高效航天器熱管理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種高效航天器熱管理系統(tǒng)，包括熱量收集模塊(1)、高效散熱模塊(2)以及換熱器(5)，所述熱量收集模塊(1)和高效散熱模塊(2)通過(guò)換熱器(5)耦合連接。本實(shí)用新型通過(guò)熱量收集模塊實(shí)現(xiàn)熱量的收集、儲(chǔ)存、運(yùn)輸，以及應(yīng)用混合工質(zhì)的高效散熱模塊，較大幅度的提高了輻射器的輻射溫度，并提高了輻射器的散熱效率，減小所需輻射器的面積，從而解決了大型航天器及衛(wèi)星航天器散熱面積不足的問(wèn)題，具有體積小、重量輕、制造成本低廉、耗能少的特點(diǎn)，適用于散熱面積嚴(yán)重不足的航天器。
【專利說(shuō)明】高效航天器熱管理系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及航天器熱控制【技術(shù)領(lǐng)域】的熱管理系統(tǒng)，具體是一種高效航天器熱管理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航天器在大型化和微型化方向的迅速發(fā)展，其耗電功率愈來(lái)愈大，導(dǎo)致其熱耗也隨之增大。航天器的本體散熱面已經(jīng)無(wú)法滿足散熱需求。據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，現(xiàn)有的空間發(fā)展計(jì)劃，選擇用同位素動(dòng)力(其供電功率在IOkW以上)、太陽(yáng)能動(dòng)力(其供電功率在IOOkW以上)和核能熱動(dòng)力(其供電功率在IOOkW以上)等大型供電系統(tǒng)，為大型航天器提供能源，它們主要擬定應(yīng)用于IR監(jiān)測(cè)航天器、空間雷達(dá)站、空間化學(xué)激光平臺(tái)和空間武器平臺(tái)，它們的耗電功率大都是在IOkW?IOOkW范圍。自由號(hào)空間站其耗電功率更大，擬議中的第一期工程耗電功率為100kw，第二期工程耗電功率為300kW。
[0003]由于輻射器排熱量與溫度呈四次方的函數(shù)遞增關(guān)系，如圖3所示，因此，熱泵強(qiáng)化散熱效果非常顯著，尤其對(duì)熱耗集中的航天器。
[0004]在固定壓力下，純工質(zhì)只在某一特定溫區(qū)存在較大等溫節(jié)流效應(yīng)。低沸點(diǎn)工質(zhì)在低溫區(qū)有較大等溫節(jié)流效應(yīng)，高沸點(diǎn)工質(zhì)在高溫區(qū)有較大等溫節(jié)流效應(yīng)，中沸點(diǎn)工質(zhì)在中溫區(qū)有較大等溫節(jié)流效應(yīng)。傳統(tǒng)航天器熱泵應(yīng)用工質(zhì)為純工質(zhì)。純工質(zhì)由于本身熱物性的限制，無(wú)法大幅度的提高輻射器的輻射溫度。傳統(tǒng)航天器熱泵使輻射器的升溫幅度一般在40°C?60°C之間。而應(yīng)用混合工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)，通過(guò)回?zé)崞鲗?shí)現(xiàn)自行復(fù)疊，可大幅提高輻射器的輻射溫度，從而有效的提高輻射器的輻射散熱效率。應(yīng)用混合工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)可使輻射器的升溫幅度超過(guò)150°C。
[0005]航天器由于軌道及能源等的限制，許多大熱耗載荷為周期性工作，導(dǎo)致載荷的溫度波動(dòng)大。而大的溫度波動(dòng)往往影響載荷的運(yùn)行性能及運(yùn)行壽命。相變材料由于具有比較大的相變潛熱，可以減小大熱耗周期性工作載荷的溫度波動(dòng)。但是，相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)都比較小，無(wú)法滿足快速熱響應(yīng)需求。
