一種星載復合散熱系統及其控制方法與流程

技術領域：

本發明涉及一種星載復合散熱系統及其控制方法，適用于衛星上高熱流密度設備散熱，屬于航天環控領域。

背景技術：
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傳統的星載高發熱設備一般采用單相或兩相流體(熱管)循環通過輻射散熱器向太空散熱，但隨著電子設備高頻化、集成化、高功率的飛速發展，電子設備的發熱功率呈幾何倍數增大，傳統的自然傳熱方式要求的輻射散熱器面積越來越大，但當太陽輻射較強時仍然難以滿足散熱需求，給電子設備的安全可靠運行帶來隱患。基于此，星載蒸氣壓縮循環逐漸成為一種可行的技術選項。但是如果太陽輻射較弱或設備散熱較小時仍然運行在蒸氣壓縮循環，會帶來耗電量過大的問題。如果采用蒸氣壓縮循環和自然傳熱設備兩套系統散熱又會帶來重量大、系統復雜、衛星載荷不足的問題，各自的優缺點如表1所示。

表1已有散熱系統優缺點對比

在地面暖通空調領域，1985年日本大金工業株式會社提出了將重力熱管與蒸氣壓縮循環結合的機房空調器(參見：孫麗穎,馬最良.冷劑自然循環空調機的特性與應用.哈爾濱商業大學學報2004,20:929-732)，在普通蒸氣壓縮循環基礎上，通過增設壓縮機旁通支路和節流裝置旁通支路，形成重力熱管循環。當室外空氣溫度較低時，機組運行于重力熱管循環，節約了壓縮機功耗；當室外空氣溫度較高時，機組運行于蒸氣壓縮制冷循環。該技術方案不僅可以節省制冷運行能耗，而且具有節材、節地、節省初投資和維護費用的優勢。但是，在星載平臺沒有重力，熱管循環缺乏驅動力難以運行，熱管模式和蒸氣壓縮模式切換時壓縮機頻繁啟停給機組可靠性帶來隱患，而且沒有針對太空環境具體的實施方案和控制方案。

技術實現要素：
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針對現有技術的不足，本發明提出了一種星載復合散熱系統及其控制方法。采用可調壓比和轉速的微型無油變頻壓縮機當作動力源，且實現“一機兩用”：當太陽輻射較強或電子設備負荷較大時，壓縮機高速高壓運轉，節流裝置工作，運行于蒸氣壓縮制冷模式，保障散熱安全可靠；當太陽輻射較弱或電子設備負荷較小時，壓縮機低速低壓運轉，節流裝置被旁通，運行于動力熱管循環模式，此時壓縮機僅驅動工質循環，并不建立壓差，耗電量極低，保障系統節能運行。

本發明采用如下技術方案：一種星載復合散熱系統，包括衛星艙、氣液分離器、壓縮機、發熱設備、蒸發器、旁通支路、節流支路、輻射散熱器、控制器以及制冷劑管路，所述蒸發器通過制冷劑管路依次與氣液分離器、壓縮機、輻射散熱器和節流支路連接，所述節流支路和旁通支路并聯設置，節流支路上設置節流裝置，旁通支路上設置旁通閥，所述控制器采集發熱設備表面溫度后控制壓縮機、節流裝置和旁通閥。

進一步地，所述壓縮機為壓比和轉速可調的微型無油變頻壓縮機。

進一步地，所述氣液分離器為折流分離或絲網分離型氣液分離器。

進一步地，所述蒸發器為嵌入式蒸發器。

本發明還采用如下技術方案：一種星載復合散熱系統的控制方法，在不同的太陽輻射和發熱設備負荷情況下，根據發熱設備表面溫度，系統實現兩種工作模式：

(a)當太陽輻射較強或發熱設備負荷較大，發熱設備表面溫度t>a時，其中a為系統的預設溫度值，控制器控制壓縮機高壓高速運轉，節流裝置工作，旁通閥關閉，蒸發器、氣液分離器、壓縮機、輻射散熱器和節流支路構成蒸氣壓縮制冷循環；

(b)當太陽輻射較弱且發熱設備負荷較小，發熱設備表面溫度t<a時，其中a為系統的預設溫度值，控制器控制壓縮機低壓低速運轉，旁通閥打開，節流裝置關閉，蒸發器、氣液分離器、壓縮機、輻射散熱器、和旁通支路構成動力驅動熱管循環。

