CN117308659A - 基于磁流变液减震的热管辐射散热系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流变液减震的热管辐射散热系统及工作方法，该系统主要通过连接在热管底部与冷却剂流通管道上的弹簧以及连接在热管与冷却剂流通管道上的减震装置实现系统的减震。通过改变连接于装置内部阻尼器线圈中的电流大小，可实现磁流变液腔室内磁场的改变，从而改变腔室中磁流变液阻尼从而实现吸收振动的效果。通过在冷却剂流通管道中排列不同工作温度的热管，实现能源的多级利用。本发明具有热管式辐射散热器减震效果好，能源可多级有效利用且安全性能较好的优点，可以显著提高空间飞行器及其空间核动力装置对频繁空间交变温度下的稳定性与适应性，提高能源利用率，能够更好的满足空间条件下飞行器长时间工作的需求。

Description

基于磁流变液减震的热管辐射散热系统及工作方法

技术领域

本发明涉及一种基于磁流变液减震的热管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

航天科技的发展，主要有两大技术需要解决：动力装置以及环境信息的获取。航天动力装置与普通动力装置类似，能量的转换效率有限，最终都会排出大量废热。由于航天器所处环境为真空、微重力、超低温，基于热传导、热对流的散热方式均无法满足空间环境下的散热需求，因此基于热辐射的空间散热方式势在必行。

现有的空间辐射散热器主要采用热管式辐射散热器，热管式辐射散热器采用蒸发冷凝相变的原理，通常热管的蒸发段插入冷却剂通道之中将热量吸收，而热管中的工质受热相变向冷凝端运作，冷凝端冷凝之后通过翅片将热量释放出去，同时在热管吸液芯毛细力的作用下工质又会回流至蒸发段，如此不断的循环之下，高效地将热量从航天器辐射至太空。航天器在太空中经常周期性地进出日照区和阴影区，这会导致航天器许多结构受到交变温度和冲击热载荷的影响。就热管辐射散热系统而言，交变温度产生的热流量冲击很容易引起热管不必要的振动。此外，冷却剂温度的突变也会引起热管的振动，对航天器的正常运作产生负面的影响。

针对上述问题，本发明提出了基于磁流变液的热管式辐射散热系统及工作方法，利用基于磁流变液减震装置中导电线圈产生的磁场控制不同腔室中磁流变液 的阻尼大小，吸收热管式辐射散热器的振动，达到减震的目的，从而提高了航天器工作的稳定性。

发明内容

发明目的：针对当前空间热管式辐射散热系统存在的不足，本发明提出了基于磁流变液的热管式辐射散热系统及工作方法，利用基于磁流变液减震装置中导电线圈产生的磁场控制不同腔室中磁流变液的阻尼大小，吸收热管式辐射散热器的振动，达到减震的目的，从而提高航天器工作的稳定性。

技术方案：一种基于磁流变液减震的热管辐射散热系统，包括冷却剂通道，以及设置在冷却剂通道上的若干个辐射散热单元；所述辐射散热单元包括热管，热管插入冷却剂通道的一端设置弹簧，弹簧的另一端与冷却剂通道的内壁连接；热管的侧壁设置至少两个磁流减震装置，所述磁流减震装置包括以热管为中心对称的两个部分，每个部分包括活塞杆、活塞、磁流变液腔室和工作缸筒，对称的两部分的磁流变液腔室之间通过阻尼通道连通，活塞杆的两端分别连接活塞和热管。所述活塞杆与两端的活塞通过固定螺母相连接。

进一步的，不同辐射散热单元设置不同温度的热管。

进一步的，所述磁流减震装置包括第一工作缸筒、第一线圈、活塞、活塞杆、第一磁流变液腔室；第一工作缸筒通过第一弹性密封圈与热管相连接并形成第一磁流变液腔室，活塞将第一磁流变液腔室分成两部分，两部分的磁流变液腔室之间通过第一阻尼通道连通，第一线圈缠绕于第一阻尼通道外侧，通过控制第一线圈的电流，控制产生磁场的大小，从而改变第一阻尼通道中磁流变液的性质。

