自适应控温冷板的设计与性能分析.pdf

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1、12中国空间科学技术2015年12月一g垫i望竺曼呈墨旦a堡鱼!ienceandTechnology第6期。2。222222222222225===============三-．===一一一；：；：：：自适应控温冷板的设计与性能分析张红生1李运泽1王胜男1宁献文2(1北京航空航天大学，北京100191)(2北京空间飞行器总体设计部，北京100094)摘要为改善航天器热控系统的控温可靠性，基于石蜡感温相变体积发生变化的特性，构建了自适应控温冷板，并给出了自适应控温冷板内的石蜡和复位弹簧的设计模型。在

2、此基础上，为了开展自适应控温冷板的性能分析研究，建立了采用自适应控温冷板的航天器单相流体回路热控系统，并基于集总参数法构建该单相流体回路热控系统的热网络模型。结果表明，所设计的自适应控温冷板在不同的热栽荷条件下具备可靠的自适应控温能力，合理选择石蜡参数和优化结构设计可改善控温性能，自适应控温冷板在地面电子设备及空间热载荷的控温领域有较好的应用前景。关键词自适应控温；热控制；感温石蜡；冷板；航天器D01：10．3780／j．issn．1000—758X．2015．06．0021引言借助冷板散热器对发

3、热电子设备进行散热的单相流体热控回路是航天器热控常用技术手段[1。3]。回路中的控温设备(如控制器、驱动器、电磁调节阀等)在能够实现精准控温的同时也存在能量消耗大、电气故障风险高等问题。石蜡相变材料在设备控温上的应用主要体现在四个方面：①在被控对象四周或局部填充石蜡，利用石蜡的相变潜热，将设备温度控制在石蜡熔点附近。该方法在热功率变化不大的场合有较多应用。1。由于石蜡导热系数低，需要加入导热增强介质以改善其传热性能，诸如翅片一泡沫铜复合结构[5]。石蜡控温能力与其填充质量密切相关，若被控温对象发热

4、功率较大，无疑将增加系统的质量。②将石蜡相变材料通过微胶囊制备技术密封在富有弹性的聚合物内，构成微米级别相变颗粒，将相变材料微胶囊与单相传热流体工质混合形成“潜热型功能冷却工质”，该工质具有储热与强化传热功能。但该相变微粒胶囊的制备技术相对复杂，且对所需驱动泵的要求较高[6]。③利用石蜡的感温相变体积变化性能，将石蜡制作成一种导热通路的通断开关，实现电子发热设备的温度控制。石蜡热开关已应用于较多航天器‘7。。④利用石蜡的感温相变而体积变化的特性制作石蜡控温阀，调节石蜡控温阀的进口冷热两股流体的流量

5、，实现出El流体温度控制。目前，石蜡控温阀在地面诸多领域睁虻已有较多应用，而其在航天器的热控领域研究及应用还相对较少。本文采用感温石蜡与冷板相结合的方法，构建了自适应控温冷板(Self—adaptionTemperatureControlColdPlate，STCCP)，介绍了自适应控温冷板的工作原理并建立了设计计算模型，给出了采用该控温冷板的单相流体回路热网络模型，在此基础上开展了自适应控温冷板的控温研究。国家自然科学基金(50506003)资助项Et收稿日期：2015-0414。收修改稿日期：

6、2015-08—182015年12月中国空间科学技术2自适应控温冷板2．1工作原理自适应控温冷板结构及冷板内阀的动作状态如图1所示，冷板选用传热良导体铜来制作，弹簧一感温石蜡作为冷板的控温调节核心部件，用于调节进入冷板流体的流量。感温蜡被密封在感温包中，并通过感温包感知冷板的温度变化，感温石蜡体积随之发生变化：冷板温度升高时，感温石蜡温度随之升高，到达熔点后，温度不变而发生相变，形成固一液两相共存状态；石蜡体积膨胀，该体积变化通过弹性密封橡胶转换为推杆的直线运动；推杆克服弹簧的阻力，增大调节阀开度

7、，从而增大流经冷板的工质流量；冷板与工质换热量增多，冷板温度降低；冷板温度降低时，感温石蜡放热，发生收缩，感温石蜡体积减小，在弹簧复位压力作用下，推杆缩回，减小冷板的进水阀开度K，，流经冷板的工质流量减小，工质与冷板换热量减小，冷板温度回升；当系统达到稳定状态时，冷板温度不再变化，石蜡包内石蜡的温度不变，体积不变，调节阀开度不变，实现自适应控温。(b)内阀(c)IJ、J闷Idlill阀仞始状态同液行存状态熔化状态^图l自适应控温冷板结构Fig．1StructureofSTCCP该自适应控温冷板无需

8、借助温度传感器和电磁控制器、驱动器等常规控温设备，依靠石蜡感温特性来控制冷却流体工质的流量即可实现热源电子设备的温度控制。2．2设计建模自适应控温冷板的设计建模主要研究自适应控温冷板石蜡包内石蜡的体积计算模型。冷板的设计与校核计算可根据传热学：¨：进行，弹簧设计可以根据机械设计手册Ⅲ：进行。(1)自适应控温冷板控温石蜡初始体积感温石蜡是自适应控温冷板的核心部分，对于感温石蜡来说，它有固态、固液共存、液态三个状态，控温石蜡的特性曲线近似为直线。丁。为石蜡初始熔化温度。瓦、为石蜡全部融