本發明具有如下有益效果：

(1)、當太陽輻射較強或電子設備散熱負荷較大時，壓縮機高速運轉且節流裝置工作，滿足散熱要求，保障散熱安全，同時減小了輻射散熱器面積；

(2)、當太陽輻射較弱且電子設備散熱負荷較小時，壓縮機低壓低速運轉，通過付出極小的功耗驅動工質循環，構建動力熱管循環，在節能基礎上滿足傳熱要求；

(3)、壓縮機“一機兩用”，動力熱管模式(圖3)和蒸氣壓縮模式(圖2)共享蒸發器和輻射散熱器，管路設計簡潔順暢，使得系統重量輕、占地空間小、控制簡便。

附圖說明：

圖1為本發明星載復合散熱系統的結構原理圖。

圖2為本發明星載復合散熱系統的蒸氣壓縮流程圖。

圖3為本發明星載復合散熱系統的動力熱管流程圖。

圖中：

1－衛星艙；2－氣液分離器；3－壓縮機；4－發熱設備；5－蒸發器；6－旁通支路；7－節流支路；8－節流裝置；9－旁通閥；10－輻射散熱器；11－控制器。

具體實施方式：

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

本發明星載復合散熱系統包括衛星艙1、氣液分離器2、壓縮機3、發熱設備4、蒸發器5、旁通支路6、節流支路7、輻射散熱器10、控制器11以及制冷劑管路，蒸發器5通過制冷劑管路依次與氣液分離器2、壓縮機3、輻射散熱器10和節流支路7連接，節流支路7和旁通支路6并聯設置，節流支路7上設置節流裝置8，旁通支路上設置旁通閥9。壓縮機3為壓比和轉速可調的微型無油變頻壓縮機，控制器11采集發熱設備4表面溫度后控制壓縮機3、節流裝置8和旁通閥9，在不同的太陽輻射和發熱設備4負荷情況下，根據發熱設備4表面溫度，該系統可實現兩種工作模式：

(a)當太陽輻射較強或發熱設備4負荷較大，發熱設備4表面溫度t>a時，其中a為系統的預設溫度值，控制器11控制壓縮機3高壓高速運轉，節流裝置8工作，旁通閥9關閉。蒸發器5、氣液分離器2、壓縮機3、輻射散熱器10和節流支路7構成蒸氣壓縮制冷循環；

(b)當太陽輻射較弱且發熱設備4負荷較小，發熱設備4表面溫度t<a時，其中a為系統的預設溫度值，控制器11控制壓縮機3低壓低速運轉，旁通閥9打開，節流裝置8關閉。蒸發器5、氣液分離器2、壓縮機3、輻射散熱器10、和旁通支路6構成動力驅動熱管循環。此時，壓縮機只驅動制冷劑循環，并不構建冷凝/蒸發壓差，因此能耗極低，滿足節能散熱需求。

上述方案中氣液分離器2為折流分離或絲網分離型氣液分離器。蒸發器5為嵌入式蒸發器。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發明的保護范圍。

技術特征：

技術總結
本發明公開一種星載復合散熱系統及其控制方法，蒸發器通過制冷劑管路依次與氣液分離器、壓縮機、輻射散熱器和節流支路連接，節流支路和旁通支路并聯設置，節流支路上設置節流裝置，旁通支路上設置旁通閥，壓縮機為微型無油變頻壓縮機。控制器采集發熱設備表面溫度，控制壓縮機、節流裝置和旁通閥。在不同的太陽輻射和發熱設備負荷情況下，根據發熱設備表面溫度，該系統可實現兩種工作模式：當太陽輻射較強或電子設備散熱負荷較大時，壓縮機高速運轉且節流裝置工作，形成蒸氣壓縮循環，保障散熱安全；當太陽輻射較弱且電子設備散熱負荷較小時，壓縮機低壓低速運轉，節流裝置被旁通，構建動力熱管循環，在節能基礎上滿足傳熱要求。

技術研發人員：張朋磊;張大林;陳維建;武艷
受保護的技術使用者：南京航空航天大學
技術研發日：2017.04.18
技術公布日：2017.08.22