适于调节卫星的热源的温度的冷却装置和用于生产相关联的冷却装置和卫星的方法
【专利摘要】本发明基本上涉及一种适于调节卫星的热源的温度的冷却装置(30)，该冷却装置(30)包括由以下形成的至少一个流体回路(35)：蒸发器(40)，该蒸发器(40)包括槽；至少一个冷凝器(45)；两个导管，所述两个导管将蒸发器(40)连接至冷凝器(45)；在流体回路(35)内流动的传热流体，其特征在于，所述冷却装置(30)还包括被称作为液压阻尼器的用于向流体回路加压的装置，该装置包括可变体积的装置，所述可变体积的装置具有基于流体回路(35)的操作温度而改变的体积以便在流体回路(35)内提供大致恒定的温度。
【专利说明】适于调节卫星的热源的温度的冷却装置和用于生产相关联的冷却装置和卫星的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种适于调节热源的温度的冷却装置以及用于生产相关联的冷却装置和卫星的方法。
【背景技术】
[0002]本发明能够特别有利地应用于安置在温度可能会经受显著变化的环境中的耗散设备的温度调节领域中。耗散设备应当理解为表示在操作时容纳热源的任何类型的设备或设备组。该设备可以为电子设备、电子设备中的部件、产生热的任何其它的非电子系统。
[0003]已知适于控制嵌入在车辆中的设备的温度的装置包括通常被称作为毛细回路热管的具有毛细泵送作用的两相流体传递回路或简单的回路热管，从而将耗散设备热连接至一个或更多个热辐射器或辐射表面。该回路热管可以通过将毛细作用用作运动压力并将液相/汽相的改变用作能量传输装置而将来自热源——例如耗散设备——的热能传输至例如福射表面的散热器。
[0004]回路热管通常包括用于从热源提取热的蒸发器以及用于在散热器处重新存储该热的冷凝器。蒸发器和冷凝器通过传热流体在其中以在回路热管的较冷部分中的主要的液体状态循环的导管以及该相同的传热流体在其中以其较热部分中的主要的气体状态循环的导管连结。蒸发器包括流体的槽以及确保通过毛细作用将处于液相的传热流体泵送至蒸发区域。
[0005]图1描述了此处以横截面的形式示出的特定类型的毛细回路热管，但是这种类型仅为代表性的。毛细结构附近的流体的槽具有区别性，其可以有利地为微孔块。该槽接收来自冷凝器的液体，并且微孔块通过毛细作用将该液体送至蒸发区域。
[0006]毛细回路热管的正常操作状态为两相状态，流体处于在回路热管中的液体和蒸汽两种状态下。在回路热管根据传热流体的体积和流率相对于对将由热源耗散的热传输至散热器的需求而良好地定尺寸的情况下实现了这种状态。下文在说明中，“回路热管的操作点”将用于指示流体在蒸发器处蒸发所处的饱和温度和压力。因此，在流体的就温度和压力而言的状态空间中，回路热管的操作点位于使流体的两种液体状态和蒸汽状态分离的Clapeyron曲线上。图2示出了毛细回路热管的不同操作点，在该毛细回路热管中传热流体为氨。图中指示了三个操作点P1、P2和P3。这些点与回路热管中的由氨的饱和温度和压力对所确定的流体的状态对应，此处给出的其数值大约为(为了此处的目的，仅给出了大小值):P1: (25°C、10 巴)、P2 (18°C、8 巴)、P3 (-33°C、I 巴)。
[0007]此处应当想到，当毛细回路热管在诸如P1、P2和P3之类的操作点附近以稳定状态操作时(从而在起始相的外部、过渡相、故障的情况等)，流体的温度和压力根据其(冷凝器、槽、微孔块、导管的)当前位置在此回路热管内改变，这是主要是因为微孔块中的流体的上方再加热、冷凝器中的液体下方再冷却、系统中的压头损失、微孔块内的毛细压力等。但是，这些变化非常小:通常是在温度方面的几度以及在压力方面的几千帕(Pascals)，热交换中的大部分热交换必须最佳地通过改变流体的状态来实现，因此在饱和曲线附近。在稳定状态操作的所有情况下，这些改变相比于此处要考虑的热环境的更大的变化一特别地，热源的热功率以及/或者散热器的温度一而言将可以被忽略。
