晨怡热管  哈尔滨晨怡热管技术有限公司  晨怡热管技术研究所

晨怡热管 http://nx8.net/news/4/ 2006-10-1 23:28:30

日期:2005-4-28 22:59:44 来源:原创 查看:[大 中 小] 作者：未知 热度：

摘要  概述了毛细抽吸两相回路技术(CPL)在航天器上的应用，并对其控温原理进行了扼要介绍。通过讨论储液器对CPL进行控温的3种不同方案，比较了其优缺点。通过比较认为，当CPL的应用方式不同时，储液器的温度调控方式亦应不同，其中，半导体制冷与加热片相结合的控温方式是未来最具发展前途的一种调控方式。

 

 

关键词  温度控制，航天飞行器，毛细抽吸。

The Temperature Control Scheme of Reservoir in Capillary Pumped Loop

 

 Zhang Jiaxun  Hou Zengqi

 (Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing, 100086)

 

Abstract  The general application of the capillary pumped loop(CPL) in spacecraft is presented, and the operation mechanism of CPL is briefly introduced . Also, three different kinds of temperature control schemes by the reservoir are discussed, and their characteristics are accounted. As a result, it is concluded that, the choice of temperature control scheme of the reservoir should be consistent with the application of the CPL,and  when the application of the CPL is different, the temperature is also different.However, the combination of heater and thermoelectricity cooling using semiconductor is highly recommended.

 

Key Words  Temperature control,Spacecraft,Capillary pumped loop

 

1  前  言

 

毛细抽吸两相回路（CPL）是一种高传热、高可靠性调控方便的传热装置，故自20世纪80年代起各国对其进行了大量的研究。与此同时，俄罗斯等开展了对回路热管（LHP）的研究，并取得了很大成果。与CPL相比，二者在原理上相同，只是在具体的结构上存在一些差别，都属于热管技术，因此国际上一般将LHP和CPL都看作热管的一种变例。目前美国的火星探测器与HUBBLE望远镜即部分采用了CPL技术进行有效热控，并取得了极好的效果^［1～4］。 

 

2        CPL技术简介 

 

2.1  工作原理

 

图1为CPL原理简图，其热源为一组相互并联的蒸发器，冷源为冷凝器，热源与冷源之间由蒸芑蛞禾辶芟嗔樱送猓珻PL的另外一个主要设备为储液器（Reservoir）。作为其它辅助设备，CPL系统通常还设有隔离器、过冷器和气体捕集器。

图1 CPL系统原理简图

 

 

CPL回路的工作原理为：蒸发器从外界吸收热量，使内部的工质气化，产生的蒸气经蒸气联管进入冷凝器，并在冷凝器内凝结成液体，放出热量。凝结后的液体经液体联管重新回到蒸发器内，并以此种形式在回路内往复循环不止，这样，回路内的工质便以相变传热的形式不断地将热量自蒸发器传向冷凝器。其循环的动力来自蒸发器内毛细结构所产生的毛细抽吸力。 

 

2.2  控温原理

 

储液器采用加热和冷却储液器的方法控制CPL系统内的压力(即CPL工作温度)，其控温原理为：在CPL模型中，当CPL系统内的工作温度偏低时，储液器内的加热装置便加热储液器，使其内部饱和压力升高，在压差作用下将其中部分液体压入系统回路，并进入冷凝器，阻塞部分冷却面积，使蒸气不断积聚，工作温度升高到设定值。反之，则可冷却储液器，降低其中饱和压力，使冷凝器内的部分液体倒灌回储液器，增加冷却面积，达到降低工作温度的要求^［1～2］。

 

此外，当CPL在航天器上应用时，如果不对CPL的控温提出要求，仅把CPL作为热管的一种变例进行应用时，为保持CPL的正常运行，只需保证CPL储液器的温度低于蒸发器的温度即可（也即CPL运行温度）。

 

2.3  CPL技术的应用方式

 

CPL技术目前在航天器上主要有两种应用方式^［5］。

 

a) 用于空间设备的散热，此时CPL所起的作用与传统热管的作用相同，但由于CPL布列方便、结构灵活，基本上不受空间的限制。因此可以简化总体布局，为总体设计带来了极大的便利。

 

b) 用于空间设备的主动热控制，即给大型专用设备或微重力实验装置等提供良好热控。对这些空间设备来说，其典型的热负荷达几百瓦，传输距离有几米，并对温度波动有严格的限定范围（约在±0.1～±1 ℃范围内），且要求在某些工况下，能对系统设点温度进行主动调控。由于CPL具有良好的控温特性，因此可以利用CPL实现对这些有特殊要求的设备提供主动热控制^［6］。

 

3  储液器的温度调控

 

