CN202562106U

CN202562106U - 一种单元热管吸热器

Info

Publication number: CN202562106U
Application number: CN2012201474980U
Authority: CN
Inventors: 桂小红; 唐大伟; 邢玉明; 袁修干
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2012-04-09
Filing date: 2012-04-09
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2022-04-09

Abstract

本实用新型涉及一种空间站太阳能热动力发电系统的单元热管吸热器及其制作方法，该热管吸热器包括单元热管(1)、多个PCM容器(2)和热源热交换器(3)，所述单元热管(1)包括吸热段、蓄热段和冷凝段，所述多个PCM容器(2)层叠套装在单元热管(1)蓄热段的外壁上，热源热交换器(3)套装在单元热管(1)冷凝段的外壁上，单元热管(1)和PCM容器(2)、热源热交换器(3)之间的结合面上设置微型槽，微型槽中填加有焊料，各部件通过所述微型槽焊接成一体，所述多个PCM容器(2)之间用陶瓷纤维垫片隔开。本实用新型的热管吸热器不仅能改善温度均匀性，而且能充分有效利用相变材料，这使得吸热器变得质量轻，体积小，效率高。

Description

一种单元热管吸热器

技术领域

本实用新型涉及一种单元热管吸热器，更具体地，涉及一种空间站太阳能热动力发电系统的单元热管吸热器。

技术背景

航天技术是人类开展空间活动，探索、开发和利用外层空间的综合性工程技术，是当今世界高科技群体中最具影响力的科学技术之一，它使人类活动范围从地面扩展到太空，从根本上改变了人们的思维方式、生产方式和生活方式。自第一颗人造卫星上天以来，空间技术不断渗透到人类活动的各个领域，而空间科学的发展则带给世界科学技术发展以崭新的视角。空间站作为空间探索的太空基地和航天员的空间活动平台，必将成为下一阶段的航天发展目标，而电力供应则是维持空间站正常运行和其它航天活动的基础。

目前，航天器普遍采用太阳能光伏电池阵与化学蓄电池组合的供电方式。太阳能光伏电池阵发电系统光电转换效率较低，如硅电池的效率约15％，砷化镓光电池的转换效率虽然达到了18.5％，但成本却是硅电池的近两倍。随着功率的增加，光伏电池阵迎风面积将显著增大，使得发射成本和轨道维护成本大大增加；此外，蓄电池的寿命较短，在空间站运行期间需经常更换，增加了总的运行成本。太阳能热动力发电系统是一种新型空间太阳能/电能转换系统，它首先把太阳能转化为热能，然后通过一种热力循环把热能转换为机械能，带动发电机转化为电能。它的优点是相对质量和迎风面积小、能量转换效率较高，总效率可达20.8％左右。较高的热效率意味着较小的截取阳光面积，也就意味着气动阻力的降低，这可以减少近地轨道长寿命航天器轨道再提升的次数，有利于在较低轨道工作，可以使航天飞机往来飞行时，有较大的装载能力，较低的单位质量发射成本。

图1所示为空间站太阳能热动力发电系统的工作原理，它利用抛物型的聚能器截取太阳能，并将其聚集到吸热器的圆柱形腔内，被吸收转换成热能，其中一部分热能传递给循环工质，另一部分热量则被封装在多个小容器内的PCM(相变材料，Phase Change Material)通过熔化而吸收储存起来。吸热后的循环工质在涡轮内膨胀做功，推动涡轮旋转，带动发电机发电。膨胀做功后的循环工质经过回热器与由压缩机出来的高压工质进行换热，再经过工质冷却系统进一步排热降温，进入压缩机压缩，经过回热器预热，再次进入吸热器，完成一个循环过程。工质冷却系统由工质冷却器、泵和辐射器组成，废热主要通过辐射器释放到宇宙空间。在轨道阴影期，PCM在相变点附近凝固释热，充当热机热源来加热循环工质，使得空间站处于阴影期时仍能连续工作发电。