[0008]回路热管的操作点来源于一方面在冷凝器处冷却的到达槽中的流体的流率和温度与另一方面通过对容纳在蒸发器和槽中的流体的热源再加热之间的平衡。对于由热源传递的同一热功率而言，假定回路热管处于操作点Pl处，也就是说处于25°c的蒸发温度处，并且冷凝器的温度降低至_30°C。这将具有了降低在槽的进口处以及在槽中的液体的温度的效果。由于此，流体的体积将收缩，这导致回路热管中的流体压力下降。流体的蒸发温度因此也将下降，并且回路热管将必须改变操作点以到达具有比点Pl更低的饱和温度和压力的操作点。回路热管的操作点将沿着Clapeyixm曲线经过状态P2并朝向点P3下降。
[0009]这种现象可以在许多如下应用的情况下观察到:在这种情况下，散热器一耗散设备与所述散热器相连结——的热环境根据外部条件而发生波动。例如安置在太空船(导弹、飞机、卫星)一所述太空船在受到温度变化(例如根据海拔)或日光照射变化(在卫星的情况下)的环境中移动——的外表面上的热辐射器是这种情况。热辐射器的根据日光入射或环境的温度的温度波动通常可以为50°C。如先前说明的，使用不具有调节装置的毛细回路热管导致待被冷却的设备件的温度的同等大幅度变化，这对于该毛细回路热管的操作而言可能是不利的。
[0010]通过图3示出了这种示例性应用，图3以截面图的形式示意性地示出了卫星的内部布置，该内部布置示出了耗散设备件以及用于控制由毛细回路热管构成的该设备的温度的系统，该回路热管的蒸发器以与设备热接触的方式安置，该回路热管的冷凝器以与卫星的位于卫星的本体的周界处的面中的一个面上的热辐射器热接触的方式安置。热辐射器的温度将随着该热辐射器相对于太阳光的暴露程度而显著地改变。热辐射器的通常的温度变化大约为50度(其取决于最大的日光入射以及热辐射器的热特征等。)
[0011]图4示出了在使用根据现有技术的毛细回路热管时冷凝器的温度以及回路热管的操作点的温度随着时间的趋势。可以观察到，这两种温度承受基本相同的变化(在几度内)。
[0012]为了限制其冷凝器经受大幅度的温度变化的毛细回路热管的饱和温度的变化，必须使用其他元件。大多数最近的现有技术使用了诸如再加热系统之类的主动系统。可以使用电阻器对设备直接进行再加热，对该设备而言温度应较为稳定。还可以使用电阻器对一个或更多个回路热管的液体的槽进行再加热以改变其传导性，从而还控制了设备的温度。这种类型的装置的限制是由于可能变得高的功率消耗(几十至几百瓦)以及装置的复杂性(需要温度探针以及处理温度测量结果以计算待被发送至电阻器的控制命令的控制构件)而引起的。
[0013]可以设想如下其他解决方案:例如使用诸如文献W02010037872A1中示出的旁路式的装置之类的主动系统，或文献W02008001004A1中描述的旨在限制设备的温度变化的具有相变的材料。但是，在这种类型的装置的情况下，关于某些温度范围内的操作性和稳定性而言具有一定的限制，其会导致设备上的较大或较小的温度浮动。另外，使用旁路式的装置在系统在较低的温度下操作的情况下导致冷凝器(该冷凝器固定至热辐射器)的总体短路，并且从而需要功率以对冷凝器进行再加热以防止位于冷凝器中的流体的冻结，所述流体因此不再处于运动状态下。
[0014]在使用具有相变式的材料的被动系统的情况下，关于操作而言具有一定的限制，其在给定的有限质量的具有相变的材料的情况下对系统的能力进行调节时具有限制。
[0015]如文献EP2291067A1中所描述的，还已知的是一种包括回路热管的电力转换器的冷却装置，该回路热管包括冷凝器以及连结至槽的蒸发器，该槽包括用于控制压力和/或温度参数的的装置，例如温度传感器和压力传感器。导管连结冷凝器和蒸发器，并将槽连结至冷凝器。在使用温度测量以调节槽内的温度的情况下，使用了对槽进行加热的电阻器、对槽进行冷却的风扇以及排气阀。在使用压力测量的情况下，使用了压缩机和阀。加压气体随后被注入槽中并进入以与传热流体接触，这引起了诸如在该气体在导管中泄漏的情况下回路热管终止之类的缺点。
