適於調節衛星的熱源的溫度的冷卻裝置和用於生產相關聯的冷卻裝置和衛星的方法

2023-06-24 11:52:11 2

適於調節衛星的熱源的溫度的冷卻裝置和用於生產相關聯的冷卻裝置和衛星的方法
【專利摘要】本發明基本上涉及一種適於調節衛星的熱源的溫度的冷卻裝置(30)，該冷卻裝置(30)包括由以下形成的至少一個流體迴路(35)：蒸發器(40)，該蒸發器(40)包括槽；至少一個冷凝器(45)；兩個導管，所述兩個導管將蒸發器(40)連接至冷凝器(45)；在流體迴路(35)內流動的傳熱流體，其特徵在於，所述冷卻裝置(30)還包括被稱作為液壓阻尼器的用於向流體迴路加壓的裝置，該裝置包括可變體積的裝置，所述可變體積的裝置具有基於流體迴路(35)的操作溫度而改變的體積以便在流體迴路(35)內提供大致恆定的溫度。
【專利說明】適於調節衛星的熱源的溫度的冷卻裝置和用於生產相關聯的冷卻裝置和衛星的方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種適於調節熱源的溫度的冷卻裝置以及用於生產相關聯的冷卻裝置和衛星的方法。

【背景技術】
[0002]本發明能夠特別有利地應用於安置在溫度可能會經受顯著變化的環境中的耗散設備的溫度調節領域中。耗散設備應當理解為表示在操作時容納熱源的任何類型的設備或設備組。該設備可以為電子設備、電子設備中的部件、產生熱的任何其它的非電子系統。
[0003]已知適於控制嵌入在車輛中的設備的溫度的裝置包括通常被稱作為毛細迴路熱管的具有毛細泵送作用的兩相流體傳遞迴路或簡單的迴路熱管，從而將耗散設備熱連接至一個或更多個熱輻射器或輻射表面。該迴路熱管可以通過將毛細作用用作運動壓力並將液相/汽相的改變用作能量傳輸裝置而將來自熱源——例如耗散設備——的熱能傳輸至例如福射表面的散熱器。
[0004]迴路熱管通常包括用於從熱源提取熱的蒸發器以及用於在散熱器處重新存儲該熱的冷凝器。蒸發器和冷凝器通過傳熱流體在其中以在迴路熱管的較冷部分中的主要的液體狀態循環的導管以及該相同的傳熱流體在其中以其較熱部分中的主要的氣體狀態循環的導管連結。蒸發器包括流體的槽以及確保通過毛細作用將處於液相的傳熱流體泵送至蒸發區域。
[0005]圖1描述了此處以橫截面的形式示出的特定類型的毛細迴路熱管，但是這種類型僅為代表性的。毛細結構附近的流體的槽具有區別性，其可以有利地為微孔塊。該槽接收來自冷凝器的液體，並且微孔塊通過毛細作用將該液體送至蒸發區域。
[0006]毛細迴路熱管的正常操作狀態為兩相狀態，流體處於在迴路熱管中的液體和蒸汽兩種狀態下。在迴路熱管根據傳熱流體的體積和流率相對於對將由熱源耗散的熱傳輸至散熱器的需求而良好地定尺寸的情況下實現了這種狀態。下文在說明中，「迴路熱管的操作點」將用於指示流體在蒸發器處蒸發所處的飽和溫度和壓力。因此，在流體的就溫度和壓力而言的狀態空間中，迴路熱管的操作點位於使流體的兩種液體狀態和蒸汽狀態分離的Clapeyron曲線上。圖2示出了毛細迴路熱管的不同操作點，在該毛細迴路熱管中傳熱流體為氨。圖中指示了三個操作點P1、P2和P3。這些點與迴路熱管中的由氨的飽和溫度和壓力對所確定的流體的狀態對應，此處給出的其數值大約為(為了此處的目的，僅給出了大小值):P1: (25°C、10 巴)、P2 (18°C、8 巴)、P3 (-33°C、I 巴)。
[0007]此處應當想到，當毛細迴路熱管在諸如P1、P2和P3之類的操作點附近以穩定狀態操作時(從而在起始相的外部、過渡相、故障的情況等)，流體的溫度和壓力根據其(冷凝器、槽、微孔塊、導管的)當前位置在此迴路熱管內改變，這是主要是因為微孔塊中的流體的上方再加熱、冷凝器中的液體下方再冷卻、系統中的壓頭損失、微孔塊內的毛細壓力等。但是，這些變化非常小:通常是在溫度方面的幾度以及在壓力方面的幾千帕(Pascals)，熱交換中的大部分熱交換必須最佳地通過改變流體的狀態來實現，因此在飽和曲線附近。在穩定狀態操作的所有情況下，這些改變相比於此處要考慮的熱環境的更大的變化一特別地，熱源的熱功率以及/或者散熱器的溫度一而言將可以被忽略。
[0008]迴路熱管的操作點來源於一方面在冷凝器處冷卻的到達槽中的流體的流率和溫度與另一方面通過對容納在蒸發器和槽中的流體的熱源再加熱之間的平衡。對於由熱源傳遞的同一熱功率而言，假定迴路熱管處於操作點Pl處，也就是說處於25°c的蒸發溫度處，並且冷凝器的溫度降低至_30°C。這將具有了降低在槽的進口處以及在槽中的液體的溫度的效果。由於此，流體的體積將收縮，這導致迴路熱管中的流體壓力下降。流體的蒸發溫度因此也將下降，並且迴路熱管將必須改變操作點以到達具有比點Pl更低的飽和溫度和壓力的操作點。迴路熱管的操作點將沿著Clapeyixm曲線經過狀態P2並朝向點P3下降。
[0009]這種現象可以在許多如下應用的情況下觀察到:在這種情況下，散熱器一耗散設備與所述散熱器相連結——的熱環境根據外部條件而發生波動。例如安置在太空船(飛彈、飛機、衛星)一所述太空船在受到溫度變化(例如根據海拔)或日光照射變化(在衛星的情況下)的環境中移動——的外表面上的熱輻射器是這種情況。熱輻射器的根據日光入射或環境的溫度的溫度波動通常可以為50°C。如先前說明的，使用不具有調節裝置的毛細迴路熱管導致待被冷卻的設備件的溫度的同等大幅度變化，這對於該毛細迴路熱管的操作而言可能是不利的。