空间站在轨道运行时，必然经过太阳阴影期。要保证发电系统持续运转、连续供电，必须采用蓄热装置。在太阳能热动力发电系统中，将吸热、蓄热、与工质换热三项功能集合在一起的部件称为吸热器。当航天器处于日照区时，反射器收集太阳能并将太阳能聚集到位于抛物面焦点的吸热器腔口。进入腔体后，其中一部分能量用来加热循环工质，另一部分被蓄热介质吸收储存起来。当航天器进入阴影区后，蓄热介质释放出能量给循环工质，维持其出口温度在循环所要求的最低峰值温度以上，使动力系统在阴影区与日照区一样运行发电。吸热器的质量大约占发电系统总系统质量的1/3，减少吸热器的质量对于减少发电系统的成本有重要的意义。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有空间站太阳能热动力发电系统的吸热器的缺点和不足，提供一种新型的单元热管吸热器，该热管吸热器不仅能改善温度均匀性，而且能充分有效利用相变材料，这使得吸热器变得质量轻，体积小，效率高。

为实现上述目标，提供了一种单元热管吸热器，包括单元热管和多个PCM容器，所述单元热管包括吸热段、蓄热段和冷凝段，其特征在于，所述多个PCM容器层叠套装在单元热管蓄热段的外壁上，单元热管蓄热段的外壁上设置微型槽，微型槽中填加有焊料，所述多个PCM容器和单元热管通过所述微型槽焊接成一体，所述多个PCM容器之间用陶瓷纤维垫片隔开。

进一步地，所述单元热管吸热器还包括热源热交换器，所述热源热交换器套装在单元热管冷凝段的外壁上，在单元热管冷凝段的外壁上也加工有微型槽，在该微型槽中也填加有焊料，所述热源热交换器和单元热管通过所述微型槽焊接成一体。

优选地，所述陶瓷纤维垫片为厚度为0.51mm的碳化硅陶瓷纤维垫片。

进一步地，所述PCM容器的壳体包括内环、外环、底盖、顶盖，这些部件之间通过电子束焊接在一起。

优选地，所述PCM为摩尔百分比为80.5∶19.5的LiF和CaF₂组成的80.5LiF-19.5CaF₂氟盐。

优选地，所述单元热管的工质为钠。

同现有技术相比，本实用新型的单元热管吸热器具有以下显著的优点：(1)该热管吸热器不仅能改善温度均匀性，而且能充分有效利用相变材料，这使得吸热器变得质量轻，体积小，效率高；(2)这种单个密封PCM容器的结构形式制造加工较容易且有相当高的可靠性，个体PCM容器的破坏不会影响到别的PCM容器，对吸热器性能产生的影响很小，PCM容器的小尺寸结构也减少了由于PCM凝固形成空穴致使PCM容器壁空穴处形成高的应力集中而造成的破坏。

附图说明

图1为空间站太阳能热动力发电系统示意图。

图2为本实用新型的单元热管吸热器的示意图。

图3为本实用新型的单元热管吸热器中热管的横截面示意图。

图4为本实用新型的单元热管吸热器中PCM容器的横截面示意图。

图5为PCM容器壳体焊缝接头示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型，应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图2所示，本实用新型的单元热管吸热器，包括单元热管1和多个PCM容器2，所述单元热管1包括吸热段、蓄热段和冷凝段，所述多个PCM容器2层叠套装在单元热管1蓄热段的外壁上，单元热管1蓄热段的外壁上设置微型槽，微型槽中填加有焊料，所述多个PCM容器2和单元热管1通过所述微型槽焊接成一体，所述多个PCM容器2之间用陶瓷纤维垫片隔开。

按照如下的方法制作单元热管吸热器：

一.PCM容器的制造与封装

1.PCM容器的制造工艺

PCM容器的横截面如图4所示，首先对容器材料在真空下进行固溶处理，一方面有利于机械冷加工，另一方面固溶处理后的合金强度较低而塑性很高，可减少焊接热裂纹的敏感性。然后按零件图将内环、外环及顶盖、底盖4个零件加工好。一个完整的PCM容器的制造过程包括：开口容器的制备、PCM的熔敷和充装、容器的焊接封装及容器的检漏或焊缝检查。