【发明内容】
[0016]本发明的目的特别在于提出如下一种被动温度调节装置:该被动温度调节装置可以在用于温度调节的散热器的温度和/或由热源耗散的热功率显著地改变时极大地减小(没有消除)毛细回路热管中的压力和温度差值，并且这样做时没有现有技术的缺点。
[0017]为此，本发明涉及一种适于调节热源的温度的冷却装置，所述冷却装置包括至少一个毛细回路热管，所述至少一个毛细回路热管由以下形成:
[0018]-毛细蒸发器，该毛细蒸发器连结至至少一个流体的槽，
[0019]-至少一个冷凝器，
[0020]-在毛细回路热管中循环的传热流体，
[0021]-传热流体主要以液体状态在其中循环的导管，
[0022]-传热流体主要以气体状态在其中循环的导管，
[0023]-将蒸发器连结至冷凝器以形成闭合的流体循环回路的导管。
[0024]所述冷却装置还包括被称作为“热阻尼器”的装置，该装置由包括这样的体积刚度的可变体积的密封防漏室构成，该体积刚度适于可变体积的密封防漏室根据毛细回路热管中的流体的体积和分布的变化而在毛细回路热管的给定操作范围内被动地变形。
[0025]“体积刚度”应当理解为表示施加在室上的压力变化与以此导致的室的体积的变化之间的比率的绝对值。
[0026]“被动地”应当理解为表示如下事实:不具有用于控制室的变形的如下主动系统:该主动系统需要传感器和/或致动器和/或计算构件，从而根据由传感器传递的测量结果向致动器发送控制命令。
[0027]“流体的体积的变化”应当理解为表示液体和蒸汽共同的体积根据回路热管的用于给定压力的所有点处的温度的变化。
[0028]“流体的分布的变化”应当理解为表示如下事实:根据回路热管的所有点处的温度液体在流体导管和槽内不同地分布。
[0029]应当理解的是，由于缺少所涉及的物理现象的建模中的误差或产品，因此，室实际上在所述给定操作范围内的变形的准确性是非常相对的。
[0030]根据定义，回路热管的操作点为在回路热管中的流体的蒸发点处的流体的饱和温度和压力。“回路热管的操作范围”应当理解为表示回路热管的与回路热管中的流体的蒸发点处的饱和温度间隔或等同的饱和压力间隔相对应的一组操作点。
[0031]对于给定的操作点而言，回路热管的所有点处的温度均根据环境条件(冷却片的温度、所传输的功率)而改变。
[0032]在所有实施方式的情况中，室的至少一部分与回路热管的流体接触。
[0033]用于氨的室的体积刚度的数值的通常值为每立方厘米I巴至几十巴。该刚度取决于涉及的传热流体的饱和压力。
[0034]在第一类优选的实施方式中,热阻尼器的室被密封并位于回路热管内。
[0035]在这类实施方式的第一执行方式中，热阻尼器的室包括波纹管。
[0036]在这类实施方式的第二执行方式中，热阻尼器的室包括可变形的并且气密-密封的罩以及定位在该可变形罩内的弹簧。
[0037]在第三执行方式中，热阻尼器的室包括可变形的并且气密-密封的罩以及定位在该可变形罩内的流体。
[0038]在又一执行方式中，热阻尼器的室包括气密-密封的可变形罩以及定位在该可变形罩内的弹簧和流体。
[0039]在最后的这三类执行方式中，可变形罩可呈波纹管的形式。
[0040]有利地但非必要的，热阻尼器可以位于槽内。
[0041]热阻尼器更加有利地位于回路热管的位于冷凝器的下游处的一部分中，其中传热流体的液相被认为主要位于在该冷凝器的下游处。
[0042]在第二类不同的实施方式中，热阻尼器的室为容纳流体的回路热管的一部分。
[0043]在其他类的解决方案的示例性执行方式中，热阻尼器为回路热管的一部分，该回路热管的壁由金属波纹管构成。
[0044]金属波纹管可以焊接至回路热管的不可变形壁。
[0045]例如，热阻尼器为槽的一部分。
[0046]在所有的产品的情况下，均可以使用至少一个机械抵接件来限制室的体积的变化。
