一種適應熱沖擊的蒸發器匹配設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種適應熱沖擊的蒸發器匹配設計方法。使用本發明能夠使同位素核熱源與蒸發器在-30℃～265℃任意溫度時均接觸良好，確保重力驅動兩相流體回路的蒸發器和同位素核熱源之間能夠實現有效的熱耦合。本發明通過優化設計，選擇合適的基準溫度計算流體回路蒸發器尺寸，有意識地使得蒸發器在制造時尺寸偏大，可以有效解決月晝高溫時同位素核熱源套筒變形量過大造成的應力損傷風險，同時還能確保月夜低溫時，處于中心位置的同位素核熱源套筒收縮量小于處于外部的流體回路蒸發器的收縮量，兩者將產生擠壓變形，接觸良好。
【專利說明】一種適應熱沖擊的蒸發器匹配設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及航天器熱控制【技術領域】，尤其涉及一種適應熱沖擊的蒸發器匹配設計 方法。
【背景技術】
[0002] 在嫦娥三號巡視器和著陸器的熱控設計中均采用重力驅動兩相流體回路作為艙 外同位素核熱源（RHU)與艙內設備間的熱傳輸通道，從而實現艙內設備的月夜保溫。兩相 流體回路系統組成如圖1所示，包括蒸發器1 (包括絲網蒸發器7、液體分流器8和蒸氣匯流 器9)、蒸氣管路2、冷凝管路3、儲液器4、液體管路6和控制閥5,其中，冷凝管路3位于儲液 器4重力場上方、并與鋁蜂窩結構板10耦合安裝，蒸發器1位于儲液器4重力場的下方、并 與同位素核熱源耦合安裝，儲液器4內液面和蒸發器1底部之間形成重力輔助高度差；儲液 器4通過液體管路6連接至蒸發器1入口，在液體管路6上設有控制閥5，蒸發器1出口依 次通過蒸氣管路2、冷凝管路3連接至儲液器4,形成封閉的管路系統。其中，流體回路材料 為不銹鋼，工質為氨。月夜期間，控制閥5處于打開狀態，蒸發器1從同位素核熱源吸收熱 量，4個絲網蒸發器7中的工質氨吸熱蒸發，流到蒸氣匯流器9中，沿蒸氣管路2流到冷凝管 路3中冷凝并釋放熱量，液態氨流入儲液器4中，工質氨在重力驅動下流出儲液器4，經過控 制閥5、液體管路6、液體分流器8,最終回流到蒸發器1中。在月晝期間，控制閥5處于關閉 狀態，閥門5后的部分液體管路5、液體分流器8、絲網蒸發器7、蒸氣匯流器9、蒸氣管路2、 部分冷凝管路3內的氨將保持氣態工質氨。由于同位素核熱源向冷凝管路4(即儀器設備 所在處）的漏熱主要靠不銹鋼管路和蒸氣工質的傳熱，這時從同位素核熱源引入冷凝管路 的熱量很少。
[0003] 同位素核熱源（Radioisotope Heater Unite，RHU)是利用同位素核源衰變時產生 熱量的裝置，包括同位素熱源套筒和安裝在同位素熱源套筒內的同位素核源；同位素熱源 套筒設有與探測器連接的機械接口和與重力驅動兩相流體回路連接的熱接口。
[0004] 為減少同位素核熱源的損耗，需要同位素熱源套筒與蒸發器1的內壁緊密安裝， 而同位素熱源套筒和蒸發器會經歷月晝265°C高溫、月夜-30°c低溫的大幅度溫度變化，由 于同位素熱源套筒（采用2A12鋁合金）和蒸發器1 (選用316L不銹鋼）材料的膨脹系數不 同，在-30°C?265°C溫度變化時，會由于造成應力損壞，導致兩者出現接觸不良，蒸發器與 同位素核熱源之間不能有效熱耦合，從而造成同位素核熱源熱量不能有效傳導至蒸發器， 進而影響探測器設備的保溫效果。
[0005] 因此，需要對蒸發器尺寸進行匹配設計，使得在-30°c?265°C任意溫度時，同位 素核熱源與蒸發器均接觸良好。
【發明內容】
[0006] 有鑒于此，本發明提供了一種適應熱沖擊的蒸發器匹配設計方法，能夠使同位素 核熱源與蒸發器在-30°C?265°C任意溫度時均接觸良好，確保重力驅動兩相流體回路的 蒸發器和同位素核熱源之間能夠實現有效的熱耦合。
[0007] 本發明的適應熱沖擊的蒸發器匹配設計方法包括如下步驟：
[0008] 步驟1，選擇一個基準溫度，計算該基準溫度下的同位素熱源套筒尺寸，根據該基 準溫度下的同位素熱源套筒尺寸設計流體回路蒸發器尺寸，使得同位素熱源套筒與蒸發器 外壁緊密接觸；
[0009] 步驟2,根據同位素核熱源套筒和蒸發器的材料膨脹系數，以及同位素核熱源套 筒和蒸發器的空間典型在軌溫度，計算月晝高溫下同位素核熱源套筒和蒸發器的膨脹變形 量，以及月夜低溫下同位素核熱源套筒和蒸發器的收縮變形量；
[0010] 步驟3,根據步驟2獲得的膨脹變形量和收縮變形量，判斷在任何在軌溫度下，同 位素核熱源套筒與蒸發器之間是否滿足令同位素核熱源套筒與蒸發器之間保持擠壓的熱 匹配條件且同位素核熱源套筒與蒸發器各自的線脹變形量最小；所述同位素核熱源套筒與 蒸發器之間保持擠壓的熱匹配條件為：月晝時，同位素核熱源套筒膨脹量大于流體回路蒸 發器的膨脹量，月夜時，同位素核熱源套筒收縮量小于流體回路蒸發器的收縮量；所述同位 素核熱源套筒與蒸發器各自的線脹變形量最小的判斷依據為：膨脹量與收縮量相等或近似 相等；
