180K-200K大冷量低温回路热管的研究

发布时间：2017-11-11 03:21

  本文关键词：180K-200K大冷量低温回路热管的研究

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【摘要】：随着空间探测技术的快速发展,空间光学成像/探测系统对制冷量的需求越来越多,尤其是大规模焦平面探测技术和低温光学系统的应用,对制冷功率的需求达到了几十瓦甚至上百瓦,因此需要使用大冷量的制冷机进行冷却。高空间分辨率的光学系统对空间位置、应力变形以及振动极为敏感,制冷机的振动及电磁干扰会对光学成像系统造成一定的影响,因此需要通过柔性的传输方案将制冷机冷头的冷量传输到探测器、焦平面或低温光学上。低温回路热管是一种高效、被动式的两相换热设备,由于蒸发器和冷凝器是通过柔性的气体管线和液体管线连接,因而可以满足各种空间布局要求,实现冷量的长距离传输,抑制制冷机振动对光学和探测系统的影响。为了满足我国未来大型巡天光学系统的大冷量需求,本文开展了180K~200K大冷量低温回路热管的研究。本文以大规模巡天项目实际需求为目标,对低温回路热管进行了工质选择及部件设计。在冷凝器设计过程中,根据微通道换热器技术具有高效、轻量、紧凑的特点,设计并制作了两种微通道冷凝器:并行微通道冷凝器和蛇形微通道冷凝器。针对补偿器与蒸发器之间的连接结构,设计了一种新型的液体引管结构,并采用镍粉烧结多孔材料为毛细芯,乙烷为工质,设计并制作了两套低温回路热管装置CLHP1和CLHP2。通过实验研究,两套低温回路热管样机均能实现213K@54W的传热量,比较了两种微通道冷凝器的进出口温差,并行微通道冷凝器两端温差小,温度分布均匀,蛇形微通道冷凝器进出口温差大,温度梯度大,分析原因为结构不同造成流体在冷凝器内的流动过程存在差异。针对CLHP1和CLHP2工作温度偏高的问题,分析了漏热的影响,指出吸液芯热导率较大,导致毛细芯的径向漏热较大是造成温差较大的主要原因,并利用数学模型进行了仿真,与实验数据进行比较,结果比较吻合。并利用数学仿真模型,对毛细芯热导率为5W/(m·K)、2W/(m·K)以及1W/(m·K)时的温差进行了仿真,为今后的改进指明了方向。为研究不同热导率吸液芯的影响,采用热导率较低的氮化硅陶作为瓷吸液芯,从加工精度、安装工艺等方面对比分析了氮化硅陶瓷多孔材料与镍粉烧结吸液芯的区别。采用氮化硅陶瓷毛细芯制作了两套低温回路热管CLHP1A和CLHP2A。对CLHP1A进行了实验研究,该低温回路热管的传热能力达到了192K@52W。实验发现氮化硅陶瓷热扩散系数较高,造成蒸发器核心内的工质容易被加热气化,造成低温回路热管CLHP1A和CLHP2A可能启动失败的问题,对未进行有效除气情况下不凝性气体对CLHP2A性能的影响进行了分析。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK172.4

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本文编号：1169593