[0047]热阻尼器的室的体积在其变形范围内的最大变化适于热阻尼器在回路热管的给定操作范围内产生效果。
[0048]“产生效果”应当理解为表示如下事实:对于回路热管(热源和散热器)的给定环境而言，回路热管的操作点根据回路热管是否设置有热阻尼器而不同。为了使装置的操作范围基本最大化，热阻尼器的室的体积的最大变化位于回路的总体积的10%与50%之间。
[0049]有利地，温度调节装置还包括修改热阻尼器的设定压力的校准装置。
[0050]对于第一类实施方式而言，“设定压力”应当理解为流体的最大压力，超过该最大压力，热阻尼器的室的体积最小并且不能再改变。对于第二类实施方式而言，“设定压力”应当理解为表示施加在热阻尼器上以人为地增大该热阻尼器的体积刚度的额外的外部压力。
[0051]热阻尼器的校准装置包括适于改变热阻尼器的室的体积刚度的至少一个装置。
[0052]此外，为了在散热器的温度降落至阈值以下时限制设备的冷却，有利的是增大室的体积以在所述体积达到给定值时阻断毛细回路热管的槽中的液体的到达。
[0053]还有利的是可以对热阻尼器的体积变化和体积刚度进行调节，使得在冷凝器的温度降落至给定阈值以下时自动执行阻断。
[0054]为了有助于在槽中的液体的到达被阻塞的情况下对回路热管进行重启，有利地使用可以增大与热阻尼器接触的流体的温度和压力的再加热系统。
[0055]本发明还涉及一种用于生产根据本发明的装置的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0056]-选择与用于饱和温度为Tmax和饱和压力为Pmax的操作点相对应的设定压力Pmax,
[0057]-选择最小饱和温度Tsat〈Tmax,Tmax对应于饱和压力Psat,
[0058]-选择温度Tmin,使得 Tmin〈Tsat,
[0059]-计算在操作点Tmax、Pmax与液体处于温度Tmin处并且蒸汽处于温度Tsat处的操作点之间处回路热管中的流体的体积和分布的变化，
[0060]-计算在热阻尼器所处的位置处在这两个操作点之间流体的体积的变化DV，
[0061]-生产可变体积的密封防漏室，该可变体积的密封防漏室的设定压力等于Pmax，最大的体积变化大于或等于DV，并且对该最大的体积变化而言，体积刚度大致等于(Pmax-Psat)/DV。
[0062]有利的是可以对热阻尼器的体积的变化和体积刚度进行调节，使得在操作点的温度降落至给定阈值以下时自动执行阻断。
[0063]本发明还旨在一种包括至少一个辐射表面的卫星，其特征在于，该卫星配备有根据本发明的冷却装置，该冷却装置包括与承受环境的温度变化的所述辐射表面热接触的冷凝器。
【专利附图】
【附图说明】
[0064]将在阅读以下描述并考虑附图时将更佳地理解本发明。这些附图仅以说明的方式给出，并且不以任何形式来限制本发明。附图示出了:
[0065]图1:现有技术的毛细回路热管的曲线图；
[0066]图2:根据现有技术的回路热管的处于稳定状态下的各个操作点的曲线图；
[0067]图3:包括通过连结至位于卫星外部的热辐射器的毛细回路热管冷却的设备的卫星的示意图；
[0068]图4:设备和热辐射器在毛细回路热管是根据不具有热阻尼器系统的最普遍的现有技术时根据该热辐射器的被太阳的照射的温度趋势的曲线图；
[0069]图5a、5b、5c、5d:根据本发明的遵循第一类执行方式的热阻尼器装置的各种实施方式的示意图，图5b示出了在液体导管在较低的温度处的阻断的情况下的示例性实施方式；
[0070]图6:根据本发明的第二类执行方式的热阻尼器装置的产品的示意图；
[0071]图7a至图7b:设备和热辐射器在毛细回路热管具有根据本发明的热阻尼器时根据该热辐射器的被太阳的照射的温度趋势的曲线图；
[0072]图8:示出了用于生产根据本发明的冷却装置的方法的各种步骤的功能性框图；