[0010]通過圖3示出了這種示例性應用，圖3以截面圖的形式示意性地示出了衛星的內部布置，該內部布置示出了耗散設備件以及用於控制由毛細迴路熱管構成的該設備的溫度的系統，該迴路熱管的蒸發器以與設備熱接觸的方式安置，該迴路熱管的冷凝器以與衛星的位於衛星的本體的周界處的面中的一個面上的熱輻射器熱接觸的方式安置。熱輻射器的溫度將隨著該熱輻射器相對於太陽光的暴露程度而顯著地改變。熱輻射器的通常的溫度變化大約為50度(其取決於最大的日光入射以及熱輻射器的熱特徵等。)
[0011]圖4示出了在使用根據現有技術的毛細迴路熱管時冷凝器的溫度以及迴路熱管的操作點的溫度隨著時間的趨勢。可以觀察到，這兩種溫度承受基本相同的變化(在幾度內)。
[0012]為了限制其冷凝器經受大幅度的溫度變化的毛細迴路熱管的飽和溫度的變化，必須使用其他元件。大多數最近的現有技術使用了諸如再加熱系統之類的主動系統。可以使用電阻器對設備直接進行再加熱，對該設備而言溫度應較為穩定。還可以使用電阻器對一個或更多個迴路熱管的液體的槽進行再加熱以改變其傳導性，從而還控制了設備的溫度。這種類型的裝置的限制是由於可能變得高的功率消耗(幾十至幾百瓦)以及裝置的複雜性(需要溫度探針以及處理溫度測量結果以計算待被發送至電阻器的控制命令的控制構件)而引起的。
[0013]可以設想如下其他解決方案:例如使用諸如文獻W02010037872A1中示出的旁路式的裝置之類的主動系統，或文獻W02008001004A1中描述的旨在限制設備的溫度變化的具有相變的材料。但是，在這種類型的裝置的情況下，關於某些溫度範圍內的操作性和穩定性而言具有一定的限制，其會導致設備上的較大或較小的溫度浮動。另外，使用旁路式的裝置在系統在較低的溫度下操作的情況下導致冷凝器(該冷凝器固定至熱輻射器)的總體短路，並且從而需要功率以對冷凝器進行再加熱以防止位於冷凝器中的流體的凍結，所述流體因此不再處於運動狀態下。
[0014]在使用具有相變式的材料的被動系統的情況下，關於操作而言具有一定的限制，其在給定的有限質量的具有相變的材料的情況下對系統的能力進行調節時具有限制。
[0015]如文獻EP2291067A1中所描述的，還已知的是一種包括迴路熱管的電力轉換器的冷卻裝置，該迴路熱管包括冷凝器以及連結至槽的蒸發器，該槽包括用於控制壓力和/或溫度參數的的裝置，例如溫度傳感器和壓力傳感器。導管連結冷凝器和蒸發器，並將槽連結至冷凝器。在使用溫度測量以調節槽內的溫度的情況下，使用了對槽進行加熱的電阻器、對槽進行冷卻的風扇以及排氣閥。在使用壓力測量的情況下，使用了壓縮機和閥。加壓氣體隨後被注入槽中並進入以與傳熱流體接觸，這引起了諸如在該氣體在導管中洩漏的情況下迴路熱管終止之類的缺點。


【發明內容】

[0016]本發明的目的特別在於提出如下一種被動溫度調節裝置:該被動溫度調節裝置可以在用於溫度調節的散熱器的溫度和/或由熱源耗散的熱功率顯著地改變時極大地減小(沒有消除)毛細迴路熱管中的壓力和溫度差值，並且這樣做時沒有現有技術的缺點。
[0017]為此，本發明涉及一種適於調節熱源的溫度的冷卻裝置，所述冷卻裝置包括至少一個毛細迴路熱管，所述至少一個毛細迴路熱管由以下形成:
[0018]-毛細蒸發器，該毛細蒸發器連結至至少一個流體的槽，
[0019]-至少一個冷凝器，
[0020]-在毛細迴路熱管中循環的傳熱流體，
[0021]-傳熱流體主要以液體狀態在其中循環的導管，
[0022]-傳熱流體主要以氣體狀態在其中循環的導管，
[0023]-將蒸發器連結至冷凝器以形成閉合的流體循環迴路的導管。
[0024]所述冷卻裝置還包括被稱作為「熱阻尼器」的裝置，該裝置由包括這樣的體積剛度的可變體積的密封防漏室構成，該體積剛度適於可變體積的密封防漏室根據毛細迴路熱管中的流體的體積和分布的變化而在毛細迴路熱管的給定操作範圍內被動地變形。
[0025]「體積剛度」應當理解為表示施加在室上的壓力變化與以此導致的室的體積的變化之間的比率的絕對值。
[0026]「被動地」應當理解為表示如下事實:不具有用於控制室的變形的如下主動系統:該主動系統需要傳感器和/或致動器和/或計算構件，從而根據由傳感器傳遞的測量結果向致動器發送控制命令。
[0027]「流體的體積的變化」應當理解為表示液體和蒸汽共同的體積根據迴路熱管的用於給定壓力的所有點處的溫度的變化。
[0028]「流體的分布的變化」應當理解為表示如下事實:根據迴路熱管的所有點處的溫度液體在流體導管和槽內不同地分布。
[0029]應當理解的是，由於缺少所涉及的物理現象的建模中的誤差或產品，因此，室實際上在所述給定操作範圍內的變形的準確性是非常相對的。
[0030]根據定義，迴路熱管的操作點為在迴路熱管中的流體的蒸發點處的流體的飽和溫度和壓力。「迴路熱管的操作範圍」應當理解為表示迴路熱管的與迴路熱管中的流體的蒸發點處的飽和溫度間隔或等同的飽和壓力間隔相對應的一組操作點。
[0031]對於給定的操作點而言，迴路熱管的所有點處的溫度均根據環境條件(冷卻片的溫度、所傳輸的功率)而改變。
[0032]在所有實施方式的情況中，室的至少一部分與迴路熱管的流體接觸。
[0033]用於氨的室的體積剛度的數值的通常值為每立方釐米I巴至幾十巴。該剛度取決於涉及的傳熱流體的飽和壓力。
[0034]在第一類優選的實施方式中,熱阻尼器的室被密封並位於迴路熱管內。
[0035]在這類實施方式的第一執行方式中，熱阻尼器的室包括波紋管。