[0006]微型熱管為氣液兩相相變換熱器件，具有結(jié)構(gòu)小巧和在較小的溫度梯度內(nèi)可以進(jìn)行較大熱量傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。在集熱板內(nèi)的部分槽道內(nèi)充裝低沸點(diǎn)工質(zhì)可形成微型熱管，彌補(bǔ)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)低的問(wèn)題。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供了一種高效航天器熱管理系統(tǒng)。
[0008]本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0009]一種高效航天器熱管理系統(tǒng)，包括熱量收集模塊1、高效散熱模塊2以及換熱器5，所述熱量收集模塊I和高效散熱模塊2通過(guò)換熱器5耦合連接，其中:
[0010]-熱量收集模塊1，包括機(jī)械泵3、熱量收集器4以及第一環(huán)路管道6，所述第一環(huán)路管道6依次通過(guò)機(jī)械泵3、熱量收集器4和換熱器5，再回到機(jī)械泵3，從而形成第一環(huán)路；
[0011]-高效散熱模塊2，包括壓縮機(jī)7、輻射器8、回?zé)崞?、節(jié)流裝置10以及第二環(huán)路管道11，所述第二環(huán)路管道11通過(guò)壓縮機(jī)7、輻射器8、回?zé)崞?、節(jié)流裝置10和換熱器5，再依次回到回?zé)崞?和壓縮機(jī)7，從而形成第二環(huán)路。如圖1所示。
[0012]優(yōu)選地，所述熱量收集器4包括集熱板41、相變材料42和高沸點(diǎn)工質(zhì)43，其中，所述集熱板41 一體化成型，其上設(shè)有多條垂直交叉的槽道，所述相變材料42和高沸點(diǎn)工質(zhì)43交叉充裝在所述槽道內(nèi)。如圖2(a)、(b)、(c)所示。
[0013]優(yōu)選地，所述回?zé)崞?和換熱器5均為間壁緊湊式換熱器。
[0014]優(yōu)選地，所述壁緊湊式換熱器為套管式換熱器或板式換熱器。
[0015]優(yōu)選地，所述第一環(huán)路管道6內(nèi)填充有高沸點(diǎn)工質(zhì)，所述第二環(huán)路管道內(nèi)部填充有第一工質(zhì)，所述第一工質(zhì)為混合工質(zhì)。
[0016]優(yōu)選地，所述混合工質(zhì)包括兩種或兩種以上具有不同沸點(diǎn)的純工質(zhì)。
[0017]本實(shí)用新型的工作過(guò)程為:
[0018]載荷或單機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量通過(guò)導(dǎo)熱的方式將熱量傳遞給熱量收集器4。其中，填充在槽道內(nèi)的低沸點(diǎn)工質(zhì)形成微型熱管，部分熱量通過(guò)微型熱管及相變材料42儲(chǔ)存在熱量收集器4內(nèi)，部分熱量通過(guò)導(dǎo)熱的方式傳遞到第一環(huán)路管道6內(nèi)的高沸點(diǎn)工質(zhì)中；利用機(jī)械泵3將被加熱的高沸點(diǎn)工質(zhì)通過(guò)第一環(huán)路管道6輸送進(jìn)換熱器5 ;高沸點(diǎn)工質(zhì)在換熱器5內(nèi)被第二環(huán)路管道11輸送的混合工質(zhì)冷卻后通過(guò)第一環(huán)路管道6返回機(jī)械泵。由高沸點(diǎn)工質(zhì)、低沸點(diǎn)工質(zhì)和中沸點(diǎn)工質(zhì)組成的氣態(tài)混合工質(zhì)通過(guò)壓縮機(jī)7加壓后變?yōu)楦邷馗邏旱倪^(guò)熱混合工質(zhì)；通過(guò)第二環(huán)路管道11進(jìn)入輻射器8 ;冷凝散熱后混合工質(zhì)通過(guò)第二環(huán)路管道11進(jìn)入回?zé)崞? ;在回?zé)崞?中，高溫高壓的混合工質(zhì)被低溫低壓的混合工質(zhì)冷卻到過(guò)冷態(tài)；過(guò)冷態(tài)的混合工質(zhì)在節(jié)流裝置10中進(jìn)行J-T節(jié)流，變?yōu)榈蜏氐蛪旱幕旌瞎べ|(zhì)進(jìn)入換熱器5 ;低溫低壓的混合工質(zhì)在換熱器5內(nèi)利用蒸發(fā)相變對(duì)熱量收集系統(tǒng)I內(nèi)的高沸點(diǎn)工質(zhì)進(jìn)行吸熱；吸熱后的混合工質(zhì)通過(guò)第二環(huán)路管道11進(jìn)入回?zé)崞?與高溫高壓的混合工質(zhì)換熱后以氣態(tài)進(jìn)入壓縮機(jī)7，完成循環(huán)。