[0073]相同的、类似的、或相似的元件在所有附图中均保持相同的附图标记。
【具体实施方式】
[0074]图1示出了毛细回路热管35的某些细节。该回路热管35可以通过将毛细作用用作运动压力并将传热流体(附图中未示出)的液相/汽相的改变用作能量传输装置而将来自热源20—例如耗散热备件一的热能传输至散热器15，例如辐射表面，以便经由辐射表面15疏散由耗散设备件20产生的热能。
[0075]耗散热备20应当理解为表示在操作中时容纳热源的任何设备或成组的设备。这种设备可以为电子设备、电子设备内的部件以及产生热的任意其他非电子系统。
[0076]回路热管35包括靠着设备件20定位的用于从设备件20提取热的蒸发器40以及靠着辐射表面15定位的用于将该热经由辐射表面15疏散到空间中的冷凝器45。蒸发器40和冷凝器45通过导管50和导管60连结，其中，传热流体在该导管50中主要以液体状态循环，传热流体在该导管60中主要以气体状态循环。蒸发器40包括流体的连结至微孔块66的槽65，从而确保通过毛细作用泵送处于液相的传热流体。由设备件20赋予蒸发器40的热增加了在微孔块66处的传热流体的温度，这引起传热流体在该微孔块66的蒸发区域中的蒸发。以此产生的蒸发由导管60疏散并在冷凝器45处冷凝。离开冷凝器45的流体经由导管50返回至蒸发器40。
[0077]毛细回路热管35的正常操作状态为两相状态，流体处于在回路热管35中的液体和蒸汽两种状态下。在回路热管35根据传热流体的体积和流率相对于对将由热源20耗散的热传输至散热器15的需求而良好地定尺寸的情况下实现了这种状态。下文在说明中，“回路热管的操作点”将用以指示这样的饱和温度和压力:在所述饱和温度和压力处，流体在回路热管中的流体的蒸发点处——也就是说在蒸发器40处——蒸发。因此，在流体的温度和压力方面的状态的空间中，回路热管35的操作点位于使流体的两种液体状态和蒸汽状态分离的Clapeyixm曲线上。图2示出了毛细回路热管的不同操作点，在该毛细回路热管中传热流体为氨。附图中指示了三个操作点PU P2和P3。这些点与回路热管中由氨的饱和温度和压力所确定的流体的状态对应，此处给出其数值大约为(为了此处的目的，仅给出了大小值):P1:(25°C、10 巴)、P2(18°C、8 巴)、P3 (_33°C、I 巴)。
[0078]此处应当想到，当毛细回路热管35在诸如P1、P2和P3之类的操作点附近以稳定状态操作时(从而外部的起始相、过渡相、故障的情况等)，流体的温度和压力根据其(冷凝器45、槽65、微孔块66、导管50、60)当前位置在此回路热管35内改变，这主要是因为流体在微孔块66的上方再加热、液体在冷凝器45的下方再冷却、系统中的压头损失、微孔块66内的毛细压力等。但是，这些变化非常小:通常为温度方面的几度，压力方面的几千帕Pascals，热交换中的大部分热交换必须通过流体的状态改变——从而在饱和曲线附近一一实现。在稳定操作的所有情况下，这些改变相比于此处要考虑的热环境的更大的变化一特别是热源20的热功率以及/或者散热器15的温度一而言将被认为是可以被忽略的。
[0079]回路热管35的操作点来源于一方面在冷凝器45处冷却的到达槽65中的流体的流率和温度与另一方面通过容纳在蒸发器40和槽65中的流体的热源20的再加热之间的平衡。对于由热源20传递的同一热功率而言，假定回路热管35处于操作点Pl处，也就是说处于25°C的蒸发温度处，并且冷凝器45的温度降低至_30°C。这将具有了降低槽65的进口处以及槽65中的液体的温度的效果。由于此，流体的体积将收缩，这使得回路热管35中的流体压力下降。流体的蒸发温度因此也将下降，并且回路热管35将必须变操作点以到达具有比点Pl更低的饱和温度和压力的操作点。回路热管35的操作点将沿着Clapeyixm曲线经过状态P2并朝向点P3下降。
