CN117367177A - 一种tec耦合环路热管及其控温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用TEC耦合环路热管及其控温方法，包括储液器、蒸发器、第一半导体制冷器、第二半导体制冷器、热源板和铜条；所述储液器设置于所述蒸发器上表面，所述蒸发器设置于所述热源板上表面；所述第一半导体制冷器和第二半导体制冷器分别安装在蒸发器两侧，第一半导体制冷器和第二半导体制冷器均有两个连接端：一个连接端安装在紧靠蒸发器一侧的热源板上，另一个连接端通过铜条连接至储液器的顶盖；所述第一半导体制冷器和第二半导体制冷器串联；通过改变施加在TEC制冷器上的电压大小和极性控制TEC的功率和极性。既可以实现环路热管的快速启动，又可以进一步提高环路热管的运行效率，同时可以进一步降低环路热管系统的工作温度。

Description

一种TEC耦合环路热管及其控温方法

技术领域

本发明涉及航天热设计领域，特别是涉及一种TEC耦合环路热管及其控温方法。

背景技术

半导体制冷器(TEC)是指利用半导体的热-电效应制取冷量的器件，又称热电制冷器。用导体连接两块不同的金属,接通直流电,则一个接点处温度降低，另一个接点处温度升高。

环路热管(LHP)是一种高效可靠的两相传热装置，它利用工作液体在蒸发器和冷凝器中的汽液相变进行高效传热。与传统热管相比，LHP具有传热距离远、安装灵活、控温精度高、抗过载加速等优点。在过去的三十年中，LHP已广泛应用于航空航天和电子冷却领域。

毛细泵是环路热管最核心的部件，其提供驱动工质循环的毛细力。毛细泵根据构型分为柱状毛细泵和平板毛细泵。柱状毛细泵作为最早、最传统的构型，具备结构稳定性好、背向漏热小、启动及运行过程稳定等优点。目前柱状毛细泵技术已经较为成熟，航天领域已有广泛的应用。尽管如此，由于其圆柱状外形在与热源安装时，需增加转接鞍座，安装热阻显著增加，并且结构难以小型化，无法适用重量及体积要求较高的场景。平板毛细泵具备良好的机、热接口，同时兼具可小型化轻量化的优点，一直是各国学者研究的重点方向。

环路热管的控制通常是靠在蒸发器或者储液器处粘贴电加热器，通过加热来对环路热管进行控制。对蒸发器加热促进热管启动，对储液器加热可以抑制热管运行流量，抬高储液器温度。但传统的加热器控制方式存在大热容系统启动困难，热管响应速度慢，热管运行效率偏低，无法进一步降低热管系统的运行温度等问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种使用TEC耦合环路热管及其控温，既可以实现环路热管的快速启动，又可以进一步提高环路热管的运行效率，同时可以进一步降低环路热管系统的工作温度。

本发明的技术方案是：一种TEC耦合环路热管，包括储液器、蒸发器、第一半导体制冷器、第二半导体制冷器、热源板和铜条；

所述储液器设置于所述蒸发器上表面，所述储液器上设置有过冷液体入口，所述蒸发器上设置有过热蒸汽出口，所述过热蒸汽出口内流出的过热蒸汽流向外部冷板；

所述蒸发器设置于所述热源板上表面；

所述第一半导体制冷器和第二半导体制冷器分别安装在蒸发器两侧，第一半导体制冷器和第二半导体制冷器均有两个连接端：一个连接端安装在紧靠蒸发器一侧的热源板上，另一个连接端通过铜条连接至储液器的顶盖；