[0011] 步驟4,如果匹配且線脹變形量最小，則蒸發器尺寸為步驟1中獲得的蒸發器尺 寸；如果不匹配或線脹變形量不是最小，則重新選擇基準溫度，返回步驟1 ;其中，基準溫度 選擇依據如下：如果步驟3中是月晝不匹配或膨脹量大于收縮量，則提高基準溫度；如果是 月夜不匹配或膨脹量小于收縮量，則降低基準溫度。
[0012] 進一步地，所述基準溫度的初始值為同位素核熱源在地面常溫大氣下的平衡溫 度。
[0013] 進一步地，蒸發器上用于安裝同位素核熱源套筒的安裝孔的尺寸大于安裝螺釘尺 寸。
[0014] 有益效果：
[0015] (1)采用本發明方法能夠保證_30°C?265°C全溫區范圍內，同位素核源套筒與流 體回路蒸發器之間接觸良好，確保流體回路蒸發器與核熱源之間能夠實現有效的熱耦合。
[0016] (2)通過優化設計，選擇合適的基準溫度計算流體回路蒸發器尺寸，有意識地使得 蒸發器在制造時尺寸偏大，可以有效解決月晝高溫時同位素核熱源套筒變形量過大造成的 應力損傷風險。同時還能確保月夜低溫時，處于中心位置的同位素核熱源套筒收縮量小于 處于外部的流體回路蒸發器的收縮量，兩者將產生擠壓變形，接觸良好。
[0017] (3)對于同位素核熱源真實件與流體回路蒸發器固定采用了安裝孔適當放大的方 法進行安裝，可以有效避免熱變形造成的固定安裝的不匹配問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 圖1為重力驅動兩相流體回路示意圖。
[0019] 圖2為本發明流程圖。
[0020] 其中，1-蒸發器，2-蒸汽管路，3-冷凝管路路，4-儲液器，5-控制閥，6-液體管路， 7-絲網蒸發器，8-液體分流器，9-蒸汽匯流器，10-鋁蜂窩結構板，11-同位素核熱源。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖并舉實施例，對本發明進行詳細描述。
[0022] 本發明提供了一種適應熱沖擊的蒸發器匹配設計方法。
[0023] 同位素核熱源套筒采用鋁合金2A12制造，重力驅動兩相流體回路蒸發器選用 316L不銹鋼，兩者熱膨脹系數如表1所示。
[0024] 表I RHU與流體回路材料膨脹系數表（X KT6mIT1)
[0025]
【權利要求】
1. 一種適應熱沖擊的蒸發器匹配設計方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1，選擇一個基準溫度，計算該基準溫度下的同位素熱源套筒尺寸，根據該基準溫 度下的同位素熱源套筒尺寸設計流體回路蒸發器尺寸，使得同位素熱源套筒與蒸發器外壁 緊密接觸； 步驟2,根據同位素核熱源套筒和蒸發器的材料膨脹系數，以及同位素核熱源套筒和蒸 發器的空間典型在軌溫度，計算月晝高溫下同位素核熱源套筒和蒸發器的膨脹變形量，以 及月夜低溫下同位素核熱源套筒和蒸發器的收縮變形量； 步驟3,根據步驟2獲得的膨脹變形量和收縮變形量，判斷在任何在軌溫度下，同位素 核熱源套筒與蒸發器之間是否滿足令同位素核熱源套筒與蒸發器之間保持擠壓的熱匹配 條件且同位素核熱源套筒與蒸發器各自的線脹變形量最小；所述同位素核熱源套筒與蒸發 器之間保持擠壓的熱匹配條件為：月晝時，同位素核熱源套筒膨脹量大于流體回路蒸發器 的膨脹量，月夜時，同位素核熱源套筒收縮量小于流體回路蒸發器的收縮量；所述同位素核 熱源套筒與蒸發器各自的線脹變形量最小的判斷依據為：膨脹量與收縮量相等或近似相 等； 步驟4,如果匹配且線脹變形量最小，則蒸發器尺寸為步驟1中獲得的蒸發器尺寸；如 果不匹配或線脹變形量不是最小，則重新選擇基準溫度，返回步驟1 ;其中，基準溫度選擇 依據如下：如果步驟3中是月晝不匹配或膨脹量大于收縮量，則提高基準溫度；如果是月夜 不匹配或膨脹量小于收縮量，則降低基準溫度。
2. 如權利要求1所述的適應熱沖擊的蒸發器匹配設計方法，其特征在于，所述基準溫 度的初始值為同位素核熱源在地面常溫大氣下的平衡溫度。
3. 如權利要求1所述的適應熱沖擊的蒸發器匹配設計方法，其特征在于，蒸發器上用 于安裝同位素核熱源套筒的安裝孔的尺寸大于安裝螺釘尺寸。
【文檔編號】F25B39/02GK104501473SQ201410720989
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月2日 優先權日:2014年12月2日
【發明者】寧獻文, 張紅星, 苗建印, 劉自軍, 向艷超, 陳建新 申請人:北京空間飛行器總體設計部