用于低温两相回路传热的基于磁致伸缩致动微型流体泵的研究
发布时间：2021-05-15 01:44
机械泵驱动两相流体回路散热（MPTL）技术是通过机械泵驱动流体工质循环于换热器之间进行相变实现热量传输的技术。作为新型的主动热控制技术,因其具有良好的传热效率以及较高的可靠性,能适应空间载荷日益增长的高热流密度散热需求,在空间热管理以及电子元器件温控领域有着良好的的应用前景。本文针对国内外有关应用于两相流体回路泵的开发相对较少的现状,设计了一款磁致伸缩驱动的隔膜式金属微泵。通过理论以及仿真分析,得到了整机的设计参数以及优化方案,研制样机并对其流动性能进行了测试,最终搭载微槽道换热器同时以氨为工质进行了多温区传热性能实验,验证了其有效性。本文首先对近年来泵流体散热技术的背景以及研究进展进行了调研和归纳,并对其驱动方式进行分析比较。用于流体回路的泵的驱动形式多采用旋转动力类,如离心泵及齿轮泵,鲜有关于往复位移式的泵用于两相传热回路的报道。在详细比较微泵结构形式、材料物性以及驱动方式的优劣基础上,分析了隔膜振动式微泵用于流体回路的可行性,进而确定磁致伸缩驱动的金属隔膜泵作为本课题的主要研究对象。超磁致伸缩材料（GMM）在交变磁场中可发生周期性地应变,其变形规律由压磁方程决定,该材料配合驱动线...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)上海市
【文章页数】：141 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
符号说明表
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 泵流体回路特性及研究现状
1.3 微型流体泵研究现状
1.3.1 常见隔膜式微型泵以及研究进展
1.3.2 本课题隔膜微泵基本结构形式分析
1.4 本文主要研究内容
第二章 磁致伸缩致动器(GMA)的设计与实验研究
2.1 磁致伸缩材料简介
2.2 磁致伸缩致动器理论分析以及参数化设计
2.2.1 GMA解析磁路分析
2.2.2 电磁参数理论分析以及优化依据
2.2.3 电磁有限元分析
2.3 GMA实验测试以及研究
2.3.1 致动器测试系统介绍
2.3.2 通电线圈直流偏置GMA实验测试
2.4 永磁体偏置致动器设计与实验研究
2.4.1 基于永磁体提供磁偏置的方案设计
2.4.2 永磁体偏置方案的有限元仿真校核
2.4.3 包含永磁体偏置的GMA实验测试与分析
2.5 本章小结
第三章 金属隔膜泵的设计理论与实验研究
3.1 微泵设计理论
3.1.1 压缩比
3.1.2 基于小挠度理论的隔膜变形分析
3.1.3 微型泵内部耦合场分析
3.2 微型阀门理论分析及设计
3.2.1 微型阀门的相关研究进展
3.2.2 阀门设计理论
3.3 微泵参数设计及有限元仿真
3.3.1 隔膜与导杆参数
3.3.2 泵腔高度
3.3.3 阀门结构
3.4 基于共振系统的微泵优化方案
3.5 本章小结
第四章 GMA隔膜泵流体驱动性能的实验研究
4.1 实验测试系统
4.1.1 测试仪器布局方案
4.1.2 测试步骤
4.2 流动特性测试
4.3 基于共振弹性系统的隔膜泵实验探究
4.3.1 隔膜刚度校核测试
4.3.2 具有不同螺旋臂的弹性连杆的刚度测试
4.3.3 螺旋臂导杆与铍青铜隔膜的耦合振动试验
4.4 本章小结
第五章 GMA隔膜泵驱动流体散热回路的实验研究
5.1 实验系统介绍
5.1.1 系统冷源
5.1.2 蒸发器
5.1.3 冷凝器
5.1.4 氨充装系统
5.2 基于乙醇工质的单相回路测试以及漏热标定
5.2.1 系统方案
5.2.2 实验测试结果
5.2.3 回路漏热分析
5.2.4 误差分析
5.3 氨工质两相散热回路实验研究
5.3.1 系统方案
5.3.2 氨回路测试结果
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 本文工作总结
6.2 本文主要创新点
6.3 下一步工作与展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]微泵驱动流体回路主动热控系统在轨测试试验研究[J]. 曹建光,顾燕萍,陈钢,孙伟伟,王江,刘冈云. 航天器环境工程. 2017(04)
[2]高热流散热泵驱两相流体回路设计及飞行验证[J]. 于新刚,徐侃,苗建印,王德伟,赵欣,范含林,菅鲁京,张红星. 宇航学报. 2017(02)
[3]一种应用在航天回路热控系统上的二氧化碳两相冷凝器防冻设计的数值模拟[J]. 黄臻成,莫冬传,吕树申,何振辉. 工程热物理学报. 2009(01)
[4]二氧化碳两相冷却系统的特性[J]. 刘杰,李杨,裴念强,郭开华,何振辉,顾建明. 上海交通大学学报. 2008(01)
[5]低压闪蒸液滴形态和温度变化的研究[J]. 刘伟民,毕勤成,刘璐,纪育强. 工程热物理学报. 2007(06)
[6]机械泵两相冷却系统过热现象的实验研究[J]. 刘杰,裴念强,李廷勋,郭开华,何振辉. 中山大学学报(自然科学版). 2007(06)
[7]环路热管启动特性的实验研究[J]. 张红星,林贵平,丁汀,邵兴国,R.G.Sudakov,Y.F.Maidanik. 中国科学E辑:工程科学 材料科学. 2005(01)
[8]基于MEMS的微泵研究进展[J]. 王沫然,李志信. 传感器技术. 2002(06)