进一步的，所述磁流减震装置还包括第二工作缸筒、第三工作缸筒、滑动磁流变液阻尼器、第二磁流变液腔室；第二工作缸筒固定于第一工作缸筒，形成第二磁流变液腔室；滑动磁流变液阻尼器将第二磁流变液腔室分成两部分，两部分通过第二阻尼通道连通；第三工作缸筒的敞口端嵌入第二工作缸筒内，敞口端的侧壁与第二工作缸筒通过第二弹性密封圈连接，敞口端的端部与滑动磁流变液阻尼器连接，敞口端设置若干个第二阻尼通道；滑动磁流变液阻尼器与第一工作缸筒的外壁滑动连接；滑动磁流变液阻尼器中设置第二线圈，通过控制第二线圈的电流，控制产生磁场的大小，从而改变第二阻尼通道中磁流变液的性质。

进一步的，所述滑动磁流变液阻尼器具体包括第二线圈、第二阻尼通道、槽道以及两个滚轮；两个滚轮与第一工作缸筒的外壁滑动连接，两个滚轮的一侧分别设置槽道，槽道中充满磁流变液；通过控制第二线圈的电流，能够改变第二阻尼通道和槽道中磁流变液的性质。当通过改变第一线圈电流以控制磁场时，槽道的存在可使得对磁流变液的控制更加高效。

进一步的，所述槽道为倒梯形。

进一步的，所述辐射单元包括竖直热管和弯曲热管，所述竖直热管与弯曲热管交错排列或根据热流量调整排列方式，实现的减震的同时，并具有较高的散热量。

进一步的，所述线圈的作用均为产生磁场以调节磁流变液的阻尼大小，工作缸筒壁面均采用绝磁材料，使得不同线圈产生的磁场仅仅对相应的磁流变液腔室有效。

本发明还提供上述热管辐射散热系统的工作方法：当竖直热管内部或外部温度变化值小于50K时，第一线圈与第二线圈均通入电流，所述热管辐射散热系统内所有磁流变液的阻尼力均为最大，磁流变液表现为固体的性质，此时竖直热管产生的振动通过弹簧来吸收。

本发明还提供上述热管辐射散热系统的工作方法：当竖直热管内部或外部温度变化值为50K-100K时，第一线圈断开电流，第二线圈通入电流，第一磁流变液腔室中的磁流变液表现为流体性质，此时竖直热管产生的振动一部分由第一弹性密封圈吸收，另一部分通过与活塞杆连接的活塞传递给磁流变液吸收。

本发明还提供上述热管辐射散热系统的工作方法：当竖直热管内部或外部温度变化值大于100K时，第一线圈与第二线圈均断开电流，所述热管辐射散热系统内所有磁流变液腔室内均为液体，此时竖直热管产生的振动第一部分由第一弹性密封圈吸收，第二部分由与活塞杆连接的活塞传递给磁流变液吸收，第三部分由滑动磁流变液阻尼器沿着第一工作缸筒外壁滑动吸收。

当振动消失线圈会瞬间通入电流回归原始工作状态，保证热管辐射散热的振动不会传递于冷却剂通道以及空间飞行器。

本发明具有如下有益效果：

（1）本发明在热管与冷却剂流通管道之间设置磁流减震装置，通过通电线圈产生的磁场实现对磁流变液阻尼的控制，在实现热管式辐射散热系统减震的同时，具有响应快，阻尼力可调节等效果。

（2）本发明通过弹簧、活塞以及可以与工作缸筒相配合的滑动磁流变液阻尼器实现多级减震的效果；针对不同散热环境，设置有不同减震等级，可根据不同工作情况选择不同减震等级，有效提升辐射散热系统乃至航天器运行的稳定性与安全性。

（3）本发明通过对辐射单元内部设置竖直热管以及弯曲热管，并在竖直热管与冷却剂通道之间设置基于磁流变液的减震装置，竖直热管与弯曲热管可交错排列或根据热流量调整排列方式，实现的减震的同时，并具有较高的散热量。