[0036]在這類實施方式的第二執行方式中，熱阻尼器的室包括可變形的並且氣密-密封的罩以及定位在該可變形罩內的彈簧。
[0037]在第三執行方式中，熱阻尼器的室包括可變形的並且氣密-密封的罩以及定位在該可變形罩內的流體。
[0038]在又一執行方式中，熱阻尼器的室包括氣密-密封的可變形罩以及定位在該可變形罩內的彈簧和流體。
[0039]在最後的這三類執行方式中，可變形罩可呈波紋管的形式。
[0040]有利地但非必要的，熱阻尼器可以位於槽內。
[0041]熱阻尼器更加有利地位於迴路熱管的位於冷凝器的下遊處的一部分中，其中傳熱流體的液相被認為主要位於在該冷凝器的下遊處。
[0042]在第二類不同的實施方式中，熱阻尼器的室為容納流體的迴路熱管的一部分。
[0043]在其他類的解決方案的示例性執行方式中，熱阻尼器為迴路熱管的一部分，該迴路熱管的壁由金屬波紋管構成。
[0044]金屬波紋管可以焊接至迴路熱管的不可變形壁。
[0045]例如，熱阻尼器為槽的一部分。
[0046]在所有的產品的情況下，均可以使用至少一個機械抵接件來限制室的體積的變化。
[0047]熱阻尼器的室的體積在其變形範圍內的最大變化適於熱阻尼器在迴路熱管的給定操作範圍內產生效果。
[0048]「產生效果」應當理解為表示如下事實:對於迴路熱管(熱源和散熱器)的給定環境而言，迴路熱管的操作點根據迴路熱管是否設置有熱阻尼器而不同。為了使裝置的操作範圍基本最大化，熱阻尼器的室的體積的最大變化位於迴路的總體積的10%與50%之間。
[0049]有利地，溫度調節裝置還包括修改熱阻尼器的設定壓力的校準裝置。
[0050]對於第一類實施方式而言，「設定壓力」應當理解為流體的最大壓力，超過該最大壓力，熱阻尼器的室的體積最小並且不能再改變。對於第二類實施方式而言，「設定壓力」應當理解為表示施加在熱阻尼器上以人為地增大該熱阻尼器的體積剛度的額外的外部壓力。
[0051]熱阻尼器的校準裝置包括適於改變熱阻尼器的室的體積剛度的至少一個裝置。
[0052]此外，為了在散熱器的溫度降落至閾值以下時限制設備的冷卻，有利的是增大室的體積以在所述體積達到給定值時阻斷毛細迴路熱管的槽中的液體的到達。
[0053]還有利的是可以對熱阻尼器的體積變化和體積剛度進行調節，使得在冷凝器的溫度降落至給定閾值以下時自動執行阻斷。
[0054]為了有助於在槽中的液體的到達被阻塞的情況下對迴路熱管進行重啟，有利地使用可以增大與熱阻尼器接觸的流體的溫度和壓力的再加熱系統。
[0055]本發明還涉及一種用於生產根據本發明的裝置的方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟:
[0056]-選擇與用於飽和溫度為Tmax和飽和壓力為Pmax的操作點相對應的設定壓力Pmax,
[0057]-選擇最小飽和溫度Tsat〈Tmax,Tmax對應於飽和壓力Psat,
[0058]-選擇溫度Tmin,使得 Tmin〈Tsat,
[0059]-計算在操作點Tmax、Pmax與液體處於溫度Tmin處並且蒸汽處於溫度Tsat處的操作點之間處迴路熱管中的流體的體積和分布的變化，
[0060]-計算在熱阻尼器所處的位置處在這兩個操作點之間流體的體積的變化DV，
[0061]-生產可變體積的密封防漏室，該可變體積的密封防漏室的設定壓力等於Pmax，最大的體積變化大於或等於DV，並且對該最大的體積變化而言，體積剛度大致等於(Pmax-Psat)/DV。
[0062]有利的是可以對熱阻尼器的體積的變化和體積剛度進行調節，使得在操作點的溫度降落至給定閾值以下時自動執行阻斷。
[0063]本發明還旨在一種包括至少一個輻射表面的衛星，其特徵在於，該衛星配備有根據本發明的冷卻裝置，該冷卻裝置包括與承受環境的溫度變化的所述輻射表面熱接觸的冷凝器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0064]將在閱讀以下描述並考慮附圖時將更佳地理解本發明。這些附圖僅以說明的方式給出，並且不以任何形式來限制本發明。附圖示出了:
[0065]圖1:現有技術的毛細迴路熱管的曲線圖；
[0066]圖2:根據現有技術的迴路熱管的處於穩定狀態下的各個操作點的曲線圖；
[0067]圖3:包括通過連結至位於衛星外部的熱輻射器的毛細迴路熱管冷卻的設備的衛星的示意圖；
[0068]圖4:設備和熱輻射器在毛細迴路熱管是根據不具有熱阻尼器系統的最普遍的現有技術時根據該熱輻射器的被太陽的照射的溫度趨勢的曲線圖；
[0069]圖5a、5b、5c、5d:根據本發明的遵循第一類執行方式的熱阻尼器裝置的各種實施方式的示意圖，圖5b示出了在液體導管在較低的溫度處的阻斷的情況下的示例性實施方式；
[0070]圖6:根據本發明的第二類執行方式的熱阻尼器裝置的產品的示意圖；
[0071]圖7a至圖7b:設備和熱輻射器在毛細迴路熱管具有根據本發明的熱阻尼器時根據該熱輻射器的被太陽的照射的溫度趨勢的曲線圖；
[0072]圖8:示出了用於生產根據本發明的冷卻裝置的方法的各種步驟的功能性框圖；
[0073]相同的、類似的、或相似的元件在所有附圖中均保持相同的附圖標記。

【具體實施方式】
[0074]圖1示出了毛細迴路熱管35的某些細節。該迴路熱管35可以通過將毛細作用用作運動壓力並將傳熱流體(附圖中未示出)的液相/汽相的改變用作能量傳輸裝置而將來自熱源20—例如耗散熱備件一的熱能傳輸至散熱器15，例如輻射表面，以便經由輻射表面15疏散由耗散設備件20產生的熱能。
