液氮温区平板蒸发器环路热管实验研究

深低温环路热管是一种高效的深低温两相传热器件,未来可广泛应用于红外探测等空间项目的低温热控系统。为有效减小热管与热负荷间的接触热阻及热管的背向漏热,采用氧化锆作为毛细芯材料,研发了氮工质平板蒸发器环路热管,重点研究了热管的自启动特性、传热性能以及在间歇性热负荷下的运行情况。结果表明:在无辅助情况下,液氮温区平板蒸发器环路热管自启动性能良好,可依靠工质扩散从室温迅速降温至液氮温区。环路热管能够在70~100 K温区稳定运行,热阻随运行温度和热负荷的上升而减小,最大传热功率为15 W,最小热阻为0.8 K/W。在蒸发器间歇性加热的情况下,环路热管可以保持温度稳定,热响应迅速,无需二次降温。液氮温区平板蒸发器环路热管有效满足了空间低温光学系统的热控制系统的热传输需求。      

并联蒸发器环路热管实验研究

采用并联蒸发器环路热管作为传热元件,并联冷却管辐射器作为散热部件,建立了包括热量收集、传递与排散的环路热管(LHP)集成试验系统,并进行了实验研究。实验结果表明:在并联蒸发器LHP系统中,蒸发器按顺序先后启动是其稳定的启动方式;在LHP运行过程中,当LHP工作在可变热导模式下,只有一个液体补偿器中保持汽液两相状态,并控制着LHP的运行温度,另一个液体补偿器则被充满液体,且处于过冷状态;在总热负荷不变的情况下,随着热负荷在蒸发器之间的分配不同,LHP的运行温度改变。当LHP工作在固定热导模式下,LHP的运行温度只与总热负荷有关,而与热负荷的分配情况无关。     

平板型MLHP温度波动研究

环路热管(Loop Heat Pipe,LHP)是一种靠蒸发器的毛细芯产生毛细力驱动回路运行,利用工质相变来传递热量的高效传热装置。研制了一套平板式蒸发器、风冷式冷凝器的小型环路热管(MLHP),MLHP的毛细芯为500目不锈钢丝网,工质为丙酮,蒸发器、冷凝器以及所有管路均由紫铜制成。主要研究了平板型MLHP在不同热负荷条件下的温度波动特性,并重点研究了倾角以及充灌量等对MLHP系统温度波动的影响,且给出相应的合理解释。实验结果表明,平板式MLHP在2~3W/cm2热流密度区间范围内容易发生温度波动。     

空间两相环路热控系统的动力学特性

针对两种典型的两相环路热控系统——毛细力驱动的平板型环路热管和机械泵驱动的两相环路热控系统(硅微条探测器控温系统, TTCS)展开讨论, 分析其工作原理, 介绍地面测试实验系统, 使用SINDA/FLUINT和Maltab/Simulink软件分别建立其动态模型. 研究结果表明, 平板型环路热管和TTCS均存在启动问题; 平板型环路热管运行时可能有较严重的稳定性问题, 而TTCS的稳定性相对较高; 重力对平板型环路热管的性能有较大影响, TTCS受重力的影响不大; 双通道平板型环路热管可以比单通道环路平板型环路热管有更优异的传热性能, 而TTCS的双辐射器结构可以有良好的流量和热量自调节能力. 在选择两相环路热控系统时, 需考虑热源的分布特点、寿命要求、控温要求以及系统尺寸和质量等因素, 这两种两相热控技术未来可交叉借鉴、优势互补.      