附图说明

图1为辐射散热单元的结构示意图：

其中：1-冷却剂通道、2-第三工作缸筒、3-第二工作缸筒、4-第一工作缸筒、5-第二弹性密封圈、6-第一弹性密封圈、7-热管、8-第一阻尼通道、9-滑动磁流变液阻尼器、10-阻尼孔、11-第二磁流变液腔室、12-第一磁流变液腔室、13-活塞、14-活塞杆、15-第一线圈、16-弹簧、17-固定螺母；

图2为滑动磁流变液阻尼器的结构示意图；

其中：91-第二线圈，92-第二阻尼通道，93-槽道，94-滚轮；

图3为热管辐射散热系统的结构示意图；

其中：1-冷却剂通道，18-第一辐射散热单元，19-第二辐射单元，20-竖直热管，21-弯曲热管。

实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的解释。

一种基于磁流变液减震的热管辐射散热系统（如图3），包含以下装置：冷却剂通道1，第一辐射散热单元18、第二辐射单元19、竖直热管20、弯曲热管21；沿冷却剂通道设置多个不同辐射散热单元，所述辐射单元包括热管和翅片，翅片包络在热管上，不同辐射散热单元设置不同温度的热管，实现辐射散热的同时又可达到能源多级利用的目的；所述热管插入冷却剂流通管道之中，热管与冷却剂通道之间设置基于磁流变液的减震装置，所述减震装置通过导电线圈产生的磁场控制各个部分磁流变液的阻尼大小，以实现在复杂工作条件下对热管和翅片的减震。减震装置整体为圆柱状，第一工作缸筒4、第二工作缸筒3以及第三工作缸筒2均为圆柱状。所述辐射单元内部的热管包括竖直热管20和弯曲热管21，热管的竖直部分与冷却剂通道之间设置基于磁流变液的减震装置，所述竖直热管与弯曲热管可交错排列或根据热流量调整排列方式，以实现的减震的同时，并具有较高的散热量。

一种基于磁流变液的减震装置（如图1），包含以下装置，冷却剂通道1、第三工作缸筒2、第二工作缸筒3、第一工作缸筒4、第二弹性密封圈5、第一弹性密封圈6、热管7、第一阻尼通道8、滑动磁流变液阻尼器9、阻尼孔10、第二磁流变液腔室11、第一磁流变液腔室12、活塞13、活塞杆14、第一线圈15、弹簧16、固定螺母17。热管7在垂直方向通过弹簧16与冷却剂通道1的内壁连接，水平方向与活塞13相连接，且通过第一弹性密封圈6与第一工作缸筒4相连接；滑动磁流变液阻尼器9与第一工作缸筒4的外壁面滑动连接；第三工作缸筒2的敞口端侧壁与第二工作缸筒3通过第二弹性密封圈5连接，敞口端的端部连接滑动磁流变液阻尼器9，该端部设置若干个通道，作为第二阻尼通道92；活塞杆与两端的活塞通过固定螺母17相连接。

一种滑动磁流变液阻尼器（如图2），包括第二线圈91、第二阻尼通道92、槽道93以及两个滚轮94，两个滚轮94与第一工作缸筒4的外壁滑动连接，两个滚轮94的一侧分别设置槽道93，第二线圈91缠绕在滑动磁流变液阻尼器本体上，槽道93中充满磁流变液；通过控制第二线圈91的电流，能够改变第二阻尼通道92和槽道93中磁流变液的性质。当第二线圈91不通电时，槽道93以及第二磁流变液腔室11中的磁流变液均表现为流体性质，此时滑动磁流变液阻尼器9可与第一工作缸筒4产生相对位移，即可沿第一工作缸筒4的外壁面滑动，同时第二磁流变液腔室11中的磁流变液由于受到挤压作用，而沿第二阻尼通道92左右流通；反之，当第二线圈91通电时，槽道93以及第二磁流变液腔室11中的磁流变液均表现为固体性质，此时滑动磁流变液阻尼器无法与第一工作缸筒4产生相对位移。