[0075]耗散熱備20應當理解為表示在操作中時容納熱源的任何設備或成組的設備。這種設備可以為電子設備、電子設備內的部件以及產生熱的任意其他非電子系統。
[0076]迴路熱管35包括靠著設備件20定位的用於從設備件20提取熱的蒸發器40以及靠著輻射表面15定位的用於將該熱經由輻射表面15疏散到空間中的冷凝器45。蒸發器40和冷凝器45通過導管50和導管60連結，其中，傳熱流體在該導管50中主要以液體狀態循環，傳熱流體在該導管60中主要以氣體狀態循環。蒸發器40包括流體的連結至微孔塊66的槽65，從而確保通過毛細作用泵送處於液相的傳熱流體。由設備件20賦予蒸發器40的熱增加了在微孔塊66處的傳熱流體的溫度，這引起傳熱流體在該微孔塊66的蒸發區域中的蒸發。以此產生的蒸發由導管60疏散並在冷凝器45處冷凝。離開冷凝器45的流體經由導管50返回至蒸發器40。
[0077]毛細迴路熱管35的正常操作狀態為兩相狀態，流體處於在迴路熱管35中的液體和蒸汽兩種狀態下。在迴路熱管35根據傳熱流體的體積和流率相對於對將由熱源20耗散的熱傳輸至散熱器15的需求而良好地定尺寸的情況下實現了這種狀態。下文在說明中，「迴路熱管的操作點」將用以指示這樣的飽和溫度和壓力:在所述飽和溫度和壓力處，流體在迴路熱管中的流體的蒸發點處——也就是說在蒸發器40處——蒸發。因此，在流體的溫度和壓力方面的狀態的空間中，迴路熱管35的操作點位於使流體的兩種液體狀態和蒸汽狀態分離的Clapeyixm曲線上。圖2示出了毛細迴路熱管的不同操作點，在該毛細迴路熱管中傳熱流體為氨。附圖中指示了三個操作點PU P2和P3。這些點與迴路熱管中由氨的飽和溫度和壓力所確定的流體的狀態對應，此處給出其數值大約為(為了此處的目的，僅給出了大小值):P1:(25°C、10 巴)、P2(18°C、8 巴)、P3 (_33°C、I 巴)。
[0078]此處應當想到，當毛細迴路熱管35在諸如P1、P2和P3之類的操作點附近以穩定狀態操作時(從而外部的起始相、過渡相、故障的情況等)，流體的溫度和壓力根據其(冷凝器45、槽65、微孔塊66、導管50、60)當前位置在此迴路熱管35內改變，這主要是因為流體在微孔塊66的上方再加熱、液體在冷凝器45的下方再冷卻、系統中的壓頭損失、微孔塊66內的毛細壓力等。但是，這些變化非常小:通常為溫度方面的幾度，壓力方面的幾千帕Pascals，熱交換中的大部分熱交換必須通過流體的狀態改變——從而在飽和曲線附近一一實現。在穩定操作的所有情況下，這些改變相比於此處要考慮的熱環境的更大的變化一特別是熱源20的熱功率以及/或者散熱器15的溫度一而言將被認為是可以被忽略的。
[0079]迴路熱管35的操作點來源於一方面在冷凝器45處冷卻的到達槽65中的流體的流率和溫度與另一方面通過容納在蒸發器40和槽65中的流體的熱源20的再加熱之間的平衡。對於由熱源20傳遞的同一熱功率而言，假定迴路熱管35處於操作點Pl處，也就是說處於25°C的蒸發溫度處，並且冷凝器45的溫度降低至_30°C。這將具有了降低槽65的進口處以及槽65中的液體的溫度的效果。由於此，流體的體積將收縮，這使得迴路熱管35中的流體壓力下降。流體的蒸發溫度因此也將下降，並且迴路熱管35將必須變操作點以到達具有比點Pl更低的飽和溫度和壓力的操作點。迴路熱管35的操作點將沿著Clapeyixm曲線經過狀態P2並朝向點P3下降。
[0080]這種現象可以在許多如下應用的情況下觀察到:在這些情況下，與散熱器15—耗散設備件20連結至所述散熱器15——的熱環境根據外部條件而波動。例如為安置在太空船(飛彈、飛機、衛星)——其在受到(例如根據海拔的)溫度變化或日光照射變化(在衛星的情況下)的環境中移動——的外表面上的熱輻射器是這種情況。熱輻射器的根據環境或日光入射的溫度的溫度波動通常可以為50°C。如先前說明的，使用不具有調節裝置的毛細迴路熱管35引起待被冷卻的設備件20的溫度的同等的顯著變化，這對於該毛細迴路熱管35的操作而言可能是不利的。
[0081]圖3不出了衛星10，該衛星10包括:福射表面15 ;設備件20，該設備件20耗散衛星10內的熱；以及毛細迴路熱管35式的冷卻裝置30，該冷卻裝置30使得可以將由設備件20產生的熱經由輻射表面15疏散到空間中。迴路熱管35的蒸發器40以與設備件20熱接觸的方式安置。迴路熱管35的冷凝器45以與衛星10的位於衛星10的本體的周界處的面中的一個面上的輻射表面15熱接觸的方式安置。輻射表面15的溫度將隨著該輻射表面暴露於太陽光而顯著地改變。輻射表面15的通常的溫度的變化大約為50度(其取決於最大的日光入射，輻射表面15的熱特徵等。)
[0082]衛星10的熱環境根據太陽的入射而波動，從而導致在該輻射表面15在被太陽照射和在陰影中相交替的情況下輻射表面15和衛星上的設備件20上的溫度波動。
[0083]為了說明的目的，假定迴路熱管35的傳熱流體為氨。
[0084]在上述示例性實施方式中，被稱作熱阻尼器的被動裝置70定位在蒸發器的槽65內。在沒有示出的其他示例實施方式中，熱阻尼器70定位在迴路熱管35的另一部分中，例如在流體的沒有直接連接至微孔塊66的另一槽內，該槽有利地連接至將冷凝器45連結至蒸發器40的槽65的導管50，並且從而主要填充處於低溫度操作條件下的液體。熱阻尼器70的操作在這兩種情況下都是相同的。可以補償在迴路熱管35的操作點改變時迴路熱管35內的流體的體積和分布的變化，這或者是由於與環境的變化相關聯的輻射表面15的溫度的變化，或者是由於設備件20的耗散的變化。