所述第一半导体制冷器和第二半导体制冷器串联；通过改变施加在TEC制冷器上的电压大小和极性控制TEC的功率和极性。

所述热源板底部为外部热源。

进一步的，所述铜条与储液器的顶盖之间填充导热垫。

进一步的，所述热源板为铝板。

本发明还提供TEC耦合环路热管控温方法，包括如下两种控制模式：

控制模式一、第一半导体制冷器和第二半导体制冷器正向供电，即：第一半导体制冷器和第二半导体制冷器的热端安装在紧靠蒸发器一侧的热源板上，冷端通过铜条连接至储液器的顶盖；第一半导体制冷器和第二半导体制冷器从储液器吸收热量，对储液器形成制冷效果，并将该吸收的热量传递至与热端连接的热源板上，同时第一半导体制冷器和第二半导体制冷器自身工作也会产生一定的热耗，该热耗也会传递至与热端连接的热源板上；最终第一半导体制冷器和第二半导体制冷器的制冷量加上第一半导体制冷器和第二半导体制冷器的自身热耗以及外部热源的热量会一并被蒸发器内的汽化工质吸收，从而形成环路热管的运行及完成系统的散热任务；

控制模式二、第一半导体制冷器和第二半导体制冷器反向供电，即：第一半导体制冷器和第二半导体制冷器的冷端安装在紧靠蒸发器一侧的热源板上，热端通过铜条连接至储液器的顶盖；利用第一半导体制冷器和第二半导体制冷器的加热功能为储液器控温，在该种模式下，环路热管储液器所受的加热量为第一半导体制冷器和第二半导体制冷器自身热耗加上第一半导体制冷器和第二半导体制冷器制冷量的总和。

进一步的，TEC耦合环路热管控温方法，具体步骤如下：

步骤一、读取外部的热源温度和冷板温度，当热源温度大于控温点上限时，进入步骤二；当热源温度小于等于控温点上限时，进入步骤三；

步骤二、当冷板最小温度小于参考最小温度且冷板最大温度小于参考最大温度时，启动控制模式一，将第一半导体制冷器和第二半导体制冷器正向供电；

步骤三、当热源温度小于控温点下限时，将第一半导体制冷器和第二半导体制冷器断电或者反向供电；当冷板最小温度大于等于参考最小温度且冷板最大温度大于等于参考最大温度时，将第一半导体制冷器和第二半导体制冷器断电或者反向供电。

本发明的有益效果是：本发明提供一种TEC耦合环路热管及其控温方法，通过TEC的冷热两端分别连接储液器及蒸发器，通过调节TEC的功率及正反向供电，使环路热管的启动速度加快，运行效率提高，并扩大热管系统工作温度的可控范围。

以上优势可以进一步扩展环路热管在工程中的应用场景，大大提高环路热管在工程中的易用性及可控性。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1为本发明中环路热管的工作示意图；

图2为本发明中TEC耦合环路热管正向工作的示意图；

图3为本发明中TEC耦合环路热管逆向工作的示意图；

图4为本发明中环路热管加热器启动示意图；

图5为环路热管TEC启动示意图；

图6为本发明中TEC耦合环路热管的控制逻辑图。

图中：1为储液器，2为蒸发器，3为第一半导体制冷器，4为第二半导体制冷器，5为铜条，6为过冷液体入口，7为过热蒸汽出口，8为热源板，9为外部热源，10为毛细芯，11为蒸汽槽道。

具体实施方式

下面将结合附图以及本申请的实施例，对本申请的技术方案进行清楚和完整的描述。

如图1-3所示，一种TEC耦合环路热管包括储液器1、蒸发器2、第一半导体制冷器3、第二半导体制冷器4、热源板8和铜条5。所述储液器1设置于所述蒸发器2上表面，所述储液器1上设置有过冷液体入口6，所述蒸发器2上设置有过热蒸汽出口7，所述过热蒸汽出口7内流出的过热蒸汽流向外部冷板。所述蒸发器2设置于所述热源板8上表面。所述第一半导体制冷器3和第二半导体制冷器4分别安装在蒸发器2两侧，第一半导体制冷器3和第二半导体制冷器4均有两个连接端：一个连接端安装在紧靠蒸发器2一侧的热源板8上，另一个连接端通过铜条5连接至储液器1的顶盖。所述铜条5与储液器1的顶盖之间填充导热垫。所述第一半导体制冷器3和第二半导体制冷器4串联。通过改变施加在TEC制冷器上的电压大小和极性控制TEC的功率和极性。所述热源板8底部为外部热源9。