一种基于磁流变液的热管式辐射散热系统的工作方法，包括如下过程：

步骤1：当热管式辐射散热器仅有轻微的振动时，减震装置处于1级减震模式下，第一线圈15与第二线圈91均通入电流，在该模式下第一磁流变液腔室，第二磁流变液腔室以及槽道中的磁流变液均表现为固体的性质，热管所产生的轻微振动可通过底部的弹簧16来吸收。

步骤2：当热管式辐射散热器产生中等振动时，减震装置处于2级减震模式下，此时第一线圈15断开电流，第二线圈91通入电流，第一磁流变液腔室12中的磁流变液表现为流体性质，第二磁流变液腔室11以及槽道93中的磁流变液依然呈现固体性质，此时热管产生的振动一方面传递于弹簧16，通过弹簧16吸收振动，另一方面通过活塞杆14传递于活塞13，而由于第一磁流变液腔室12中的磁流变液呈现流体的性质，于是活塞13可左右运动，同时第一磁流变液腔室12中的磁流变液受到挤压，从而沿与阻尼孔10连接的第一阻尼通道8左右流动，以此吸收热管所产生的振动。

步骤3：当热管式辐射散热器产生较大的振动时，减震装置处于3级减震模式下，此时减震装置中的第一线圈15与第二线圈91均断开电流，第一磁流变液腔室12、第二磁流变液腔室11以及槽道93中的磁流变液均呈现流体的性质，此时热管产生的振动一方面传递于弹簧16，通过弹簧16吸收振动，另一方面同样通过活塞杆14传递于活塞13，而由于第一磁流变液腔室12中的磁流变液呈现流体的性质，于是活塞13可左右运动，同时第一磁流变液腔室12中的磁流变液受到挤压，从而沿与阻尼孔10连接的第一阻尼通道8左右流动，以此吸收热管所产生的振动，当第一磁流变液腔室12中的磁流变液不足以吸收热管产生的振动时，由于第二磁流变液腔室11以及槽道93中的磁流变液呈现流体性质，于是第一工作缸筒4与第二工作缸筒3可左右移动，与滑动磁流变液阻尼器9产生相对位移，而第二磁流变液腔室11中的磁流变液由于受到挤压作用，而沿第二阻尼通道92左右流通，从而进一步吸收热管所产生的振动；当振动消失线圈会瞬间通入电流回归原始工作状态，保证热管辐射散热的振动不会传递于冷却剂通道1以及空间飞行器。

本发明一种基于磁流变液减震的热管辐射散热系统及工作方法，其利用磁流变液在不同磁场下的性质，通过改变磁场的大小进而控制不同工作缸筒中磁流变液的阻尼大小，进而吸收热管在在工作共产生的振动，以达到减震的目的。所述减震器将热管辐射散热器中的热管与冷却剂流通相连接，热管包络在翅片之上，与冷却剂流通管道不接触，以达到热管与翅片的协同减震。沿冷却剂管道流向设置不同工作温度的热管，从而在保证系统稳定工作的同时，提升了能源的利用率。

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 (10)

1.一种基于磁流变液减震的热管辐射散热系统，其特征在于，包括冷却剂通道（1），以及设置在冷却剂通道（1）上的若干个辐射散热单元；所述辐射散热单元包括热管，热管插入冷却剂通道（1）的一端设置弹簧，弹簧的另一端与冷却剂通道（1）的内壁连接；热管的侧壁设置至少两个磁流减震装置，所述磁流减震装置包括以热管的竖直部分为中心对称的两个部分，每个部分包括活塞杆、活塞、磁流变液腔室和工作缸筒，对称的两部分的磁流变液腔室之间通过阻尼通道连通，活塞杆的两端分别连接活塞和热管。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液减震的热管辐射散热系统，其特征在于，不同辐射散热单元设置不同温度的热管。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液减震的热管辐射散热系统，其特征在于，所述磁流减震装置包括第一工作缸筒（4）、第一线圈（15）、活塞（13）、活塞杆（14）、第一磁流变液腔室（12）；第一工作缸筒（4）通过第一弹性密封圈（6）与热管相连接并形成第一磁流变液腔室（12），活塞（13）将第一磁流变液腔室（12）分成两部分，两部分的磁流变液腔室之间通过第一阻尼通道（8）连通，第一线圈（15）缠绕于第一阻尼通道（8）外侧，通过控制第一线圈（15）的电流，控制产生磁场的大小，从而改变第一阻尼通道（8）中磁流变液的性质。