[0085]熱阻尼器70由可變體積的密封防漏室71構成，所述室71的體積根據迴路熱管35中的流體的體積和分布的變化而被動地改變。
[0086]「被動地」應當理解為表示如下事實:不具有用於控制室71的變形的如下主動系統:該主動系統需要傳感器和/或致動器和/或計算構件，從而根據由傳感器傳遞的測量結果向致動器發送控制命令。
[0087]「流體的體積的變化」應當理解為表示液體和蒸汽共同的體積根據迴路熱管35的用於給定壓力的所有點處的溫度的變化。
[0088]「流體的分布的變化」應當理解為表示如下事實:液體根據迴路熱管35的所有點處的溫度在流體導管50、60和槽內不同地分布。
[0089]熱阻尼器70適配成用於室71的體積在迴路熱管35的給定操作範圍內改變。
[0090]根據定義，迴路熱管35的操作點為流體的在迴路熱管35中的流體的蒸發點處的飽和溫度和壓力。「迴路熱管的操作範圍」應當理解為表示迴路熱管35的與迴路熱管35中的流體的蒸發點處的飽和溫度間隔或等同的飽和壓力間隔相對應的一組操作點。[0091 ] 對於給定的操作點而言，迴路熱管35的所有點處的溫度均根據環境條件(輻射表面15的溫度、所傳輸的功率)而改變。
[0092]在所有實施方式的情況中，室71的至少一部分與迴路熱管35的流體接觸。
[0093]室71具有這樣的體積剛度，該體積剛度根據迴路熱管35中的流體的體積和分布的變化有利地產生了該室71的體積的被動變化。
[0094]「體積剛度」應當理解為表示施加在室71上的壓力的變化與以此導致的室71的體積的變化之間的比率的絕對值。
[0095]有利地，熱阻尼器70——特別是其體積剛度——適於在迴路熱管35的給定操作範圍內變形。
[0096]應當理解的是，由於缺少所涉及的物理現象的建模中的誤差或產品，因此，室71實際上在所述給定操作範圍內的變形的準確性是非常相對的。
[0097]用於氨的室71的體積剛度的大小的通常的值為每立方釐米I巴至幾十巴。該剛度取決於有關的傳熱流體的飽和壓力。
[0098]在第一類優選的實施方式中，熱阻尼器70的密封防漏室71被密封並位於迴路熱管35內。
[0099]因此，根據圖5a中示出的裝置30的第一實施方式，熱阻尼器70包括位於迴路熱管35的槽65中的密封的、密封防漏可變體積的室71。該室71包括呈金屬波紋管74的形式的氣密密封的可變形罩，該金屬波紋管74的一個端部80焊接至迴路熱管35的內壁，並且另一端部81焊接至剛性的並且平坦的金屬板82。作為一種變體，金屬波紋管74和金屬板82沒有被焊接而是製造為單件。在密封防漏室71中產生幾乎全真空，室71中在其製造時存在的氣體的剩餘氣體有利地為氨蒸汽，從而不會在迴路熱管35內的剩餘氣體的可能的洩漏的情況下使迴路熱管35的操作中斷。
[0100]金屬波紋管74的彈性使得室71能夠自動調適該室71的體積以在溫度的大幅改變時補償迴路熱管35中的流體的體積和分布的變化。
[0101]為了簡化起見，假定室71中已經產生了全真空(本領域的技術人員將能夠將推理和計算延伸至室71內仍然具有剩餘氣壓的一般情況)，金屬波紋管74在真空中展示出最大的伸長量Zmax。室71隨後展示出最大的體積Vmax。
[0102]室71在金屬波紋管74已經達到其最小值Zmin時展示出最小的體積Vmin,這種情況在作用在室71上的外部壓力大於被稱作為設定壓力的值Ptar時發生，這例如由於在該壓力下，至少一個抵接件90防止金屬波紋管74進一步壓縮，DVmax用以指示室71的最大變化:DVmax = Vmax-Vmin。
[0103]有利地，貫穿本說明書，假定金屬波紋管74在其伸長的整個變化範圍內均處於其彈性範圍內。如果還假定(仍然為了簡化說明的目的，並且沒有減小本發明的一般性)金屬波紋管71的剛度在其體積的整個變化範圍內均是常數，則熱阻尼器70的室71的體積剛度K在該範圍內也為常數。因此熱阻尼器70的體積V將能夠在從零壓力值至壓力Ptar的範圍的外部壓力範圍P內都以以下關係變化:
[0104]P = K.(V-Vmin)
[0105]特別地
[0106]Ptar = K.(Vmax-Vmin) = K.DVmax,
[0107]並且
[0108]K = Ptar/DVmax
[0109]應當注意的是，當施加在熱阻尼器70上的流體的壓力大於設定壓力Ptar時，熱阻尼器70的室71的體積可以不再改變。熱阻尼器70隨後不再對迴路熱管35的操作具有任何顯著的影響。
[0110]在所考慮的具有氨的迴路熱管35的示例中，為了設定大小值，假定設定壓力為10巴並且在迴路熱管35的操作點Pl處(在該點Pl處，飽和壓力為10巴並且飽和溫度為250C )，迴路熱管35的室71大約承受該10巴的壓力。檢查在輻射表面15在環境溫度降低的作用下溫度緩慢地減小至低於_30°C的溫度時熱阻尼器70如何對迴路熱管35的操作進行作用。從操作點Pl開始，傳熱流體的溫度在冷凝器45的出口處以及槽65中將降低至接近-30°C的值。在沒有熱阻尼器70的情況下，溫度的這種降低將產生迴路熱管35中的流體的壓力的下降，並將使得迴路熱管35的操作點降低至與I巴的飽和壓力(操作點P3)對應的接近_30°C的飽和溫度。設備件20隨後將承受這些非常低的溫度。
