | 热电制冷器及热电式滚筒干衣机 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120198859A1 (en) * | 2011-02-03 | 2012-08-09 | Iberica del Espacio, S.A., | Thermal control device |
| ES2648877T3 (es) * | 2012-12-28 | 2018-01-08 | Ibérica Del Espacio, S.A. | Aparato de tubo de calor en bucle para transmisión de calor y control térmico |
-
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101519127A (zh) * | 2009-04-07 | 2009-09-02 | 北京航空航天大学 | 一种基于lhp被动散热的微小卫星主动热控系统 |
| CN102092482A (zh) * | 2009-12-11 | 2011-06-15 | 上海卫星工程研究所 | 卫星星载设备的环路热管降温装置 |
| CN106225535A (zh) * | 2016-07-22 | 2016-12-14 | 北京空间机电研究所 | 一种圆柱型环路热管毛细泵组件 |
| CN107062962A (zh) * | 2017-03-23 | 2017-08-18 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种具有良好启动性能和运行稳定性的环路热管 |
| CN108252050A (zh) * | 2017-12-15 | 2018-07-06 | 同济大学 | 一种热电热管复合式干衣机 |
| CN109237837A (zh) * | 2018-07-24 | 2019-01-18 | 同济大学 | 热电制冷器及热电式滚筒干衣机 |
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