[0019]本實(shí)用新型的工作原理為:
[0020]利用熱量收集系統(tǒng)I的流體回路實(shí)現(xiàn)熱量的收集；利用熱量收集器4內(nèi)的相變材料和微型熱管實(shí)現(xiàn)熱量?jī)?chǔ)存，并減小載荷周期性工作時(shí)產(chǎn)生的溫度波動(dòng)；利用混合工質(zhì)在比較寬的溫度區(qū)內(nèi)都存在比較大的等溫節(jié)流效應(yīng)，大幅度提高輻射器8的輻射溫度，提高輻射器的散熱效率；
[0021]一體化成型的熱量收集器4中空腔內(nèi)通過(guò)交叉充裝高沸點(diǎn)工質(zhì)和相變材料，利用微型熱管的高導(dǎo)熱系數(shù)和相變材料的大相變潛熱對(duì)單機(jī)或載荷工作時(shí)產(chǎn)生的大熱量進(jìn)行快速響應(yīng)收集；
[0022]為了提高輻射器8的輻射溫度，提高輻射器的散熱效率，所述的高效散熱系統(tǒng)2利用混合工質(zhì)在高溫區(qū)和低溫區(qū)都具有比較大的等溫節(jié)流效應(yīng)，在保證單機(jī)或載荷的工作溫度環(huán)境的前提下，將輻射器的輻射散熱溫度大幅提高，有效的提高了輻射器的輻射散熱效率。
[0023]本實(shí)用新型提供的高效航天器熱管理系統(tǒng)，通過(guò)熱量收集模塊實(shí)現(xiàn)熱量的收集、儲(chǔ)存、運(yùn)輸，以及應(yīng)用混合工質(zhì)的高效散熱模塊，較大幅度的提高了輻射器的輻射溫度，并提高了輻射器的散熱效率，減小所需輻射器的面積，從而解決了大型航天器及衛(wèi)星航天器散熱面積不足的問(wèn)題，具有體積小、重量輕、制造成本低廉、耗能少的特點(diǎn)，適用于散熱面積嚴(yán)重不足的航天器。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本實(shí)用新型的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0025]圖1為本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為熱量收集器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，(a)為外觀示意圖，(b)為A-A剖面圖，(c)為B-B剖面圖；
[0027]圖3為輻射器溫度與散熱量關(guān)系圖；
[0028]圖中:1為熱量收集模塊，2為高效散熱模塊，3為機(jī)械泵，4為熱量收集器，5為換熱器，6為第一環(huán)路管道，7為壓縮機(jī)，8為輻射器，9為回?zé)崞鳎?0為節(jié)流裝置，11為第二環(huán)路管道，41為集熱板，42為相變材料，43為高沸點(diǎn)工質(zhì)。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明:本實(shí)施例在以本實(shí)用新型技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
[0030]請(qǐng)同時(shí)參閱圖1和圖2(a)、(b)、(C)。
[0031 ] 本實(shí)施例提供了 一種高效航天器熱管理系統(tǒng)，包括熱量收集模塊1、高效散熱模塊2以及換熱器5，所述熱量收集模塊I和高效散熱模塊2通過(guò)換熱器5耦合連接，其中:
[0032]-熱量收集模塊1，包括機(jī)械泵3、熱量收集器4以及第一環(huán)路管道6，所述第一環(huán)路管道6依次通過(guò)機(jī)械泵3、熱量收集器4和換熱器5，再回到機(jī)械泵3，從而形成第一環(huán)路；
[0033]-高效散熱模塊2，包括壓縮機(jī)7、輻射器8、回?zé)崞?、節(jié)流裝置10以及第二環(huán)路管道11，所述第二環(huán)路管道11通過(guò)壓縮機(jī)7、輻射器8、回?zé)崞?、節(jié)流裝置10和換熱器5，再依次回到回?zé)崞?和壓縮機(jī)7，從而形成第二環(huán)路。
[0034]進(jìn)一步地，所述熱量收集器4包括集熱板41、相變材料42和高沸點(diǎn)工質(zhì)43，其中，所述集熱板41 一體化成型，其上設(shè)有多條垂直交叉的槽道，所述相變材料42和高沸點(diǎn)工質(zhì)43交叉充裝在所述槽道內(nèi)。
[0035]進(jìn)一步地，所述回?zé)崞?和換熱器5均為間壁緊湊式換熱器。
