• 为了对储液器与主回路间液体交换进行监 控,在储液器与回路的连接管上布置了3个温 度测点,参考系统结构图。因为在系统运行 过程中,储液器的温度始终要高于泵的入口 温度,当3个温度测点温度下降时,说明有液 体从主回路返回储液器,当3个温度测点的温 度接近于储液器时,说明有液体流出储液器; 当3个温度测点的温度基本一致时,说明补液 管内流体基本不动。
机械泵驱动两相冷却系统
制冷及低温工程
赵东 Y20120158
• 在应用于空间冷却的诸多技术中,两相循环 冷却技术应用了饱和工质吸热气化温度不 变的特性已经被证明是最适合航天器在太 空轨道运行时的热控技术之一。 •目前,两相冷却系统在空间项目的研究和 应用中主要以毛细力驱动的热管的形式为 主。
• 为了克服传统热管在驱动 力、散热能力和传热距离 上的限制,逐渐出现了以 下几种热管
系统结构图
机械泵驱动两相冷却系统的工作原理 • 机械泵驱动两相冷却系统是一种以机械泵 为驱动力的封闭式相变传热设备。 • 循环工质在蒸发段收集了热量以后，再通 过机械泵将其循环至冷凝器，并通过辐射 板将热量散出。
使用过程中注意的问题
• 为了避免机械泵气蚀，泵的入口应该保持 比蒸发温度低5℃的冷度液体。从泵出来的 工质如果直接流入蒸发段吸热，则散热段 的温差至少要大于5℃，因为过冷液体首先 要以显热的方式散热然后再进入到饱和态。 这样两相冷却的恒温冷却的优势就难以发 挥，特别是对热控要求较高的空间探测装 置。因此要在蒸发段的入口前用预热器将 液体加热到饱和状态。
• 航天探测发热元件具有发量大、热流密度 较高和温度控制要求更苛刻的趋势，这使 得主动式热控系统管路越来越长，结构更 加复杂，传统的毛细泵驱动环路CPL/LHP 系统在驱动能力和控温精度方面都很难实 现这样的散热任务，而多支路并行蒸发回 路系统设计一直是CPL/LHP难以解决的问 题，实验表明CPL/LHP在启动方面条件求 苛刻，当边界温度变化较大的条件下会出 现失稳现象。
• 对于一个封闭系统,如果忽略管路的压降,则 绝对压力应该处处相等,而在相变过程中压 力和蒸发温度是相对应的。在散热过程中, 蒸发段和储液器均为两相状态,因此可以通 过安装在上面储液罐的加热器和半导体制 冷片来对罐内的工质进行温度调节,从而实 现蒸发段回路的蒸发温度控制。此外储液 器内的工质还可以补充系统在长期运行过 程中的泄漏。
CPL原理结构图
LHP原理结构图
• 在系统的启动方面,CPL系 统正常工作之前要先保证 毛细芯浸润,所以需要对 储液器加热将工质传送到 蒸发器毛细芯的预热过程；
• LHP可以不通过预热阶段而直 接用在热源散热上,但是在启动 初期,系统性能很不稳定,特别是 在系统充注的工质较多或者热 负荷较小的情况下,启动需要很 长时间,温度也会出现大幅度震 荡。
•泵驱动系统则不需 要预热过程而直接 启动,通过控制电机 的输入电压,逐步达 到工作的稳定点。
组成
• • • • • 机械泵 蒸发器 冷凝器 储液罐热交换器 连接管道等几大部分
表 1
名称ห้องสมุดไป่ตู้型号
蒸发器 直通式铜管 冷凝器 双支路并行方式结构
换热器 套管逆流换热器
机械泵 直流齿轮泵，流量范围为0~11g/s连续可调 储液器 容积0.99L
热管的分类
• • • • • 分离式热管； 脉动式热管； 吸附式热管； 毛细泵热管(Capillary Pump Loop, CPL) 环路热管(Loop Heat Pipe, LHP)等。
•其中CPL和LHP的出现被认为是两相流冷 却技术新的突破,在飞行器中的应用也最为 广泛,二者在原理上相同,只是在具体的结构 上存在一些差别；
• • • • 难启动； 启动时间长； 毛细力有限； 启动条件比较苛刻等
机械泵为驱动力两相冷却系统
• 以机械泵为驱 动力两相冷却 系统是近年热 控技术方面的 研究热点
由于驱动力的提高， 机械泵驱动两相流冷 却系统的压力流量对 应关系稳定，驱动力 大，可控性强，也使 得在处理并行支路的 结构设计问题方面发 挥了优势。
热交换器
• 热交换器的作用是将蒸发器出口的两相流 体和从泵来的过冷液体进行耦合换热，使 得进入蒸发器的液体接近于饱和点，这在 太空应用中比较紧张的能源预算下是行之 有效的。
结构图介绍
• 其主要部件与系统结构图的工作原理图基本一致,具体尺 寸可以参考表1。其中冷凝器分为WAK和RAM两块,放置 在1m×1m×1m的微小气候箱中,以模拟在太空中冷凝器 的边界温度。在实际空间应用过程中,两块冷凝器将被安 装在方向相反的辐射板上,以确保至少有一块是朝向温度 比较低的太空。而其他主要部件放置于3m×2· 6m×2m的 恒温气候箱内,并选用聚乙烯高发泡体PEF材料进行保温, 气候箱的控温精度均为±0· 5K。为了模拟发热源,沿蒸发 器回路贴有发热电阻,发热量为0~300W连续可调。为了对 系统的温度和压力进行监控,在各个主要部件都布置了测 量精度为±0· 2℃的T型热电耦和测量精度为±0· 1℃的 Pt1000,在泵的前后和蒸发器的进出口处布置了差压传感 器,储液器安装了绝对压力传感器。
• 因为LHP/CPL将蒸发段和冷凝段分开,通过液体连 接管和气体连接管相连接,所以航空航天的应用中 有着很大的优势,例如哥伦比亚号飞船,NASA的 GLAS激光装置、哈勃望远镜以及卫星系统和其 他探测装置中都有它的成功应用。然而未来空间 热控发展趋势是要面对紧凑式、长距离、多点复 杂的热源结构和高热流密度发热器件的挑战,由于 工作原理和自身结构的限制LHP/CPL在某些方面 已经很难完成未来的空间冷却任务。
• 航天设备启动所产生的过热温度将超过设 备所能承受的温度。未来热控发展趋势是 要面对紧凑式、长距离和高热流密度发热 器件的挑战,无论毛细芯的形式和结构如何, 提供的毛细力都是有限的,特别是处理大阻 力回路或多个发热点并行散热的复杂支路 结构方面的冷却任务时显得几乎无能为力。
毛细力驱动热管存在的问题
总结
• 机械泵驱动两相流冷却系统是一种新型航 天主动式热控冷却系统，由于驱动力的提 高，其突出优势是多支路并行蒸发器同时 散热的设计结构，该特点主要针对于航天 冷却长距离、分布式热源的发展趋势，更 有利于冷却系统与发热部件的系统集成。
谢谢大家欣赏 制冷及低温工程 赵东 20130402