加速度场中环路热管温度波动现象分析

基于离心机系统,搭建了双储液器环路热管（DCCLHP）工作特性实验台,实验研究了环路热管在地面重力场和过载加速度场中的运行性能,热载荷范围为25～300 W,过载加速度大小为3g～9g,分析了不同热载荷、加速度方向、大小对环路热管温度波动的影响。结果表明,过载加速度会改变环路热管的启动模式和运行性能,可抑制或激发冷凝器出口温度波动甚至整个环路的波动,但相同热载荷下蒸发器运行温度基本一致。回路中气液两相流动自身固有的不稳定性在过载加速度效应下更易受到激发,加剧回路中流动不稳定,进而加剧蒸发器向储液器漏热的不稳定。冷凝器的冷却作用可以有效削弱冷凝器段的温度波动。      

丙烯环路热管补偿器的可视化实验研究

通过采用石英补偿器和高速摄像机实现了对丙烯环路热管补偿器的可视化实验研究,重点研究了补偿器内工质的状态随充装量和传热量的变化及充装量对环路热管传热性能的影响。研究发现,容积为51.4 mL的环路热管最佳充装量约为19.7 g。充装量小于最佳充装量的各工况下,能观察到对应补偿器内工质液面高度低于引流管,蒸发器和补偿器之间相变换热强烈,引流管外壁面明显有工质的冷凝及流动,且工质冷凝和流动的速度随着传热量的增加而加快;随着充装量增加,环路热管传热热阻减小,280 K工作温度以下的传热量增大。最佳充装量对应的补偿器内液面高度浸没引流管而接近蒸发器核心通道顶端,得到280 K以下最大传热量为40 W,对应的最优传热热阻为2 K/W。充装量大于最佳充装量的工况下,补偿器内液面高度超过蒸发器核心顶端,随着充装量增加,环路热管传热热阻增大,280 K以下的传热量减小。补偿器和蒸发器核心通道内的工质分布能影响蒸发器向补偿器的漏热量,这是充装量影响环路热管性能的重要原因。      

基于热管散热平台的热光伏系统实验研究

针对深空探测同位素电源的发展需求,设计了一套基于热管散热平台的热光伏系统,采用分离型热管实现了热光伏系统的热控要求,并实验验证了热光伏系统的热电转换性能。研究了加热功率、充液量对热管启动特性、壁面温度的影响,分析了辐射器温度、电池温度对系统电输出特性的影响,并对系统的转换效率进行了评估,结果表明：采用热管散热器可有效将半导体电池温度控制于25℃以下,在辐射器温度为1 173℃时,系统热电转换效率达到12.1%。     

热开关热管在月面探测光学设备中的应用

在月面-180~+90℃的极端高低温环境下,月面探测光学设备的月昼远距离散热和月夜保温矛盾异常突出。针对设备热耗的传输、排散,以及月夜生存时的热能存留问题,利用热管工质的汽、液、固相变特性,提出一种无源热开关热管作为设备和散热面间长距离传热手段,即依据设备温度指标选择具有合适凝固点和传热能力的工质,当月昼工作期间通过热管内工质两相传热实现热量的高效收集和传输,到月夜期间冻结热管内全部工质,完全切断热管与散热面间的两相传热,维持设备温度。地面试验和在轨飞行数据表明,热开关热管凝固点附近热导比达30以上。热管工作时,7℃时传热能力大于15W,传热温差小于4℃,且能够适应着陆器±15°的倾斜,确保了嫦娥三号着陆器月基光学望远镜在轨的高性能工作。     

环路热管温度波动现象的实验分析

对实验中观察到的环路热管温度波动现象进行了描述和解释.实验发现,较小热载荷和较大热载荷下环路热管容易出现温度波动现象.对于蒸发器充满液体的启动情况,小热载荷启动容易出现毛细芯内的工质蒸发现象,芯内蒸发继而引起冷凝器入口处的温度波动,并且最终导致可变热导区的稳态工作温度偏高.冷凝器出口处的温度波动现象产生的原因是工质充装量和储液器容积的不匹配,冷凝器出口的温度波动可以通过对工质充装量的控制来避免.     