[9]超磁致伸缩执行器在机电工程中的应用研究现状[J]. 郭东明,杨兴,贾振元,武丹. 中国机械工程. 2001(06)
博士论文
[1]航天热控用机械驱动CO2两相系统的数值模拟及控温特性分析[D]. 黄臻成.中山大学 2008
[2]航天机械泵驱动两相流冷却环路循环特性的研究[D]. 刘杰.上海交通大学 2008
[3]基于MEMS技术的微阀和微泵的设计与研制[D]. 耿照新.中国科学院研究生院（电子学研究所） 2007
[4]大冷量斯特林制冷机用动磁式直线压缩机关键部件及整机性能研究[D]. 陈楠.上海交通大学 2007
本文编号：3186705
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)上海市
【文章页数】：141 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
符号说明表
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 泵流体回路特性及研究现状
1.3 微型流体泵研究现状
1.3.1 常见隔膜式微型泵以及研究进展
1.3.2 本课题隔膜微泵基本结构形式分析
1.4 本文主要研究内容
第二章 磁致伸缩致动器(GMA)的设计与实验研究
2.1 磁致伸缩材料简介
2.2 磁致伸缩致动器理论分析以及参数化设计
2.2.1 GMA解析磁路分析
2.2.2 电磁参数理论分析以及优化依据
2.2.3 电磁有限元分析
2.3 GMA实验测试以及研究
2.3.1 致动器测试系统介绍
2.3.2 通电线圈直流偏置GMA实验测试
2.4 永磁体偏置致动器设计与实验研究
2.4.1 基于永磁体提供磁偏置的方案设计
2.4.2 永磁体偏置方案的有限元仿真校核
2.4.3 包含永磁体偏置的GMA实验测试与分析
2.5 本章小结
第三章 金属隔膜泵的设计理论与实验研究
3.1 微泵设计理论
3.1.1 压缩比
3.1.2 基于小挠度理论的隔膜变形分析
3.1.3 微型泵内部耦合场分析
3.2 微型阀门理论分析及设计
3.2.1 微型阀门的相关研究进展
3.2.2 阀门设计理论
3.3 微泵参数设计及有限元仿真
3.3.1 隔膜与导杆参数
3.3.2 泵腔高度
3.3.3 阀门结构
3.4 基于共振系统的微泵优化方案
3.5 本章小结
第四章 GMA隔膜泵流体驱动性能的实验研究
4.1 实验测试系统
4.1.1 测试仪器布局方案
4.1.2 测试步骤
4.2 流动特性测试
4.3 基于共振弹性系统的隔膜泵实验探究
4.3.1 隔膜刚度校核测试
4.3.2 具有不同螺旋臂的弹性连杆的刚度测试
4.3.3 螺旋臂导杆与铍青铜隔膜的耦合振动试验
4.4 本章小结
第五章 GMA隔膜泵驱动流体散热回路的实验研究
5.1 实验系统介绍
5.1.1 系统冷源
5.1.2 蒸发器
5.1.3 冷凝器
5.1.4 氨充装系统
5.2 基于乙醇工质的单相回路测试以及漏热标定
5.2.1 系统方案
5.2.2 实验测试结果
5.2.3 回路漏热分析
5.2.4 误差分析
5.3 氨工质两相散热回路实验研究
5.3.1 系统方案
5.3.2 氨回路测试结果
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 本文工作总结
6.2 本文主要创新点
6.3 下一步工作与展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]微泵驱动流体回路主动热控系统在轨测试试验研究[J]. 曹建光,顾燕萍,陈钢,孙伟伟,王江,刘冈云. 航天器环境工程. 2017(04)
[2]高热流散热泵驱两相流体回路设计及飞行验证[J]. 于新刚,徐侃,苗建印,王德伟,赵欣,范含林,菅鲁京,张红星. 宇航学报. 2017(02)
[3]一种应用在航天回路热控系统上的二氧化碳两相冷凝器防冻设计的数值模拟[J]. 黄臻成,莫冬传,吕树申,何振辉. 工程热物理学报. 2009(01)
[4]二氧化碳两相冷却系统的特性[J]. 刘杰,李杨,裴念强,郭开华,何振辉,顾建明. 上海交通大学学报. 2008(01)
[5]低压闪蒸液滴形态和温度变化的研究[J]. 刘伟民,毕勤成,刘璐,纪育强. 工程热物理学报. 2007(06)
[6]机械泵两相冷却系统过热现象的实验研究[J]. 刘杰,裴念强,李廷勋,郭开华,何振辉. 中山大学学报(自然科学版). 2007(06)
[7]环路热管启动特性的实验研究[J]. 张红星,林贵平,丁汀,邵兴国,R.G.Sudakov,Y.F.Maidanik. 中国科学E辑:工程科学 材料科学. 2005(01)
[8]基于MEMS的微泵研究进展[J]. 王沫然,李志信. 传感器技术. 2002(06)
[9]超磁致伸缩执行器在机电工程中的应用研究现状[J]. 郭东明,杨兴,贾振元,武丹. 中国机械工程. 2001(06)
博士论文
[1]航天热控用机械驱动CO2两相系统的数值模拟及控温特性分析[D]. 黄臻成.中山大学 2008
[2]航天机械泵驱动两相流冷却环路循环特性的研究[D]. 刘杰.上海交通大学 2008
[3]基于MEMS技术的微阀和微泵的设计与研制[D]. 耿照新.中国科学院研究生院（电子学研究所） 2007
[4]大冷量斯特林制冷机用动磁式直线压缩机关键部件及整机性能研究[D]. 陈楠.上海交通大学 2007
本文编号：3186705
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