[0036]進(jìn)一步地，所述壁緊湊式換熱器為套管式換熱器或板式換熱器。
[0037]進(jìn)一步地，所述第一環(huán)路管道6內(nèi)填充有高沸點(diǎn)工質(zhì)，所述第二環(huán)路管道內(nèi)部填充有混合工質(zhì)。
[0038]進(jìn)一步地,所述混合工質(zhì)包括兩種或兩種以上具有不同沸點(diǎn)的純工質(zhì)。
[0039]本實(shí)施例的工作過(guò)程為:
[0040]載荷或單機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量通過(guò)導(dǎo)熱的方式將熱量傳遞給熱量收集器4。其中，填充在槽道內(nèi)的低沸點(diǎn)工質(zhì)形成微型熱管，部分熱量通過(guò)微型熱管及相變材料42儲(chǔ)存在熱量收集器4內(nèi)，部分熱量通過(guò)導(dǎo)熱的方式傳遞到第一環(huán)路管道6內(nèi)的高沸點(diǎn)工質(zhì)中；利用機(jī)械泵3將被加熱的高沸點(diǎn)工質(zhì)通過(guò)第一環(huán)路管道6輸送進(jìn)換熱器5 ;高沸點(diǎn)工質(zhì)在換熱器5內(nèi)被第二環(huán)路管道11輸送的混合工質(zhì)冷卻后通過(guò)第一環(huán)路管道6返回機(jī)械泵。由高沸點(diǎn)工質(zhì)、低沸點(diǎn)工質(zhì)和中沸點(diǎn)工質(zhì)組成的氣態(tài)混合工質(zhì)通過(guò)壓縮機(jī)7加壓后變?yōu)楦邷馗邏旱倪^(guò)熱混合工質(zhì)；通過(guò)第二環(huán)路管道11進(jìn)入輻射器8 ;冷凝散熱后混合工質(zhì)通過(guò)第二環(huán)路管道11進(jìn)入回?zé)崞? ;在回?zé)崞?中，高溫高壓的混合工質(zhì)被低溫低壓的混合工質(zhì)冷卻到過(guò)冷態(tài)；過(guò)冷態(tài)的混合工質(zhì)在節(jié)流裝置10中進(jìn)行J-T節(jié)流，變?yōu)榈蜏氐蛪旱幕旌瞎べ|(zhì)進(jìn)入換熱器5 ;低溫低壓的混合工質(zhì)在換熱器5內(nèi)利用蒸發(fā)相變對(duì)熱量收集系統(tǒng)I內(nèi)的高沸點(diǎn)工質(zhì)進(jìn)行吸熱；吸熱后的混合工質(zhì)通過(guò)第二環(huán)路管道11進(jìn)入回?zé)崞?與高溫高壓的混合工質(zhì)換熱后以氣態(tài)進(jìn)入壓縮機(jī)7，完成循環(huán)。
[0041]本實(shí)施例的工作原理為:
[0042]利用熱量收集系統(tǒng)I的流體回路實(shí)現(xiàn)熱量的收集；利用熱量收集器4內(nèi)的相變材料和微型熱管實(shí)現(xiàn)熱量?jī)?chǔ)存，并減小載荷周期性工作時(shí)產(chǎn)生的溫度波動(dòng)；利用混合工質(zhì)在比較寬的溫度區(qū)內(nèi)都存在比較大的等溫節(jié)流效應(yīng)，大幅度提高輻射器8的輻射溫度，提高輻射器的散熱效率；
[0043]一體化成型的熱量收集器4中空腔內(nèi)通過(guò)交叉充裝高沸點(diǎn)工質(zhì)和相變材料，利用微型熱管的高導(dǎo)熱系數(shù)和相變材料的大相變潛熱對(duì)單機(jī)或載荷工作時(shí)產(chǎn)生的大熱量進(jìn)行快速響應(yīng)收集；
[0044]為了提高輻射器8的輻射溫度，提高輻射器的散熱效率，所述的高效散熱系統(tǒng)2利用混合工質(zhì)在高溫區(qū)和低溫區(qū)都具有比較大的等溫節(jié)流效應(yīng)，在保證單機(jī)或載荷的工作溫度環(huán)境的前提下，將輻射器的輻射散熱溫度大幅提高，有效的提高了輻射器的輻射散熱效率。
[0045]具體為，