[0111]熱阻尼器70可以完全地或部分地補償由來自於冷凝器45的流體(基本上是液體)的溫度的減小引起的兩個主要的影響。首先，冷卻引發了流體體積的減小，這可以由熱阻尼器70的室71的體積的同等變化來補償。另外，冷凝器45中的溫度的降低改變了液體在迴路熱管15內的分布，這是因為來自蒸發器40的蒸汽的冷凝在流體循環迴路中的上遊處逐漸發生。因此在在冷凝器45處將具有逐漸更多的液體(在體積方面)，這將會從槽65吸取相應體積的液體。熱阻尼器70還可以補償槽65中的該流體體積的變化。
[0112]重要地應當指出的是，根據本發明，對迴路熱管中的流體的體積或分布的變化的這種補償通過所述裝置的相對較小的體積剛度以及通過以此導致的所述裝置的體積的較大的變化而完全被動地執行。
[0113]熱阻尼器的室的體積在其變形範圍內的最大變化被調適為用於熱阻尼器以便在迴路熱管的給定操作範圍內產生效果。
[0114]「產生效果」應當理解為表示如下事實:對於迴路熱管(熱源和散熱器)的給定環境而言，迴路熱管的操作點根據迴路熱管是否設置有熱阻尼器而不同。
[0115]為了使裝置的操作範圍基本最大化，熱阻尼器的室的體積的最大變化位於迴路的總體積的10%與50%之間。
[0116]總體上，熱阻尼器70將補償槽65中的液體的體積變化DV (此處為體積的減小)。在這種情況下，熱阻尼器70施加在流體上的壓力P對應於室的體積變化DV:
[0117]P = Ptar-K.DV
[0118]即
[0119]P = Ptar.(1-DV/DVmax)
[0120]因此，熱阻尼器70在流體蒸發的點處——也就是說，在迴路熱管35的發生與設備件20的熱傳遞的點處——施加飽和壓力Psat = P。
[0121]因此，可以在觀察到，在DV/Dvmax比I小的情況下，在該示例中，飽和壓力將保持接近Ptar = 10巴，從而處於飽和溫度處，在該飽和溫度處，流體的與設備件20接觸的蒸發區域將保持接近25°C。
[0122]一般而言，熱阻尼器70在比率DV/DVmax較小時更加有效。考慮如下情況:在液體在冷凝器中處於_30°C的操作點處，槽65中的液體的體積的減小DV比熱阻尼器70的室71的最大可能變化DVmax小五倍。流體的飽和壓力從而將等於Psat = 10 bar x(l_l/5)=8 bar。流體的飽和溫度從而將接近+18°C (操作點P2)，並且將在該溫度處而非在不具有熱阻尼器70的情況下的-30°C的溫度處發生設備件20與迴路熱管35之間的熱傳遞。一般而言，有利的是熱阻尼器70的室71的體積的變化位於迴路熱管35中的流體的總體積的10%與50%之間。
[0123]只要沒有限制條件阻止波紋管74伸長(例如限制該波紋管74的行進的抵接件90、91)，則熱阻尼器70的這種效果就將持續。用於熱阻尼器70工作的另一條件為設備件20的熱功率應當足以將流體的溫度從槽65中的_30°C改變至蒸發區域中的+18°C。
[0124]當流體的溫度持續下降而由室71施加的壓力由于波紋管74完全延伸或者處於抵接件處而可能不再傳遞至流體時，迴路熱管35的操作點將移動至與不具有熱阻尼器70的迴路熱管35的操作相對應的非常低的飽和溫度和壓力。
[0125]如圖5b中所示，為了限制超出熱阻尼器70的操作極限的冷卻現象並保護設備件20免於顯著的下方再冷卻，波紋管74的伸長有利地通過例如如下設置而自身引發了流體在迴路熱管35中的循環的終止:在冷凝器45的出口處的流體具有持續降低溫度時在波紋管74的伸長的作用下，波紋管74阻斷了一甚至完全阻塞了一液體從導管50進入槽65中。
[0126]如果外部條件改變並且冷凝器45被再加熱，則必須通過從液體的到達被阻塞的情況開始重新起動迴路熱管35。為了有助於這種起動，有利的是例如通過電阻器對槽65或槽65的上遊處的液體導管50再加熱，以便從而增大了槽65內的流體的溫度和壓力，這將使得室71收縮並將到達的液體釋放，而不需要等待迴路熱管35的全部再加熱。
[0127]在圖5c中示出的實施方式的變體中，室71還包括定位在室71內的彈簧72。彈簧72在迴路熱管35的內壁與波紋管74的板82之間壓縮。當彈簧72具有比波紋管74大得多的剛度時，波紋管74的效用基本上為提供密封防漏並且可變形的壁，室71的體積剛度主要是取決於彈簧72的剛度。熱阻尼器70的操作模式與先前相同。
[0128]在圖5d中示出的另一實施方式中，例如氣體或兩相流體之類的流體73定位在室71內代替彈簧72。由流體73施加的壓力取代了由彈簧72施加的壓力。替代性地，可以以組合的形式使用定位在室71內的彈簧72和流體73。彈簧72的剛度特徵以及/或者流體73的由因體積的變化引起的流體的壓力變化所限定的等同剛度限定了熱阻尼器70的設定壓力。彈簧72的行進以及/或者流體73的體積限定了室71的體積的最大變化，並且從而限定了熱阻尼器70的操作範圍。
[0129]使用由具有形狀記憶的材料製成的金屬波紋管74和/或由具有形狀記憶的材料製成的彈簧72以及/或者流體73可以通過加熱或冷卻金屬波紋管74和/或彈簧72和/或流體73對熱阻尼器70的操作進行改變，特別地對其設定壓力進行改變。當使用彈簧72時，還可以通過利用可以使彈簧72收縮的機構對熱阻尼器70的操作進行修改。