4.根据权利要求3所述的一种基于磁流变液减震的热管辐射散热系统，其特征在于，所述磁流减震装置还包括第二工作缸筒（3）、第三工作缸筒（2）、滑动磁流变液阻尼器（9）、第二磁流变液腔室（11）；第二工作缸筒（3）固定于第一工作缸筒（4），形成第二磁流变液腔室（11）；滑动磁流变液阻尼器（9）将第二磁流变液腔室（11）分成两部分，两部分通过第二阻尼通道（92）连通；第三工作缸筒（2）的敞口端嵌入第二工作缸筒（3）内，敞口端的侧壁与第二工作缸筒（3）通过第二弹性密封圈（5）连接，敞口端的端部与滑动磁流变液阻尼器（9）连接，敞口端设置若干个第二阻尼通道（92）；滑动磁流变液阻尼器（9）与第一工作缸筒（4）的外壁滑动连接；滑动磁流变液阻尼器（9）中设置第二线圈（91），通过控制第二线圈（91）的电流，控制产生磁场的大小，从而改变第二阻尼通道（92）中磁流变液的性质。

5.根据权利要求4所述的一种基于磁流变液减震的热管辐射散热系统，其特征在于，所述滑动磁流变液阻尼器（9）具体包括第二线圈（91）、第二阻尼通道（92）、槽道（93）以及两个滚轮（94）；两个滚轮（94）与第一工作缸筒（4）的外壁滑动连接，两个滚轮（94）的一侧分别设置槽道（93），槽道（93）中充满磁流变液；通过控制第二线圈（91）的电流，能够改变第二阻尼通道（92）和槽道（93）中磁流变液的性质。

6.根据权利要求5所述的一种基于磁流变液减震的热管辐射散热系统，其特征在于，所述槽道（93）为倒梯形。

7.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液减震的热管辐射散热系统，其特征在于，所述辐射散热单元包括竖直热管和弯曲热管，所述竖直热管与弯曲热管交错排列。

8.一种采用权利要求4-7任一所述的基于磁流变液减震的热管辐射散热系统的工作方法，其特征在于，当热管内部或外部温度变化值小于50K时，第一线圈（15）与第二线圈（91）均通入电流，所述热管辐射散热系统内所有磁流变液的阻尼力均为最大，磁流变液表现为固体的性质，此时热管产生的振动通过弹簧（16）来吸收。

9.一种采用权利要求4-7任一所述的基于磁流变液减震的热管辐射散热系统的工作方法，其特征在于，当热管内部或外部温度变化值为50K-100K时，第一线圈（15）断开电流，第二线圈（91）通入电流，第一磁流变液腔室（12）中的磁流变液表现为流体性质，此时热管产生的振动一部分由第一弹性密封圈（6）吸收，另一部分通过与活塞杆连接的活塞传递给磁流变液吸收。

10.一种采用权利要求4-7任一所述的基于磁流变液减震的热管辐射散热系统的工作方法，其特征在于，当热管内部或外部温度变化值大于100K时，第一线圈（15）与第二线圈（91）均断开电流，所述热管辐射散热系统内所有磁流变液腔室内均为液体，此时热管产生的振动第一部分由第一弹性密封圈（6）吸收，第二部分由与活塞杆连接的活塞（13）传递给磁流变液吸收，第三部分由滑动磁流变液阻尼器（9）沿着第一工作缸筒（4）外壁滑动吸收。