CPL在空间飞行器上应用时，因为加热控温的方式在航天器上应用较为成熟，所以通过加热储液器来提高CPL的工作温度可以方便可靠地实现；相对而言，由于CPL要求调控的准确性和制冷技术应用的复杂性，通过制冷技术来降低储液器的温度就要复杂困难得多。温度调控方式有以下3种。

 

3.1  储液器的正常运行维持

 

当CPL技术应用于空间仪器设备的散热时，储液器的温度调控一般采用这种温度调控方式。此时，一般将储液器置于温度水平较低的位置，用以维持储液器内的温度水平较之于蒸发器最少低5 ℃左右，以保证CPL系统的正常运行。目前，所研制的航天器中，CPL技术已用于为内部仪器设备散热，储液器一般采用这种方式来进行温度调控。

 

3.2  随航天器姿态的主动温度调控

 

当CPL技术应用于空间仪器设备的主动热控制时，为精确地维持内部仪器设备的温度，必须对CPL的储液器主动进行温度调控。考虑到航天器在轨运行时，处于不同的轨道其本身温度水平不同，利用此特点，可对某些设备上所应用的CPL进行主动控制。

 

如航天器上的某些设备，当星体处于日照区的时候，这些设备一般不进行工作，需要维持较高的温度水平，此时星体由于受日照的影响，某些面温度水平较高（储液器放置面），因此，可将CPL维持在较高的温度水平；反之，当星体处于阴影区的时候，设备开始工作，内部有大量热耗需要向外空间排散，由于此时星体处于阴影区，储液器放置面的温度变低，从而使CPL运行在较低的温度水平，以使设备向外散热。

 

通过这种方法，可以简单巧妙地利用轨道的变化实现高精度热控，安全可靠，是值得推荐的方法。但由于受轨道及总体布局的限制，这种方法应用较为有限，故应考虑采用其它主动降温的方法。

 

3.3  半导体制冷与加热片相结合进行调控

 

图2为采用半导体制冷与加热片相结合对储液器进行调控的方案。图中CPL的蒸发器换热组件与航天器内其它舱段的回路相耦合进行主动控温调控换热，另外一个蒸发器对星体所要求的设备进行主动控温，半导体制冷片和加热片都贴于储液上，二者互不接触。通过控制二者的通断来调控CPL运行温度的高低。由于半导体制冷片在运行中，其散热面要放出一定热量，在此，用热管将其产生的热量排出。

图2  半导体制冷与加热片相结合的调控方案

 

这种调控方式有一定的缺点:a) 它对航天器上的能源有需求，对于采用蓄电池供电的卫星而言，因星上能源宝贵，其应用难度较大；对于有太阳翼的卫星，其应用效果可通过综合评价确定。b) 由于一般需要将半导体制冷片的热量由热管引出，增加了系统的复杂性，不利于安全性设计。c) 由于半导体制冷片及加热器的通断需电接口状态，不利于航天器的可靠性设计。

 

但这种调控方式的优点也是相当明显的，它可以根据实际情况对CPL回路进行方便地调节；另外，其控制精度较高，可达±0.5 ℃。随着航天器技术的不断成熟，安全性及可靠性将大大提高，此外，星上能源问题也将不是限制热设计的“瓶颈”。因此，采用半导体制冷与加热片相结合的控温方式将是未来CPL调控的一种主要形式。

 

4  结  论

 

CPL技术在航天器热控中应用广泛，通过控制储液器的温度可以方便地对CPL系统的运行温度进行调控。而储液器温度的调控方式，可以根据CPL技术应用方式的不同而采取不同的方案，即当CPL应用于空间设备的散热时，须使储液器的温度低于蒸发器温度；而当CPL应用于空间设备的主动精确控温时，可以利用随航天器的轨道姿态变化而引起的某些部位的温度变化，来对储液器进行温度调控；另外，可以利用半导体制冷和加热片相结合的方式对储液器进行温度调控，这种方式因其控制精度高、便于实施，是未来CPL进行调控的一种主要形式。 

 

参  考  文  献

 

1  张加迅, 曲伟,侯增祺等.毛细抽吸两相环路

的研究.航天器工程, 1998(1).

2  Ku J,Kroliczek E J.Capillary pumped loop technology development.6th

International Heat Pipe Conference,1987.

3  Hou Zengqi, Sun Chenghui, Zhang Jiaxun. Test study on unsteady operati

on of capillary pumped loop. 10th Int. Heat Pipe Conference, Stuttgart, 1997.

4 Wulz H,Embacher E. Capillary pumped loop for space applications experi

mental and theoretical studies on the performance of capillary evaporator design

s.AIAA901739.

5  张加迅, 侯增祺.CPL技术在空间飞行器上的应用.北京：工程热物理学报, 2001,

22(3).

6  闵桂荣,郭舜.航天器热控制（第二版）.科学出版社,1998.

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