PCM容器各零件的加工要点如下：

(1)按零件图加工各零件；(2)将加工好的零件加热蒸洗(可用三氯乙烯)，目的是除掉切削过程中残留在零件表面的油渍；(3)蒸洗后的零件放入氢气炉中在1038℃下热处理，以减少零件表面的氧化物，热处理后的零件表面形成一层蓝黑色的薄层，这一薄层经元素分析发现存在一些合金成份中没有的元素，必须进一步进行表面处理；(4)对零件表面喷砂处理，然后抛光，直至成为纯净的合金表面；(5)抛光后的零件超声波扰动清洗，然后在真空加热炉中烘干；(6)从真空炉中取出零件后再用细砂纸抛光处理，然后用丙酮擦拭干净备用；(7)将内、外环与底盖用真空电子束焊接成为开口容器；(8)PCM在液态下充装到开口容器内直至合适的质量，同时作除气处理；(9)容器的封装与焊缝检验。

2.PCM的制备与充装工艺

PCM采用氟盐80.5LiF-19.5CaF₂(摩尔百分比)，其熔点为1040K。以下为充装工艺要点：(1)PCM的制备，将氟盐80.5LiF-19.5CaF₂放入真空加热炉中加热至熔点温度1040K以上，使其完全熔化除去其中夹杂的气体和水分，然后关掉电炉使其凝结为固态，再将其粉碎为直径小于0.5mm的颗粒以便于充装。(2)PCM的充装，称取一定质量(设计充装量)80.5LiF-19.5CaF₂颗粒装入加工好的开口容器内，放入真空加热炉加热熔化，再次除水气后关掉电炉让PCM在炉内缓慢冷却凝固。

3.真空电子束焊接工艺

(1)高温合金焊接特性，高温合金焊接时遇到的对焊接质量影响最大的冶金缺陷是焊接接头热裂纹。热裂纹敏感性作为评价高温合金焊接性能的主要判据。热裂纹主要为焊缝金属凝固裂纹和液化裂纹及热影响区沿晶裂纹，在高温使用过程中，可能形成再热裂纹或应变时效裂纹。高温合金的化学成份、组织结构、冶金质量、焊件的拘束度(含接头形式)、热处理状态、焊接工艺参数等因素都对焊接热裂纹的形成有较大的影响。合金中存在冶金缺陷和冶金工艺不当，对其焊接质量有影响。一般采用真空冶炼的合金能避免焊接过程中形成低熔点的共晶偏聚于晶界，热裂纹敏感性较小。另外，合金的晶粒度和组织对焊接热裂纹敏感性也具有影响，晶粒度细小的合金敏感性较小。