[0130]圖6示出了本發明的根據第二類執行方式的另一實施方式，在該實施方式中，熱阻尼器70的室為容納流體的迴路熱管35的一部分。對於該第二類執行方式而言，「設定壓力」應當理解為表示這樣的額外的外部壓力，其施加在熱阻尼器70上以便人為地增大該熱阻尼器70的體積剛度。熱阻尼器70的密封防漏的並且可變體積的室71此處為槽65的如下本體:該本體的一部分具有金屬波紋管74的形式。波紋管74可以焊接至迴路熱管35的不可變形的壁。室71的體積在流體膨脹時被動地改變。可以重複先前的熱阻尼器70的操作模式描述以便對除如下情況以外的熱阻尼器裝置70在散熱器15的溫度降低時的操作的情況進行描述:在這種情況下，波紋管74的操作被顛倒:波紋管74在迴路熱管35中的流體壓力增大時伸長，該波紋管74在壓力降低時收縮。設定壓力Ptar從而可以有利地被迴路熱管35的操作點處的參考壓力一例如與操作點Pl對應的10巴的壓力一所代替。與先前的實施方式相比僅有的改變在於在迴路熱管35中的流體的溫度和壓力增大時除波紋管74的彈性極限以及從而的強度極限外，沒有任何部分阻止波紋管74的伸長。
[0131]圖7a示出了在熱阻尼器70處於其操作範圍內的情況下冷凝器45的溫度趨勢(曲線102)以及蒸發器40的蒸發區域中的飽和溫度趨勢(曲線103)。曲線103遵循了曲線102的變化，但是在曲線102的趨勢為-50°C與20°C之間時，曲線103保持在18°C與20°C之間的溫度範圍內。藉助於熱阻尼器70，飽和溫度(曲線103)從而沒有隨時間而受到較大的變化。
[0132]圖7b示出了在熱阻尼器70背離其操作範圍的情況下冷凝器45的溫度趨勢(曲線104)以及蒸發器40的蒸發區域中的飽和溫度(曲線105)。曲線105遵循了曲線104的變化，但是在曲線104的趨勢為-50°C與20°C之間時，曲線105保持在18°C與20°C之間的溫度範圍內。當曲線104降至低於-50°C時，曲線105終止降落以在18°C處穩定。這是因為流體的循環被如圖6b中所示出的波紋管74終止。藉助於熱阻尼器70，飽和溫度(曲線103)從而沒有隨時間而受到較大的變化。
[0133]藉助於本發明，由設備件20供應的能量總是被傳送至輻射表面15，這防止了旁路技術所遇到的如下問題:例如冷凝器45的短路以及從而需要對冷凝器45再加熱以避免所述冷凝器45中的隨後將不再處於運動狀態下的流體的凍結。此外，本發明可以藉助於液壓阻尼器70減小來源於輻射表面15的溫度振蕩。本發明從而與使用具有相變的材料的系統不同，本發明的調節能力不隨時間而受限制。
[0134]與諸如再加熱系統之類的主動系統不同，本發明的冷卻裝置較為簡單並且不受消耗功率方面的限制。
[0135]與諸如旁路式的的裝置或具有相變的材料之類的主動系統不同，本發明的冷卻裝置在某些溫度範圍內不受操作和穩定性的限制。
[0136]與包括排氣閥的冷卻裝置不同，本發明的冷卻裝置避免了注入可能會使迴路熱管35終止的加壓氣體。
[0137]圖8示出了用於生產冷卻裝置的方法。該方法包括選擇與飽和溫度為Tmax並且飽和壓力為Pmax的操作點對應的設定壓力Pmax的第一步驟120。第二步驟121為選擇小於飽和溫度Tmax的與飽和壓力Psat對應的最小的飽和溫度Tsat，以及第三步驟122為選擇最小的溫度Tmin,使得該最小的溫度Tmin小於最小的飽和溫度Tsat。在步驟123中，計算毛細迴路熱管35中的流體在飽和溫度Tmax和飽和壓力Pmax的操作點與液體處於最小的溫度Tmin並且蒸汽處於最小的飽和溫度Tsat的操作點之間的體積和分布變化。隨後，在步驟124中，熱阻尼器70所處的操作點處計算流體在這兩個操作點之間的體積變化DV。在步驟125中，生產密封防漏室71，對於其而言設定壓力等於Pmax的可變體積，體積的最大變化大於或等於體積的變化DV，並且就最大的體積變化而言，體積剛度大致等於飽和壓力與最小飽和壓力之間的差值與體積的變化之間的比例(Pmax-Psat)/DV0
[0138]此外，有利的是在步驟126中對熱阻尼器70的體積的變化DV和體積剛度進行調節，使得在操作點的溫度降至給定閾值以下時自動執行阻斷。
【權利要求】
1.一種適於調節熱源(20)的溫度的冷卻裝置(30)，所述冷卻裝置(30)包括至少一個毛細迴路熱管(35)，所述至少一個毛細迴路熱管(35)由以下形成: -毛細蒸發器(40)，所述毛細蒸發器(40)連結至至少一個流體的槽(65)， -至少一個冷凝器(45)， -在所述毛細迴路熱管(35)中循環的傳熱流體， -導管(50)，所述傳熱流體在所述導管(50)中主要以液體狀態循環， -導管(60)，所述傳熱流體在所述導管￠0)中主要以氣體狀態循環， -所述導管(50、60)，所述導管(50、60)將所述蒸發器(40)連結至所述冷凝器(45)以形成閉合的流體循環迴路， 其特徵在於，所述冷卻裝置還包括被稱作為「熱阻尼器」的裝置(70)，所述裝置(70)由包括如下體積剛度的可變體積的密封防漏室(71)構成，所述體積剛度適於所述可變體積的密封防漏室(71)根據所述毛細迴路熱管(35)中的流體的體積和分布的變化而在所述毛細迴路熱管(35)的給定操作範圍內被動地變形。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述可變體積的密封防漏室(71)呈波紋管(74)的形式。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，所述可變體積的密封防漏室(71)被密封並位於所述毛細迴路熱管(35)內。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述可變體積的密封防漏室(71)包括可變形的且氣密-密封的罩以及定位在所述可變形罩內的彈簧(72)。
