深冷环路热管传热性能研究

通过实验,从超临界启动特性、传热能力、周期性载荷适应能力等方面,对自行设计的一套小型深冷环路热管进行了研究,并对实验现象进行了描述与分析。结果表明该深冷环路热管能够顺利完成超临界启动过程,且副蒸发器功率越大,主蒸发器降温越迅速;完成启动后主蒸发器具有独立运行能力,主蒸发器独立运行时具有12W×0.5m的传热能力;该深冷环路热管对周期性载荷具有很好的适应能力。     

环路热管在低温真空环境下的控温性能试验研究

针对某航天遥感器CCD器件在轨全寿命周期±2℃的控温要求,文章设计了一种采用陶瓷毛细芯的控温型环路热管。相比常用的金属毛细芯,陶瓷毛细芯具有更广的工质/壳体相容性、更高的开孔孔隙率、更低的导热系数和更小的孔径。上述优点使陶瓷毛细芯环路热管具有更高的运行效率和可靠性。文章通过低温真空试验验证了这种环路热管模拟空间环境下的启动和控温性能。该环路热管在储液器21.4℃、冷凝器–50.7℃的低温大温差条件下成功启动,在恒定驱动功率80W/70W/60W和交变功率30W/60W加载下,蒸发器九个冷板控温精度分别可以达到±0.4℃和±0.5℃。控温型陶瓷毛细芯环路热管可以满足分布式间歇工作多热源系统的精确控温,具有非常广阔的在轨应用前景。文章结论可为控温型环路热管在轨应用提供参考。     

储液器在被动式热交换下环路热管的热性能研究

环路热管是应用于航天器、航空器、舰船等设备的新型换热器件,热性能是评价环路热管的主要性能参数。通过试验和系统级数值模拟研究了当储液器处于自然对流的被动式热交换时,环路热管在不同冷源温度下的温度分布特性和换热性能,说明环路热管总热阻和冷凝器利用率受冷源温度的影响规律。环路热管存在可变热导和固定热导区:在可变热导区,环路热管总热阻随热负荷的增大迅速减小,而升高冷源温度有助于降低总热阻;进入固定热导区后,总热阻则趋于稳定。蒸发器换热系数随着热负荷的增大先增大后减小,但其变化幅度在冷源温度较高时明显减弱。     

相变材料辅助环路热管启动的实验研究

在对蒸发器卜辅助加热和热电制冷器对储液器制冷这两种主动辅助启动措施进行实验研究的基础上,首次提出了一种新的完全被动的辅助启动措施,即采用相变材料控制储液器温度在相变点附近,以便形成启动所需的液体过热度.通过实验验证了相变材料辅助启动的可行性,研究了不同热载荷埘相变材料辅助启动的效果以及该辅助措施对启动后环路热管稳态运行的影响.实验结果表明:相同热载荷下,储液器上外贴相变材料容器后.相变材料的热容明显有利于形成启动时引起蒸气槽道内核态沸腾所需要的蒸发器和储液器间温差,降低了启动时蒸发器的温度升高,减少了启动所需时间.但启动热载荷越小,启动经历的时间将越长,当热载荷小到一定程度,蒸发器和储液器的温度差形成也会存在困难.此时相变材料只能延缓蒸发器温度升高.启动后储液器外的相变材料容器町实现一段时间内的控温.     

平板式小型环路热管的实验研究

设计一套蒸发器尺寸为74 mm(D)×14 mm(H)的平板式小型环路热管(mLHP),工质为甲醇,冷凝方式采用冰水混合物冷却,研究其换热性能。实验表明,该环路热管能够实现重力和无重力辅助启动。倾角为18 °、充灌率为60%时,热负荷从20 W增加到140 W,整个环路热管热阻从2.58 ℃/W减小到 0.44 ℃/W 。无重力辅助启动时,mLHP能够散去130 W的热量而壁面温度低于80 ℃。当热负荷一定, 无重力辅助启动时的蒸发器壁面温度高于重力辅助启动时的壁面温度。在保证系统启动的工质裕量前提下,减少工质充灌量有利于降低蒸发器壁面温度。mLHP运行存在低热负荷区和高热负荷区,在低热负荷区,蒸发器和补偿腔温度随着热负荷的增加降低;在高热负荷区,蒸发器和补偿腔温度随着热负荷的增加升高。     