本实施例中所采用的平板环路热管为纵向设计，即储液器位于蒸发器上面。热管工质是纵向从储液器穿过毛细芯到达蒸发器。这种结构形式的平板环路热管，虽然在厚度的尺寸上不如横向布置的平板热管，但这种纵向布置结构形式，可以使更多的工质接触到毛细芯，且缩短了工质穿过毛细芯的路程，从而可以适应更大的热负载功率。

环路热管的启动问题是限制环路热管在航天领域大范围使用的重要影响因素。在实际工程中，常常会出现环路热管启动不了、启动慢、启动温度过高等等问题。特别是在小功率负载时，环路热管蒸汽槽道内的液体汽化较慢，更难形成推动热管运行的压力差。

环路热管常规的启动方式，是通过热负载抬高蒸发器温度，相比储液器形成一定的过热度，从而启动热管。而使用TEC启动热管，则可以通过给储液器制冷，同样形成过热度，进而推动热管运行。

TEC主要由温差电元件、导流片和陶瓷片ceramic substrate组成。用紫铜导流片连接N、P型温差电元件，再用高纯氧化铝陶瓷片在冷面和热面与外界耦合。本文所配合平板环路热管使用了两个TEC制冷器，每个TEC由127对PN结构成。利用珀尔帖效应在通电时，一个端吸热，另一个端放热，接头的吸热或放热取决于电流的方向。

TEC在配合平板环路热管使用时，两个TEC分别安装在蒸发器两侧，串联使用。TEC的一端安装在热源板上，并紧靠蒸发器，TEC的另一端通过导热铜条连接至储液器的顶盖，铜条与储液器之间填充导热垫。另外铜条的安装固定要尤其注意隔热及减振，隔热可以保证TEC的使用效率，减振可以防止TEC在火箭发射的主动段产生损坏。

在蒸发器的底部设计热源板，以确保即使在极端情况下也可以为蒸发器供液。蒸发器安装在热源板上，热源板下部为热源，两侧为TEC。TEC通过铜条固定在铝板热源板上方，其热量可以通过具有良好导热性的铜条制成的热桥传递到储液器。实验过程中，两个TEC串联，通过改变施加在TEC上的电压大小和极性控制TEC的功率和极性。

为了提高环路热管的启动速度、运行效率及温控的控制范围，本发明提出一种TEC耦合环路热管的控温方法。

图1所示本发明中涉及的环路热管的示意图，过冷液体通过过冷液体入口6进入储液器1中，受毛细芯10的毛细力作用，工质穿过毛细芯进入蒸发器内，吸热汽化后的工质进入蒸汽槽道11，最终形成过热蒸汽通过过热蒸汽出口7离开环路热管泵体。

图2为本发明中TEC耦合环路热管安装的示意图，TEC热端与蒸发器共安装面，TEC冷端通过导热铜条连接至储液器。其中TEC正向供电，TEC从储液器吸收热量，对储液器形成制冷效果，并将该吸收的热量传递至TEC热端的安装板。同时TEC自身工作也会产生一定的热耗，该热耗也会传递至热端的安装板。最终TEC的制冷量加上TEC的自身热耗以及热负载的热量会一并被蒸发器内的汽化工质吸收，从而形成环路热管的运行及完成系统的散热任务。

图3为TEC耦合环路热管并逆向供电工作的示意图。该状态下，TEC反向供电，使TEC贴近蒸发器的一端变为冷端，TEC通过导热铜条连接至储液器的一端变为热端。利用TEC的加热功能为储液器控温，在该种模式下，环路热管储液器所受的加热量为TEC自身热耗加上TEC制冷量的总和。相比传统使用加热器控制储液器温度的方式，TEC逆向使用的方法能够节省能源，实现更高效的控温。

图4为环路热管加热器启动示意图。传统环路热管启动，是通过给蒸发器施加热源，蒸发器温度逐步抬升，并与储液器形成一定的温差，从而在蒸发器与储液器之间形成压差，推动环路热管运行。

