一种航天器散热系统和方法与流程

本发明涉及空间站热管理技术领域。更具体地，涉及一种航天器散热系统和方法。

背景技术：

载人航天器的热控设计不仅要保证舱内设备仪器在空间环境中处于合理的温度范围，同时还需要保障宇航员身处适宜的流速、温度和湿度的空气环境。

对于大型的航天器而言，由于舱内设备仪器较多，温度指标较为复杂，分舱设计或者单一的热控措施难以满足热量的管理，造成舱内热能的浪费，合理有效的热管理技术就成为了必然的发展趋势。热管理技术从系统的角度，对舱内热量统一优化调配，对余热进行多级回收利用，有效整合了舱内的资源，提高系统的适应能力和调节能力，但是复杂的热控设计也会给系统带来多组件、多备份、可靠性降低等的影响。

由于航天器上的能源有限，面对复杂多变的深空环境，大功率仪器设备的散热以及宇航员对舱内空气温、湿度的需求，对热控技术提出更高的要求，尤其是对于当前航天器散热手段单一，很难满足较大散热量的要求。

技术实现要素：

为解决上述问题中的至少一个，因此，本发明目的在于提供一种航天器散热系统和方法。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提供一种航天器散热系统，包括：流体回路、通风回路和吸收式热泵回路，其中

所述流体回路，用于循环往复对仪器设备进行散热，所述流体回路中的工质携带仪器设备排散的热量在所述系统中作为高温热源，用以驱动吸收式热泵回路工作和将多余热量排散至深空；

所述吸收式热泵回路，用于耦合所述流体回路和所述通风回路，实现热交换；

所述通风回路包括吸热支路和放热支路，两支路的空气通过所述吸收式热泵回路热交换，通过控制两支路的空气流量配比调节舱内人活动区域的空气温度，所述放热支路的空气携带热量作为所述系统的低温热源。

在一个具体实施例中，所述流体回路包括：

冷板，用于对设备仪器进行散热；

机械泵，用于驱动所述冷板循环往复对仪器设备进行散热；

辐射器，用于将流体回路的工质中携带的多余热量排散至深空。

在一个具体实施例中，所述吸收式热泵回路包括：

发生器，用于使制冷剂溶液吸收流体回路工质携带的热量形成制冷剂蒸汽；

冷凝器，用于使来自发生器的制冷剂蒸汽凝结成制冷剂溶液并放出热量，该热量被流体回路工质携带排散至深空；

蒸发器，用于使来自冷凝器的制冷剂溶液吸收所述低温热源的热量变为制冷剂蒸汽；

吸收器，用于使来自发生器的浓制冷剂溶液吸收来自蒸发器的制冷剂蒸汽变为稀制冷剂溶液，并放出热量；

溶液泵，用于驱动所述发生器和所述吸收器。

在一个具体实施例中，所述通风回路包括：

风机，用于驱动空气流动进行热交换；

流量计，用于控制空气流量；

温控阀，用于控制空气温度。

在一个具体实施例中，所述流体回路还包括：补偿器和温控阀。

在一个具体实施例中，述制冷剂溶液为氨水溶液。

本发明另一方面提供一种航天器散热方法，包括：

s10、流体回路循环往复对仪器设备进行散热；

s30、所述流体回路中的工质携带仪器设备排散的热量在所述系统中作为高温热源驱动所述吸收式热泵回路热交换；

s50、所述流体回路将工质中多余的热量排散至深空；

s70、通风回路的吸热支路和放热支路的空气通过所述吸收式热泵回路热交换，通过控制两支路的空气流量配比调节舱内人活动区域的空气温度，所述放热支路的空气携带热量作为所述系统的低温热源。

在一个具体实施例中，所述s30包括：

在吸收式热泵回路中，发生器中的制冷剂溶液吸收流体回路工质携带的热量形成制冷剂蒸汽流向冷凝器；

所述冷凝器使来自发生器的制冷剂蒸汽凝结成制冷剂溶液并放出热量，该热量被流体回路工质携带排散至深空，制冷剂溶液流向蒸发器；

所述蒸发器使来自冷凝器的制冷剂溶液吸收所述低温热源的热量变为制冷剂蒸汽，流向吸收器；

所述吸收器使来自发生器的浓制冷剂溶液吸收来自蒸发器的制冷剂蒸汽变为稀制冷剂溶液，并放出热量，该热量被所述通风回路的空气吸收；

溶液泵驱动所述稀制冷剂溶液进入发生器。

在一个具体实施例中，所述流体回路中机械泵驱动所述冷板循环往复对仪器设备进行散热；通过辐射器将流体回路的工质中携带的多余热量排散至深空。

在一个具体实施例中，所述通风回路利用温控阀和流量计控制两支路的空气流量和温度。

本发明的有益效果如下：

本发明将高热流密度仪器设备以及宇航员自身产生的内热源先利用后排散，流体回路主要对高热流密度设备仪器进行散热，通风回路通过流量计和温控阀控制两支路流量配比，使送风温度满足宇航员需求，采用吸收式热泵回路耦合流体和通风回路，使各回路的高、低温热源进行多级回收利用，从系统的角度，采取辐射散热、相变散热，有效缓解局部热量密集，解决舱内空气温度调节以及高热流密度仪器设备的散热问题，充分利用高、低温热能，节省舱内电力资源，实现各回路等温化、能源多级利用，灵活调节舱内空气质量。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出根据本发明的实施例的一种散热系统结构图。

图2示出根据本发明的实施例的一种散热方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，一种航天器散热系统散热系统，包括：流体回路、通风回路和吸收式热泵回路，其中