焊接工艺技术要点：1)焊前彻底清除待焊接区域表面氧化物及其它污物，特别注意微量Cu污染会引起焊缝金属形成热裂纹。2)采用较低的焊接线能量工艺参数焊接。(2)器件工序安排，完成器件的焊接工艺，其工序除了焊接工艺外，还包括焊前准备和焊后处理。工序技术要点如下：焊前热处理→接头形式确定及机械加工→工装夹具的设计和机械加工→待焊零件表面处理→底盖定位焊→底盖与内环的焊接→底盖内环焊缝质量无损检测→底盖与外环焊接→底盖外环焊缝无损检测→PCM的充装→开口容器和残余熔敷物的清理→顶盖定位焊→顶盖内环焊接→顶盖外环焊接→焊后清理和加工。(3)焊前热处理，高温合金的焊前状态对焊接热裂纹敏感性有较大影响，固溶状态高温合金的热裂纹敏感性较小，冷轧状态最大。固溶处理后合金为软态，其强度相对低些而塑性较高，焊接应力和拘束度较小，故这种状态下焊接热裂纹敏感性小。为防止焊接热纹产生，需对零件采取真空条件下固溶处理，固溶温度：相变点附近；固溶时间：20min；真空度：2×10^-3Pa；冷却速度：≤30℃/min。(4)焊接接头设计，如图5所示，内环接头为带台阶的嵌入配合接头，配合面公差0.3mm，这种接头为常见的电子束焊接接头形式。(5)开口容器的焊接，1)内环圆焊缝的定位焊，采用电子束三点定位，定位焊点长10mm左右。2)内环圆焊缝的焊接，在工装的夹持作用下，零件以垂直方向为轴旋转完成圆焊缝的焊接。焊接工艺参数：加速电压60KV，束流11mA，聚焦电流595mA，焊接速度18mm/s，工作真空度2×10^-4torr。工装起装配夹持和防止变形的作用。3)底盖与外环环焊缝的焊接，零件以水平方向为轴旋转完成环焊缝焊接。焊接工艺参数：加速电压60kV，束流13mA，聚焦电流618mA，焊接速度18mm/s，工作真空度2×10^-4torr。4)焊缝质量检测，焊后对每一条焊缝先进行目测检验焊缝外观成形，然后在显微镜下观察其表面微裂纹。对在显微镜下发现微裂纹的个别焊缝施行钨极氩弧焊填GH188材料重熔修复。(6)容器的封装：1)熔敷后表面清理，由于LiF良好的浸润性，需对熔敷后开口容器进行清理，主要是清理待焊接区域，对此采用机械加工和手工打磨处理。2)上端盖的封装焊接与检验，清洁后的开口容器与顶盖首先需要定位焊，采用展开真空电子束焊对外环进行定位。定位后同底盖焊接时的电子束工艺参数完成顶盖与内、外环的焊接。焊缝质量的初检同上。(7)容器检漏工艺，容器的检漏可用显微镜观察、着色检查法及显微X光照相3种检测手段配合进行。焊接过程中，每焊完一道通焊缝及时用显微镜观察检验是否有微裂纹，如有重新进行电子束焊。对封装完成的PCM容器进行着色法检查，发现有缺陷应打磨后施行钨极氩弧焊填GH188重熔修复。全部焊完后再用显微X光照相检验焊缝形貌如穿透深度等。油渗着色检查法是检查合金钢焊缝表面微小缺陷最有效的方法，它主要是使用颜料加油作渗透剂，以能吸附油质而挥发性较强的火棉胶、丙酮等作为显色剂，其灵敏度很高，肉眼看不见的晶界显微裂纹都可以检查出来，并且使用方便。表1所示为油渗着色配方表。

其操作方法为，首先清理待检查表面至发出金属光泽程度，用毛刷涂上渗透剂，2～3min后，用干净布认真仔细地将渗透剂擦干净，涂显色剂，只待片刻，显色剂即干燥。如有缺陷，即可在白色底上显出红色条纹或斑点。检查完后，用丙酮彻底清洗检查表面。

表1油渗着色的配方表

二.单元热管的制造

完整的单元热管制造过程应包括：热管壳体的制造加工、钠工质的封装。热管的制造工序包括：(1)热管壳体的加工，根据设计要求的热管直径、壁厚和长度，选用合适的GH188无缝管和两端封头作为热管壳体的零件，对于轴向槽道吸热芯热管则还需在无缝管上加工规定尺寸和数目的轴向槽道，如图2所示，其中，1-1为壳体，1-2为热管的轴向槽道吸热芯，1-3为蒸汽腔。(2)零件的清洗，为了保证热管的正常运行，在组装前对所有零件都进行严格的清洗。清洗在专门的不锈钢清洗槽中进行，洗液有三氯乙烯，酒精，过氧化氢和氢氧化钠的混合液，盐酸，硝酸和蒸馏水等。按一定的顺序进行清洗，最后在无尘土和油脂的环境中干燥，然后密封保存。(3)组装，将无缝管与封头进行焊接，其中一段的封头上接有一根外径8mm的经过退火处理的镍管，用以灌注钠和最后封装。所有焊接均采用氩弧焊。焊接是焊缝部分内外侧均需用氩气保护，以防止氧化。对所有焊缝进行真空检漏，漏气率不大于10^-8L/s。(4)除气，组装后整个部件在1000℃下的真空除气炉中进行真空除气，以排除金属中含有的气体。在整个除气过程中真空度应不低于5×10^-6mmHg。(5)钠的蒸馏与灌注，为了提高热管的性能和寿命，对工质钠进行蒸馏提纯，以便除去氧化钠和其他杂质，使纯度比较高的钠在热管中能顺利地运行。灌钠前热管部件接到灌注系统进行预抽真空，真空度为10^-6mmHg的数量级，然后充以少量氩气，关闭高真空阀，使系统保持静真空。加热贮钠罐中已蒸馏净化的固体钠，钠完全熔化后利用压力差把液体钠灌入热管中。待热管中的钠冷却成固体后再把热管抽真空到10^-6mmHg，然后在高真空下封闭。(6)烘烤，热管制作完毕后，在高温下进行长时间烘烤。目的是使常温下为固体的金属钠能很好的渗透到毛细结构中去，使毛细结构充分润湿，否则热管很难启动。烘烤在真空除气炉中进行。烘烤温度为800℃，烘烤时间为20小时。

