[发明专利]一种环路热管储液器容积与工质量匹配设计方法

说明书

本发明公开了一种环路热管储液器容积与工质量匹配设计方法。本发明通过分析环路热管在低温启动工况、高温耐温工况、高温工作工况以及低温工作工况下，工质在环路热管各部件的气液分布，以及约束条件，进而根据上述约束，建立方程组进行联立求解，获取储液器容积的范围，选择合适的储液器容积，并根据储液器的容积计算工质的充装量。采用本发明方法可以有效的解决储液器容积与工质量设计不合理导致环路热管低温启动失效、高温管体破裂以及运行不稳定等问题，本发明设计的环路热管已进行了在轨飞行验证。

技术领域

本发明涉及航天器热控制技术领域，具体涉及一种环路热管储液器容积与工质量匹配设计方法。

背景技术

环路热管依靠工质的气液相变实现热量的传递，与航天器广泛应用的轴向槽道热管相比，具有热传输距离远、管路布置灵活、反重力工作能力强以及热二极管等特性，用于将仪器设备(热源)的热耗传输至散热面(热沉)排散，实现仪器设备温度的控制，尤其适用于小安装空间、大热耗的热量传输。环路热管的组成如图1所示，由蒸发器(包括蒸发器壳体1、毛细芯2)、蒸气管路3、冷凝管路4、液体管路5以及储液器6等组成。毛细芯2安装至蒸发器壳体1中形成蒸发器，蒸发器通过蒸气管路2与冷凝管路4连接在一起，储液器6通过液体管路5与冷凝管路4连接在一起，蒸发器与储液器6连接在一起，形成闭式回路，蒸发器与发热设备耦合，冷凝管路5与冷源耦合。环路热管工作时，工质在毛细芯2内吸收设备的热量相变，由液体变为气态，沿蒸气管路3流入冷凝管路4内冷凝，由气态冷凝为液态将热量通过冷源释放掉，液体沿液体管路5重新流回蒸发器及储液器6内，形成循环回路。

环路热管的设计过程包括蒸发器(包括蒸发器壳体1、毛细芯2)、蒸汽管路3、冷凝管路4、液体管路5、储液器6以及工质量的设计。其中蒸发器(包括蒸发器壳体1、毛细芯2)的直径、长度根据传热量、传热温差及发热设备机械接口确定；冷凝管路4根据散热量、传热温差及冷源机械接口确定；蒸汽管路3、液体管路5根据航天器的构型布局确定走向；蒸汽管路3、冷凝管路4、液体管路5的管路内径根据环路热管需要传递的最大热量所引起的流动阻力进行确定，通常毛细力与流动阻力的比值不小于1.5。而储液器6容积的设计需要与工质量进行匹配设计。当储液器6容积确定后，根据蒸发器的直径及发热设备的构型布局，确定储液器6直径，从而确定储液器6的长度。

环路热管储液器与工质量匹配设计不合理将导致环路热管难以正常稳定工作。如果工质充装量过大，将导致环路热管在正常工作时冷凝管路打开长度小，环路热管有效散热面积小，工作温度升高，进而导致被散热的设备温度升高，此外工质充装过高还将导致环路热管耐高温能力降低，可能引起环路热管在高温环境下因液体膨胀导致环路热管破裂；如果工质充装量过小，将导致环路热管在低温环境下启动过程中储液器内液体不足而导致无法启动失效。因此环路热管的工质量与充装量的匹配设计要综合考虑高温工况、低温工况等气液分布的差异。

目前关于环路热管的充装量计算的基准为环路热管的总容积，按照充装量占总容积的比例(如40％、60％等)确定，并研究不同充装比例对环路热管传热性能的影响，且不同的环路热管，最优的充装量占环路热管总容积的比例不同，没有一个固化的计算准则，且按照环路热管总容积比例确定充装量，不能反映环路热管工作过程中的气液分布。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种环路热管储液器容积与工质量匹配设计方法，通过分析环路热管在低温启动工况、高温耐温工况、高温工作工况以及低温工作工况下，工质在环路热管各部件的气液分布，以及约束条件，进而根据上述约束，建立方程组进行联立求解，获取储液器容积的范围，选择合适的储液器容积，并根据储液器的容积计算工质的充装量。采用本发明方法设计的环路热管已进行了在轨飞行验证，飞行状态良好。