[0080]这种现象可以在许多如下应用的情况下观察到:在这些情况下，与散热器15—耗散设备件20连结至所述散热器15——的热环境根据外部条件而波动。例如为安置在太空船(导弹、飞机、卫星)——其在受到(例如根据海拔的)温度变化或日光照射变化(在卫星的情况下)的环境中移动——的外表面上的热辐射器是这种情况。热辐射器的根据环境或日光入射的温度的温度波动通常可以为50°C。如先前说明的，使用不具有调节装置的毛细回路热管35引起待被冷却的设备件20的温度的同等的显著变化，这对于该毛细回路热管35的操作而言可能是不利的。
[0081]图3不出了卫星10，该卫星10包括:福射表面15 ;设备件20，该设备件20耗散卫星10内的热；以及毛细回路热管35式的冷却装置30，该冷却装置30使得可以将由设备件20产生的热经由辐射表面15疏散到空间中。回路热管35的蒸发器40以与设备件20热接触的方式安置。回路热管35的冷凝器45以与卫星10的位于卫星10的本体的周界处的面中的一个面上的辐射表面15热接触的方式安置。辐射表面15的温度将随着该辐射表面暴露于太阳光而显著地改变。辐射表面15的通常的温度的变化大约为50度(其取决于最大的日光入射，辐射表面15的热特征等。)
[0082]卫星10的热环境根据太阳的入射而波动，从而导致在该辐射表面15在被太阳照射和在阴影中相交替的情况下辐射表面15和卫星上的设备件20上的温度波动。
[0083]为了说明的目的，假定回路热管35的传热流体为氨。
[0084]在上述示例性实施方式中，被称作热阻尼器的被动装置70定位在蒸发器的槽65内。在没有示出的其他示例实施方式中，热阻尼器70定位在回路热管35的另一部分中，例如在流体的没有直接连接至微孔块66的另一槽内，该槽有利地连接至将冷凝器45连结至蒸发器40的槽65的导管50，并且从而主要填充处于低温度操作条件下的液体。热阻尼器70的操作在这两种情况下都是相同的。可以补偿在回路热管35的操作点改变时回路热管35内的流体的体积和分布的变化，这或者是由于与环境的变化相关联的辐射表面15的温度的变化，或者是由于设备件20的耗散的变化。
[0085]热阻尼器70由可变体积的密封防漏室71构成，所述室71的体积根据回路热管35中的流体的体积和分布的变化而被动地改变。
[0086]“被动地”应当理解为表示如下事实:不具有用于控制室71的变形的如下主动系统:该主动系统需要传感器和/或致动器和/或计算构件，从而根据由传感器传递的测量结果向致动器发送控制命令。
[0087]“流体的体积的变化”应当理解为表示液体和蒸汽共同的体积根据回路热管35的用于给定压力的所有点处的温度的变化。
[0088]“流体的分布的变化”应当理解为表示如下事实:液体根据回路热管35的所有点处的温度在流体导管50、60和槽内不同地分布。
[0089]热阻尼器70适配成用于室71的体积在回路热管35的给定操作范围内改变。
[0090]根据定义，回路热管35的操作点为流体的在回路热管35中的流体的蒸发点处的饱和温度和压力。“回路热管的操作范围”应当理解为表示回路热管35的与回路热管35中的流体的蒸发点处的饱和温度间隔或等同的饱和压力间隔相对应的一组操作点。[0091 ] 对于给定的操作点而言，回路热管35的所有点处的温度均根据环境条件(辐射表面15的温度、所传输的功率)而改变。
[0092]在所有实施方式的情况中，室71的至少一部分与回路热管35的流体接触。
[0093]室71具有这样的体积刚度，该体积刚度根据回路热管35中的流体的体积和分布的变化有利地产生了该室71的体积的被动变化。
[0094]“体积刚度”应当理解为表示施加在室71上的压力的变化与以此导致的室71的体积的变化之间的比率的绝对值。
[0095]有利地，热阻尼器70——特别是其体积刚度——适于在回路热管35的给定操作范围内变形。
[0096]应当理解的是，由于缺少所涉及的物理现象的建模中的误差或产品，因此，室71实际上在所述给定操作范围内的变形的准确性是非常相对的。