5.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述可變體積的密封防漏室(71)包括可變形的且氣密-密封的罩以及定位在所述可變形罩內的流體(73)。
6.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述可變體積的密封防漏室(71)包括氣密-密封的可變形罩以及定位在所述可變形罩內的彈簧(72)和流體(73)。
7.根據權利要求3至6中的任一項所述的裝置，其特徵在於，所述熱阻尼器(70)定位在所述毛細蒸發器(40)的所述槽(65)內。
8.根據權利要求3至6中的任一項所述的裝置，其特徵在於，所述熱阻尼器(70)定位在所述迴路熱管(35)的位於所述冷凝器(45)的下遊處的一部分中，所述傳熱流體的液相主要位於所述冷凝器(45)的下遊處。
9.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，所述可變體積的密封防漏室(71)為所述毛細迴路熱管(35)的容納流體的一部分。
10.根據權利要求9所述的裝置，其特徵在於，所述可變體積的密封防漏室(71)為所述毛細蒸發器(40)的所述槽(65)的一部分。
11.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述體積剛度適於所述傳熱流體的飽和壓力並且例如對於氨而言具有每立方釐米一巴至幾十巴的值。
12.根據權利要求1至11中的任一項所述的裝置，其特徵在於，所述熱阻尼器(70)的所述室的體積的所述最大變化位於所述迴路熱管(35)的總體積的10%與50%之間。
13.根據權利要求1至12中的任一項所述的裝置，其特徵在於，能夠使用至少一個機械抵接件(90、91)來限制所述可變體積的密封防漏室(71)的體積的變化。
14.根據權利要求1至13中的任一項所述的裝置，其特徵在於，所述冷卻裝置還包括修改所述熱阻尼器(70)的設定壓力的校準裝置。
15.根據權利要求1至14中的任一項所述的裝置，其特徵在於，所述可變體積的密封防漏室(71)的體積的增大在所述體積達到給定值時被動地阻斷所述毛細迴路熱管(35)的所述槽(65)中的液體的到達。
16.根據權利要求15所述的裝置，其特徵在於，所述冷卻裝置還包括再加熱系統，所述再加熱系統能夠增大與所述熱阻尼器(70)接觸的流體的溫度和壓力，從而有助於所述迴路熱管(35)基於所述槽中的液體的到達被阻塞的狀態的重啟動。
17.一種用於生產根據前述權利要求中的任一項所限定的用於調節熱源的溫度的冷卻裝置的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟: -選擇(120)與限定了飽和溫度(Tmax)和飽和壓力(Pmax)的操作點對應的設定壓力(Pmax)， -選擇(121)小於所述操作點的所述飽和溫度(Tmax)的最小飽和溫度(Tsat)，所述最小飽和溫度(Tsat)對應於最小飽和壓力(Psat)， -選擇(122)最小溫度(Tmin),使得所述最小溫度(Tmin)小於所述最小飽和溫度(Tsat), -計算(123)所述毛細迴路熱管(35)中的所述流體在具有用於飽和溫度(Tmax)和飽和壓力(Pmax)的操作點與所述液體處於最小溫度(Tmin)處並且所述蒸汽處於最小飽和溫度(Tsat)處的操作點之間的體積和分布的變化， -計算(124)所述流體在所述熱阻尼器(70)所處位置處的所述兩個操作點之間的體積的變化(DV)， -生產(125)可變體積的密封防漏室(71)，所述可變體積的密封防漏室(71)的設定壓力等於所述最小飽和壓力(Pmax)，所述最大的體積的變化大於或等於所述體積的變化(DV)，並且對所述最大的體積的變化而言，所述體積剛度大致等於所述飽和壓力與所述最小飽和壓力之間的差值與所述體積的變化之間的比率((Pmax-Psat)/DV)。
18.根據權利要求17所述的用於生產所述冷卻裝置的方法，其特徵在於，所述方法還包括以下步驟: -調節(126)所述熱阻尼器(70)的所述體積剛度以及所述體積的變化(DV)，使得所述可變體積的密封防漏室(71)的體積的增大在所述體積達到給定值時被動地阻斷所述毛細迴路熱管(35)的所述槽(65)中的液體的到達。
19.根據權利要求18所述的用於生產所述冷卻裝置的方法，其特徵在於，所述阻斷在所述操作點的溫度降落至低於給定閾值時自動執行。
20.—種包括至少一個輻射表面(15)的衛星(10)，其特徵在於，所述衛星(10)配備有根據權利要求1至16中的任一項所述的冷卻裝置，所述冷卻裝置包括與承受環境的溫度變化的所述輻射表面(15)熱接觸的冷凝器(45)。
【文檔編號】F28D15/02GK104246407SQ201380014467
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年1月11日 優先權日:2012年1月13日
【發明者】克裡斯託夫·菲居斯 申請人:阿斯特裡姆有限公司