[0046]載荷或單機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量通過(guò)導(dǎo)熱的方式將熱量傳遞給熱量收集器4。其中，部分熱量通過(guò)微型熱管及相變材料42儲(chǔ)存在熱量收集器4內(nèi)，部分熱量通過(guò)導(dǎo)熱的方式傳遞到第一環(huán)路管道6內(nèi)的高沸點(diǎn)工質(zhì)中；利用機(jī)械泵3將被加熱的高沸點(diǎn)工質(zhì)通過(guò)第一環(huán)路管道6輸送進(jìn)換熱器5 ;高沸點(diǎn)工質(zhì)在換熱器5內(nèi)被第二環(huán)路管道11輸送的混合工質(zhì)冷卻后通過(guò)第一環(huán)路管道6返回機(jī)械泵。由高沸點(diǎn)工質(zhì)、低沸點(diǎn)工質(zhì)和中沸點(diǎn)工質(zhì)組成的氣態(tài)混合工質(zhì)通過(guò)壓縮機(jī)7加壓后變?yōu)楦邷馗邏旱倪^(guò)熱混合工質(zhì)；通過(guò)第二環(huán)路管道11進(jìn)入輻射器8 ;冷凝散熱后混合工質(zhì)通過(guò)第二環(huán)路管道11進(jìn)入回?zé)崞? ;在回?zé)崞?中，高溫高壓的混合工質(zhì)被低溫低壓的混合工質(zhì)冷卻到過(guò)冷態(tài)；過(guò)冷態(tài)的混合工質(zhì)在節(jié)流裝置10中進(jìn)行J-T節(jié)流，變?yōu)榈蜏氐蛪旱幕旌瞎べ|(zhì)進(jìn)入換熱器5 ;低溫低壓的混合工質(zhì)在換熱器5內(nèi)利用蒸發(fā)相變對(duì)熱量收集系統(tǒng)I內(nèi)的高沸點(diǎn)工質(zhì)進(jìn)行吸熱；吸熱后的混合工質(zhì)通過(guò)第二環(huán)路管道11進(jìn)入回?zé)崞?與高溫高壓的混合工質(zhì)換熱后以氣態(tài)進(jìn)入壓縮機(jī)7，完成循環(huán)。
[0047]以上對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本實(shí)用新型并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種高效航天器熱管理系統(tǒng)，其特征在于，包括熱量收集模塊(I)、高效散熱模塊(2)以及換熱器(5)，所述熱量收集模塊(I)和高效散熱模塊(2)通過(guò)換熱器(5)耦合連接，其中: -熱量收集模塊(I)，包括機(jī)械泵(3)、熱量收集器(4)以及第一環(huán)路管道(6)，所述第一環(huán)路管道(6)依次通過(guò)機(jī)械泵(3)、熱量收集器(4)和換熱器(5)，再回到機(jī)械泵(3)，從而形成第一環(huán)路； -高效散熱模塊(2)，包括壓縮機(jī)(7)、輻射器(8)、回?zé)崞?9)、節(jié)流裝置(10)以及第二環(huán)路管道(11)，所述第二環(huán)路管道(11)通過(guò)壓縮機(jī)(7)、輻射器(8)、回?zé)崞?9)、節(jié)流裝置(10)和換熱器(5)，再依次回到回?zé)崞?9)和壓縮機(jī)(7)，從而形成第二環(huán)路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效航天器熱管理系統(tǒng)，其特征在于，所述熱量收集器(4)包括集熱板(41)、相變材料(42)和高沸點(diǎn)工質(zhì)(43)，其中，所述集熱板(41) 一體化成型，其上設(shè)有多條垂直交叉的槽道，所述相變材料(42)和高沸點(diǎn)工質(zhì)(43)交叉充裝在所述槽道內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效航天器熱管理系統(tǒng)，其特征在于，所述回?zé)崞?9)和換熱器(5)均為間壁緊湊式換熱器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高效航天器熱管理系統(tǒng)，其特征在于，所述間壁緊湊式換熱器為套管式換熱器或板式換熱器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效航天器熱管理系統(tǒng)，其特征在于，所述第一環(huán)路管道(6)內(nèi)填充有高沸點(diǎn)工質(zhì)，所述第二環(huán)路管道(11)內(nèi)部填充有第一工質(zhì)，所述第一工質(zhì)為混合工質(zhì)，所述混合工質(zhì)包括兩種或兩種以上具有不同沸點(diǎn)的純工質(zhì)。
【文檔編號(hào)】B64G1/50GK203512059SQ201320491270
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月12日
【發(fā)明者】陳福勝, 江世臣, 徐云東, 謝龍, 翟載騰, 徐濤 申請(qǐng)人:上海衛(wèi)星工程研究所