环路热管地面实验平台的热设计

文章旨在建立环路热管的地面实验平台,模拟环路热管在太空轨道运行的热环境。首先建立了地面实验舱的物理模型,对其如何实现在地面模拟太空中该环路热管的热环境进行了热分析计算,其次确定了满足环路热管轨道运行最冷工况和最热工况下的实验舱的壁面温度,最后对实现该轨道环境所需要的壁面绝热材料、制冷剂、制冷设备进行了选择,初步完成了实验平台的热设计。计算结果表明,在同时考虑舱内对流和辐射换热的条件下,要实现空间热边界条件,实验舱内舱的壁温要保证在-62.1~-10.9℃之间变化。     

双储液器环路热管的设计与实验研究

设计了一套双储液器环路热管以解决其重力场中运行受方位限制的问题,介绍了通过储液器体积和工质充装量的匹配设计避免最难启动情形发生的方法,并进行了相关的实验研究。实验验证了双储液器环路热管重力场中运行不受方位限制的特性,并且发现,在可变热导区的一定的热载荷范围内,双储液器环路热管在不同姿态下稳态运行温度不相同,而其他热载荷区域内却基本一致。文章分别从储液器能量平衡和回流液体过冷量有效利用率的角度进行了分析和解释。     

空间遥感器用环路热管瞬态数值模拟与在轨验证

为满足空间遥感器环路热管（LHP）在轨应用需求，建立了高分九号卫星电荷耦合器件（CCD）用LHP瞬态数值模型。模型采用了节点-网络法和流动与传热关系式耦合的方法，考虑了蒸发器与储液器之间的传热传质过程。通过仿真与在轨数据的对比，发现LHP内部组件温度偏差为0.2~0.4℃，冷凝器测点温度偏差为0.5~2.0℃；预热器通过干度的变化调节了冷凝器外热流和热源工作模式的影响；热源的工作模式对蒸发器向储液器漏热、回路流阻及两相段长度均有影响。所提模型可用于不同轨道外热流及热源工作模式下，研究LHP内部各参数的变化规律，预测LHP系统的瞬态工作特性，并指导后续产品的设计与研发。      

环路热管稳态建模及运行特性分析

建立了环路热管的稳态模型,并基于能量平衡、压力平衡、质量守恒以及几何约束进行求解,证实了许多相关文献介绍的环路热管稳态运行特性,例如,热沉温度、环境温度等对稳态蒸发温度的影响.对下述问题提出见解:蒸发器的漏热的分析;可变热导区和固定热导区的成因;固定热导区热导的变化;工质充装量和储液器容积的确定方法.结果表明,用来加热通过毛细芯的流体的蒸发器漏热分量在热载荷较大时不可忽略;反重力高度和环境对回流液体的加热是可变热导区的成因;大热载荷下,固定热导区热导随热载荷增大而减小,并可能达到临界热载荷,其解决方案在于工质充装量和储液器容积的匹配.      

环路热管内工质流动特性的研究

由于环路热管（LHP）具有高传热性能、远距离传输热量、优良的控温特性和管路的可任意弯曲、安装方便等特点，使LHP在航天热控领域有着广泛的应用前景。文章对LHP内工质的流动压力降进行了分析和计算；对毛细芯所能提供的最大蒸发传热能力进行了预测，并结合实验研究综合分析了毛细芯结构对LHP性能的影响。     

环路热管蒸发器毛细芯传热流动特性的一维分析

文章通过对液体在环路热管蒸发器毛细芯中的两种蒸发状态——表面蒸发状态、汽膜蒸发状态的分析，对液体在环路热管蒸发器毛细芯中的传热流动特性进行了一维数值计算，理论计算表明：在毛细芯正常工作状态下，液体在毛细芯中的蒸发属于表面蒸发，只有在进口液体存在过冷度时，汽膜蒸发才有可能存在。另外，文章还对毛细芯的壁厚、毛细芯的导热系数、进口液体的过冷度等因素对毛细芯传热流动特性的影响进行了讨论。