所述流体回路，用于循环往复对仪器设备进行散热，所述流体回路中的工质携带仪器设备排散的热量在所述系统中作为高温热源，用以驱动吸收式热泵回路工作和将多余热量排散至深空；

高温热源代替了电力，驱动吸收式热泵回路工作。

需要说明的是，流体回路工质选取考虑到工作温度、传热量、与系统材料的相容性，特别是化学相容性，影响着流体回路的使用寿命和可靠性，本实施例优选乙二醇水溶液，本发明对流体回路工质选取的种类不做限制。

所述吸收式热泵回路，用于耦合所述流体回路和所述通风回路，实现热交换；

所述通风回路包括吸热支路和放热支路，两支路的空气通过所述吸收式热泵回路热交换，通过控制两支路的空气流量配比调节舱内人活动区域的空气温度，所述放热支路的空气携带热量作为所述系统的低温热源。

流体回路100具体包括：冷板3，用于对设备仪器进行散热；机械泵2，用于驱动所述冷板循环往复对仪器设备进行散热；辐射器5，用于将再次被流体回路工质吸收的热量排散到空间；

还包括补偿器1，为了防止升温时，由于热伸长或温度应力而引起流体管道变形或破坏；温控阀4，用于控制工质流量；

通风回路200具体包括：风机6，7，用于驱动空气流动进行热交换；用与流量计8，9，用于控制空气流量；温控阀10，用于控制空气温度。

吸收式热泵回路300具体包括：发生器12，用于使制冷剂溶液吸收热量形成蒸汽；冷凝器11，用于使来自发生器的制冷剂蒸汽凝结成制冷剂溶液并放热；蒸发器15，用于使来自冷凝器的制冷剂溶液吸收低温热源的热量变为制冷剂蒸汽；吸收器14，用于使来自发生器的浓制冷剂溶液吸收自蒸发器的制冷剂蒸汽变为稀制冷剂溶液，并放出热量；溶液泵16，用于驱动所述发生器和所述吸收器；热交换器13，用于吸收器和发生器之间制冷剂溶液的交换。

在一个优选示例中，制冷剂溶液为氨水溶液。

实施例2

如图2所示，一种航天器散热方法，s10、流体回路循环往复对仪器设备

进行散热；

冷板3在机械泵2的驱动下循环往复对仪器设备进行散热，排散的热量应与对应仪器设备的发热量匹配且有余量，保证仪器设备其处于工作温度范围内；

s30、所述流体回路中的工质携带仪器设备排散的热量在所述系统中作为高温热源驱动所述吸收式热泵回路热交换；

s50、所述流体回路将工质中多余的热量排散至深空。

流体回路工质携带排散的热量在整个系统中作为高温热源驱动发生器12工作；

发生器12内的制冷剂溶液吸收高温热源的热量形成制冷剂蒸汽。

蒸汽从发生器12离开进入冷凝器11，凝结成制冷剂溶液并放热，蒸汽凝结放出的热量再次被流体回路工质吸收后通过辐射器5排散至深空，工质再次吸收的热量相对于从仪器设备携带的热量是减小的，降低了辐射器的散热压力；

制冷剂溶液流经冷凝器11后进入蒸发器15，吸收低温热源的热量，进而变为制冷剂蒸汽进入吸收器14，发生器12和吸收器14之间通过溶液泵16驱动，发生器12中的浓制冷剂溶液经热交换器13进入吸收器14并吸收来自蒸发器15的制冷剂蒸汽并放出热量，吸收器14中变稀的制冷剂溶液又经所述热交换器13再次进入所述发生器12，形成单向循环。

s70、通风回路的吸热支路和放热支路的空气通过所述吸收式热泵回路热交换，通过控制两支路的空气流量配比调节舱内人活动区域的空气温度，所述放热支路的空气携带热量作为所述系统的低温热源。

通风回路根据温度的需求，部分空气进入有蒸发器15的支路即放热支路，作为整个系统的低温热源，在蒸发器中放热使制冷剂溶液变为蒸汽后温度降低；另外部分空气进入有吸收器14的支路即吸热支路，在吸收器中吸收热量后温度升高，利用温控阀10和流量计8，9控制两支路的空气流量和温度，使混合后的空气满足宇航员需求以及应对空间极端的环境变化。

通风回路中的风量控制与温度情况：

通风回路中经过放热支路的部分空气的换热量

q1＝cmf(tin-tout,1)

通风回路中经过吸热支路的部分空气的换热量

q2＝cm(1-f)(tout,2-tin)

通风回路中两支路空气混合的送风温度

t＝f·tout,1+(1-f)tout,2

式中，c为空气比热容，j/kg·k；m为空气的质量流量，kg/s；f为通过蒸发器的风量比例，0≤f≤1；下标in为进口端参数，out为出口端参数，图1中箭头指向的方向为空气在两支路流动的方向，箭头指向的支路一端为出口端，相对的一端为进口段，下标1代表有蒸发器的支路即放热支路，下标2为有吸收器的支路即吸热支路。

进口端温度由温控阀10控制，出口端温度可由流量计8，9测得。

本发明将高热流密度仪器设备以及宇航员自身产生的内热源先利用后排散，流体回路主要对高热流密度设备仪器进行散热，通风回路通过流量计和温控阀控制两支路流量配比，使送风温度满足宇航员需求，采用吸收式热泵回路耦合流体和通风回路，使各回路的高、低温热源进行多级回收利用，从系统的角度，采取辐射散热、相变散热，有效缓解局部热量密集，解决舱内空气温度调节以及高热流密度仪器设备的散热问题，充分利用高、低温热能，节省舱内电力资源，实现各回路等温化、能源多级利用，灵活调节舱内空气质量。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。