图5为环路热管TEC启动示意图。利用TEC的制冷功能，将制冷量传递给储液器并使其降温，同样在蒸发器与储液器之间形成一定的温差，进而形成压差推动环路热管运行。

图6为本发明中TEC耦合环路热管的具体控制逻辑图。当环路热管进入TEC控温模式以后，首先读取外部的热源温度和冷板温度。当监测到热源板温度大于控温点上限时，进一步通过冷板的最小温度判断冷板是否有散热能力。当同时满足热源高温及冷板低温的要求，则对TEC正向供电，促使环路热管启动。该TEC控制模式下，若热源温度小于控温点下限，则对TEC实施断电或反向供电；若冷板的最小及最大温度大于参考温度限额，同样对TEC实施断电或反向供电操作。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (5)

1.一种TEC耦合环路热管，其特征在于：包括储液器(1)、蒸发器(2)、第一半导体制冷器(3)、第二半导体制冷器(4)、热源板(8)和铜条(5)；

所述储液器(1)设置于所述蒸发器(2)上表面，所述储液器(1)上设置有过冷液体入口(6)，所述蒸发器(2)上设置有过热蒸汽出口(7)，所述过热蒸汽出口(7)内流出的过热蒸汽流向外部冷板；

所述蒸发器(2)设置于所述热源板(8)上表面；

所述第一半导体制冷器(3)和第二半导体制冷器(4)分别安装在蒸发器(2)两侧，第一半导体制冷器(3)和第二半导体制冷器(4)均有两个连接端：一个连接端安装在紧靠蒸发器(2)一侧的热源板(8)上，另一个连接端通过铜条(5)连接至储液器(1)的顶盖；

所述第一半导体制冷器(3)和第二半导体制冷器(4)串联；

所述热源板(8)底部为外部热源。

2.根据权利要求1所述的一种TEC耦合环路热管，其特征在于：所述铜条(5)与储液器(1)的顶盖之间填充导热垫。

3.根据权利要求1所述的一种TEC耦合环路热管，其特征在于：所述热源板(8)为铝板。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种TEC耦合环路热管实现的TEC耦合环路热管控温方法，其特征在于，包括如下两种控制模式：

控制模式一、第一半导体制冷器和第二半导体制冷器正向供电，即：第一半导体制冷器和第二半导体制冷器的热端安装在紧靠蒸发器一侧的热源板上，冷端通过铜条连接至储液器的顶盖；第一半导体制冷器和第二半导体制冷器从储液器吸收热量，对储液器形成制冷效果，并将该吸收的热量传递至与热端连接的热源板上，同时第一半导体制冷器和第二半导体制冷器自身工作也会产生一定的热耗，该热耗也会传递至与热端连接的热源板上；最终第一半导体制冷器和第二半导体制冷器的制冷量加上第一半导体制冷器和第二半导体制冷器的自身热耗以及外部热源的热量会一并被蒸发器内的汽化工质吸收，从而形成环路热管的运行及完成系统的散热任务；

控制模式二、第一半导体制冷器和第二半导体制冷器反向供电，即：第一半导体制冷器和第二半导体制冷器的冷端安装在紧靠蒸发器一侧的热源板上，热端通过铜条连接至储液器的顶盖；利用第一半导体制冷器和第二半导体制冷器的加热功能为储液器控温，在该种模式下，环路热管储液器所受的加热量为第一半导体制冷器和第二半导体制冷器自身热耗加上第一半导体制冷器和第二半导体制冷器制冷量的总和。

5.根据权利要求4所述的TEC耦合环路热管控温方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、读取外部的热源温度和冷板温度，当热源温度大于控温点上限时，进入步骤二；当热源温度小于等于控温点上限时，进入步骤三；

步骤二、当冷板最小温度小于参考最小温度且冷板最大温度小于参考最大温度时，启动控制模式一，将第一半导体制冷器和第二半导体制冷器正向供电；

步骤三、当热源温度小于控温点下限时，将第一半导体制冷器和第二半导体制冷器断电或者反向供电；当冷板最小温度大于等于参考最小温度且冷板最大温度大于等于参考最大温度时，将第一半导体制冷器和第二半导体制冷器断电或者反向供电。