[发明专利]一种单元热管吸热器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单元热管吸热器及其制作方法，更具体地，涉及一种空间站太阳能热动力发电系统的单元热管吸热器及其制作方法。

技术背景

航天技术是人类开展空间活动，探索、开发和利用外层空间的综合性工程技术，是当今世界高科技群体中最具影响力的科学技术之一，它使人类活动范围从地面扩展到太空，从根本上改变了人们的思维方式、生产方式和生活方式。自第一颗人造卫星上天以来，空间技术不断渗透到人类活动的各个领域，而空间科学的发展则带给世界科学技术发展以崭新的视角。空间站作为空间探索的太空基地和航天员的空间活动平台，必将成为下一阶段的航天发展目标，而电力供应则是维持空间站正常运行和其它航天活动的基础。

目前，航天器普遍采用太阳能光伏电池阵与化学蓄电池组合的供电方式。太阳能光伏电池阵发电系统光电转换效率较低，如硅电池的效率约15％，砷化镓光电池的转换效率虽然达到了18.5％，但成本却是硅电池的近两倍。随着功率的增加，光伏电池阵迎风面积将显著增大，使得发射成本和轨道维护成本大大增加；此外，蓄电池的寿命较短，在空间站运行期间需经常更换，增加了总的运行成本。太阳能热动力发电系统是一种新型空间太阳能/电能转换系统，它首先把太阳能转化为热能，然后通过一种热力循环把热能转换为机械能，带动发电机转化为电能。它的优点是相对质量和迎风面积小、能量转换效率较高，总效率可达20.8％左右。较高的热效率意味着较小的截取阳光面积，也就意味着气动阻力的降低，这可以减少近地轨道长寿命航天器轨道再提升的次数，有利于在较低轨道工作，可以使航天飞机往来飞行时，有较大的装载能力，较低的单位质量发射成本。

图1所示为空间站太阳能热动力发电系统的工作原理，它利用抛物型的聚能器截取太阳能，并将其聚集到吸热器的圆柱形腔内，被吸收转换成热能，其中一部分热能传递给循环工质，另一部分热量则被封装在多个小容器内的PCM(相变材料，Phase Change Material)通过熔化而吸收储存起来。吸热后的循环工质在涡轮内膨胀做功，推动涡轮旋转，带动发电机发电。膨胀做功后的循环工质经过回热器与由压缩机出来的高压工质进行换热，再经过工质冷却系统进一步排热降温，进入压缩机压缩，经过回热器预热，再次进入吸热器，完成一个循环过程。工质冷却系统由工质冷却器、泵和辐射器组成，废热主要通过辐射器释放到宇宙空间。在轨道阴影期，PCM在相变点附近凝固释热，充当热机热源来加热循环工质，使得空间站处于阴影期时仍能连续工作发电。

空间站在轨道运行时，必然经过太阳阴影期。要保证发电系统持续运转、连续供电，必须采用蓄热装置。在太阳能热动力发电系统中，将吸热、蓄热、与工质换热三项功能集合在一起的部件称为吸热器。当航天器处于日照区时，反射器收集太阳能并将太阳能聚集到位于抛物面焦点的吸热器腔口。进入腔体后，其中一部分能量用来加热循环工质，另一部分被蓄热介质吸收储存起来。当航天器进入阴影区后，蓄热介质释放出能量给循环工质，维持其出口温度在循环所要求的最低峰值温度以上，使动力系统在阴影区与日照区一样运行发电。吸热器的质量大约占发电系统总系统质量的1/3，减少吸热器的质量对于减少发电系统的成本有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有空间站太阳能热动力发电系统的吸热器的缺点和不足，提供一种新型的单元热管吸热器及其制作方法，该热管吸热器不仅能改善温度均匀性，而且能充分有效利用相变材料，这使得吸热器变得质量轻，体积小，效率高。

为实现上述目标，根据本发明的一方面，提供了一种单元热管吸热器的制作方法，所述单元热管吸热器包括单元热管和多个层叠套装并焊接在单元热管外壁上的PCM容器，所述单元热管包括吸热段、蓄热段和冷凝段，其特征在于，所述单元热管吸热器按照如下步骤制作：

1)加工制造单元热管；

2)加工制造PCM容器；

3)加工焊接表面：单元热管蓄热段的外壁和PCM容器的内壁之间形成焊接表面，在焊接之前，精确加工单元热管的外壁和PCM容器的内壁，并在单元热管蓄热段的外壁上加工出微型槽；

4)PCM容器套装：将所述多个PCM容器层叠套装于单元热管蓄热段的外壁上，相邻PCM容器之间用陶瓷纤维垫片隔开，并在单元热管蓄热段外壁上的微型槽中填加焊料；由于陶纤垫片的导热系数较低，减少了PCM容器间的导热影响，改善了PCM容器壁的应力状态；

5)真空钎焊：将套装了PCM容器并填加焊料的单元热管放入真空炉内熔化焊为一体。