平板蒸发器环路热管的性能研究

作为一种新型的热控元件,环路热管依靠其可靠性高、传热能力强和等温性好等特性,能够在小温差、长距离的情况下传递大量的热量,因而被广泛地应用于卫星、飞船及电子产品等的热控。特别是具有平板蒸发器的微型环路热管具有很广阔的应用潜能。文章建立了环路热管运行的热力学和动力学模型,在此基础上用C++程序语言设计了相应程序,对某给定环路热管进行了热力特性计算。研究表明,蒸发器内部的压力降在环路总压降中占主导地位。     

不凝气体对航天器两相热控设备性能的影响

不凝气体(NCG)是影响航天器两相热控系统性能和寿命的关键因素之一。文章总结了NCG产生的机理,即材料相容性、物理吸附与脱附,以及空间极端环境下工质的分解;介绍了NCG对航天器传统热管、环路热管和重力驱动两相流体回路热性能的潜在危害,包括工作温度升高、总热导减小、启动困难,甚至引起运行失效;从工程应用角度,提出了NCG问题的抑制措施,如对于环路热管,可加装半导体致冷器,对于两相流体回路,可增大储液器体积或减少工质充装量。     

带环向槽环路热管主芯中流动和传热的数学模型和数值模拟

蒸发器是环路热管中最重要的部件,蒸发器主芯中的流场是设计中关注的焦点。建立了一个轴对称二维数学模型来模拟流体工质在圆柱形蒸发器主芯中的流动、传热和蒸发现象。模型充分考虑了流场和蒸发界面间相互作用对于蒸发界面的位置和孔隙中弯曲液面曲率半径的影响。模拟了瞬态和稳态流场,并研究了热负荷的影响。模拟结果在一定工况下是合理的。     

制冷机与深冷环路热管集成系统传热特性试验研究

基于红外探测器光学敏感元件深低温热控需求,开展了脉冲管制冷机和氮工质深冷环路热管集成系统的传热特性的试验研究。文章针对单脉冲管制冷机和单氮工质深冷环路热管的集成系统(单回路),进行了深冷环路热管超临界启动特性、传热能力、漏热量及隔离机械振动特性的试验研究;针对双脉冲管制冷机和双氮工质深冷环路热管的集成系统(双回路),进行了正常运行模式、无缝切换模式、故障切换模式及共同运行模式的试验研究。试验结果表明,该集成系统可以满足未来红外探测载荷光学敏感元件深低温热传输及排散的需求,并有效隔离制冷机机械振动的影响。     

闭式脉动热管启动性能的实验研究

实验研究了以乙醇为工质的闭式脉动热管在不同工况下的启动性能,分析了充液率、倾斜角、热负荷对脉动热管启动性能的影响。研究发现脉动热管具有两类启动方式:温度飞升式启动和温度渐进式启动。脉动热管启动性能最优的最佳充液率范围在41%～52%之间。相同热负荷下,随着倾斜角在0°～90°范围内逐渐增大,热管启动性能将得到改善。随着热负荷的增大,启动时间缩短但最高启动温度随之升高。     

微小空间薄液膜相变传热的微尺度效应

对微小空间的相变传热和流动的微尺度效应的研究进展进行了阐述，包括下列几个方面：固体表面上薄液膜厚度的微尺度效应；圆形截面毛细管管径的微尺度效应；毛细管的截面形状微尺度效应；壁面纳米级粗糙度的微尺度效应；微型热管(MHP)的微尺度效应和连续性极限、堵塞极限；平板热管(FMHP)的壁面粗糙度微尺度效应和沸腾极限；脉动热管(PHP)管径的微尺度效应；薄液膜的稳定性等。研究分析了上述各方面微尺度效应的机理，归纳推知增加每个薄液膜区域的面积和增加薄液膜区域的数量这两种方法均可提高蒸发器的性能，后一种方法可操作性强，为高效蒸发器性能的提高指明了方向。     

宇航级平板式毛细泵环路热管研制成功

正北京空间机电研究所近日完成了一种新型宇航级平板式毛细泵环路热管的研发,并相继通过了耐热、力学、低温真空等环境试验测试,实现了工程化应用。环路热管是目前最为先进的热控技术之一,其依靠毛细力驱动工质单向循环流动,毛细泵是环路热管最核心部件,提供驱动环路热管内工质循环的毛细力。其中柱状毛细泵为最早、最传统的构型,技术已经较为成熟,在国内外航天热控制领域应用较多。     