三.单元热管吸热器的组装

PCM容器的内壁和热管外壁需经过精确加工，并在热管1外壁加工出微型槽填加铜合金焊料，将24个小容器2层叠套装于热管1上，放置在真空炉内熔化焊为一体。相邻容器2之间不能焊接在一起，而是用厚度为1mm的碳化硅陶瓷纤维垫片隔开，由于陶纤垫片的导热系数较低，减少了容器间的导热影响，改善了容器壁的应力状态。PCM容器的充分间隔化是吸热储热器的关键技术，这种单个密封容器的结构形式制造加工较容易且有相当高的可靠性，个体容器的破坏不会影响到别的容器，对吸热器性能产生的影响很小。容器的小尺寸结构也减少了由于PCM凝固形成空穴致使容器壁空穴处形成高的应力集中而造成的破坏。

单元热管吸热器的组装工序包括：(1)焊接表面加工，在焊接之前，PCM容器2的内壁、热源热交换器3内壁和热管1外壁需经过精确加工，并在热管外壁加工出微型槽，并填加铜合金焊料。(2)PCM容器套装，将多个PCM容器2层叠套装于热管1蓄热段上，相邻容器2之间用厚度为0.51mm的碳化硅陶瓷纤维垫片隔开，并在热管外壁的微型槽中填加铜合金焊料。(3)热源热交换器套装，将热源热交换器3套装于热管冷凝段上，在热管外壁的微型槽中填加铜合金焊料。(4)真空钎焊，将套装了PCM容器2及热源热交换器3并填加焊料的单元热管1放入真空炉内熔化焊为一体。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种单元热管吸热器，其特征在于，所述单元热管吸热器包括单元热管(1)和多个PCM容器(2)，所述单元热管(1)包括吸热段、蓄热段和冷凝段，所述多个PCM容器(2)层叠套装在单元热管(1)蓄热段的外壁上，单元热管(1)蓄热段的外壁上设置微型槽，微型槽中填加有焊料，所述多个PCM容器(2)和单元热管(1)通过所述微型槽焊接成一体，所述多个PCM容器(2)之间用陶瓷纤维垫片隔开。

2.根据权利要求1所述的单元热管吸热器，其特征在于，所述单元热管吸热器还包括热源热交换器(3)，所述热源热交换器(3)套装在单元热管(1)冷凝段的外壁上，在单元热管(1)冷凝段的外壁上也加工有微型槽，在该微型槽中也填加有焊料，所述热源热交换器(3)和单元热管(1)通过所述微型槽焊接成一体。

3.根据权利要求1所述的单元热管吸热器，其特征在于，所述陶瓷纤维垫片为厚度为0.51mm的碳化硅陶瓷纤维垫片。

4.根据权利要求1所述的单元热管吸热器，其特征在于，所述PCM容器(2)的壳体包括内环、外环、底盖、顶盖，这些部件之间通过电子束焊接在一起。

5.根据权利要求1所述的单元热管吸热器，其特征在于，所述PCM为摩尔百分比为80.5∶19.5的LiF和CaF₂组成的80.5LiF-19.5CaF₂氟盐。

6.根据权利要求1所述的单元热管吸热器，其特征在于，所述单元热管(1)的工质为钠。