一种可主动控制工作温度的低温回路热管

低温回路热管是一种应用前景广阔的航天器热控设备。为了利用低温回路热管实现航天器低温部件的主动控温,进行了低温回路热管传热性能试验,并对试验中发现的低温回路热管控温性能进行了理论分析,进而对现有低温回路热管的结构进行了改进。改进后的低温回路热管能够在全功率范围内保持系统温差（主蒸发器与冷凝器温差）恒定,并能通过调节储液器上的加热功率,实现一定温度范围内的主动温度控制,使低温回路热管具有了毛细泵回路的控温功能。     

回路热管性能的地面实验研究

一倍重力条件下，通过一系列地面实验研究了回路热管的运行机理、温度控制及其传热特性。给出了回路热管温度分布及其随传热功率的变化曲线图。对回路热管的传热过程进行了分析。通过实验数据描述了工作温度随传热功率的变化规律并进行了解释。分析了回路热管热导随传热功率变化的规律。实验结果表明有两个因素影响系统总热导变化——冷凝器有效冷凝面积(积极因素)和过热度(消极因素)。讨论了蒸发器和冷凝器的方位对系统运行、温度控制特性的影响。得出反重力工作对回路热管的工作温度、温度控制性能、系统热导都会产生消极影响的结论。     

高效深低温热收集与热传输技术

以深冷热管、深冷环路热管等为基础的深低温热收集与热传输技术主要用于军用天基红外探测、对地观测及天文卫星中光学仪器的冷却及深低温制冷系统的低温废热排散。本文介绍了国外从深冷热管、深冷环路热管等基本传热元件的研制到系统集成试验、飞行搭载，成功应用于航天器深冷热控的发展情况。还简单介绍了我国在该技术领域的发展现状，提出了面临的技术挑战和任务。     

具有控温阀的环路热管的控温特性研究

对在环路热管中添加控温阀之后的运行性能进行了试验研究，试验表明，添加控温阀后，环路热管控温范围增大，在各个工况变化下运行稳定，可作为环路热管控温的一种新模式。     

高分七号卫星激光测高仪热设计及验证

针对高分七号(GF-7)卫星激光测高仪的热设计任务需求,采用被动热控和基于环路热管的毛细泵驱流体回路技术,解决了光机结构高精度控温以及后光路组件热量收集、传输和排散的难题。在轨飞行数据表明:激光测高仪热控系统为光机系统成像和激光器工作提供了良好的温度条件;基于环路热管的毛细泵驱流体回路,实现了头部电子设备、4台激光器、后光路电子设备等多点热源热量收集、传输以及高精度控温。     

先进太阳能热动力系统单元热管吸热器仿真分析

研究的目的是验证热管吸热器有良好的热性能。通过对先进太阳能热动力系统单元热管吸热器进行数值仿真,建立了相应的数学模型,给出了数值解法,并把仿真结果同NASA计算结果进行了对比。分析结果表明,热管吸热器由于热管良好的导热性和理想的等温性,热管在轴向的温差很小,这就使得热管在不同位置上的容器内的PCM都能同步、均匀的熔化;另外热管吸液芯的正常工作使得热管周向温度分布均匀,从而避免热斑现象;热管吸热器由于热管在轴向和周向上良好的等温性,在阴影期末,各蓄热容器内的PCM能够同时凝固,并最终达到完全凝固,从而避免热松脱现象。因此,热管吸热器提高了系统的效率,能避免热斑和热松脱现象。     

并联冷凝管辐射器实验研究

针对两相流系统并联冷凝管辐射器中各冷凝管流量分配不均匀及汽-液分离问题,首先进行了理论分析;根据理论分析的结果,利用环路热管作为动力源,建立两相流并联冷凝管辐射器实验系统,并进行了实验研究。理论分析和实验结果表明:在并联冷凝管辐射器的各冷凝管上安装的毛细隔离器不仅使各冷凝管的流量分配均匀,而且在一定程度上能够阻止蒸汽进入液体回流管,起到汽-液分离的作用。     

航天技术二次应用范例(十一)

热管 NASA最初研制热管是为了对灵敏的空间电子装置进行温度控制。热管是一种很简单但传热性能极佳的装置。单个的热管就是一根里面装有少量致冷剂的密闭管。在由多根热管组成的热管系统中,每个密闭管都是倾斜的,以便使管内的致冷剂能够在重力作用下流到较低的一端。 热管的下端装有一个蒸发器,上端则是一个冷凝器。当致冷剂流到热管下端时,就会气化,同时吸收热量。接着这些低密度蒸气上升到热管的上端,在此处放