[0097]用于氨的室71的体积刚度的大小的通常的值为每立方厘米I巴至几十巴。该刚度取决于有关的传热流体的饱和压力。
[0098]在第一类优选的实施方式中，热阻尼器70的密封防漏室71被密封并位于回路热管35内。
[0099]因此，根据图5a中示出的装置30的第一实施方式，热阻尼器70包括位于回路热管35的槽65中的密封的、密封防漏可变体积的室71。该室71包括呈金属波纹管74的形式的气密密封的可变形罩，该金属波纹管74的一个端部80焊接至回路热管35的内壁，并且另一端部81焊接至刚性的并且平坦的金属板82。作为一种变体，金属波纹管74和金属板82没有被焊接而是制造为单件。在密封防漏室71中产生几乎全真空，室71中在其制造时存在的气体的剩余气体有利地为氨蒸汽，从而不会在回路热管35内的剩余气体的可能的泄漏的情况下使回路热管35的操作中断。
[0100]金属波纹管74的弹性使得室71能够自动调适该室71的体积以在温度的大幅改变时补偿回路热管35中的流体的体积和分布的变化。
[0101]为了简化起见，假定室71中已经产生了全真空(本领域的技术人员将能够将推理和计算延伸至室71内仍然具有剩余气压的一般情况)，金属波纹管74在真空中展示出最大的伸长量Zmax。室71随后展示出最大的体积Vmax。
[0102]室71在金属波纹管74已经达到其最小值Zmin时展示出最小的体积Vmin,这种情况在作用在室71上的外部压力大于被称作为设定压力的值Ptar时发生，这例如由于在该压力下，至少一个抵接件90防止金属波纹管74进一步压缩，DVmax用以指示室71的最大变化:DVmax = Vmax-Vmin。
[0103]有利地，贯穿本说明书，假定金属波纹管74在其伸长的整个变化范围内均处于其弹性范围内。如果还假定(仍然为了简化说明的目的，并且没有减小本发明的一般性)金属波纹管71的刚度在其体积的整个变化范围内均是常数，则热阻尼器70的室71的体积刚度K在该范围内也为常数。因此热阻尼器70的体积V将能够在从零压力值至压力Ptar的范围的外部压力范围P内都以以下关系变化:
[0104]P = K.(V-Vmin)
[0105]特别地
[0106]Ptar = K.(Vmax-Vmin) = K.DVmax,
[0107]并且
[0108]K = Ptar/DVmax
[0109]应当注意的是，当施加在热阻尼器70上的流体的压力大于设定压力Ptar时，热阻尼器70的室71的体积可以不再改变。热阻尼器70随后不再对回路热管35的操作具有任何显著的影响。
[0110]在所考虑的具有氨的回路热管35的示例中，为了设定大小值，假定设定压力为10巴并且在回路热管35的操作点Pl处(在该点Pl处，饱和压力为10巴并且饱和温度为250C )，回路热管35的室71大约承受该10巴的压力。检查在辐射表面15在环境温度降低的作用下温度缓慢地减小至低于_30°C的温度时热阻尼器70如何对回路热管35的操作进行作用。从操作点Pl开始，传热流体的温度在冷凝器45的出口处以及槽65中将降低至接近-30°C的值。在没有热阻尼器70的情况下，温度的这种降低将产生回路热管35中的流体的压力的下降，并将使得回路热管35的操作点降低至与I巴的饱和压力(操作点P3)对应的接近_30°C的饱和温度。设备件20随后将承受这些非常低的温度。
[0111]热阻尼器70可以完全地或部分地补偿由来自于冷凝器45的流体(基本上是液体)的温度的减小引起的两个主要的影响。首先，冷却引发了流体体积的减小，这可以由热阻尼器70的室71的体积的同等变化来补偿。另外，冷凝器45中的温度的降低改变了液体在回路热管15内的分布，这是因为来自蒸发器40的蒸汽的冷凝在流体循环回路中的上游处逐渐发生。因此在在冷凝器45处将具有逐渐更多的液体(在体积方面)，这将会从槽65吸取相应体积的液体。热阻尼器70还可以补偿槽65中的该流体体积的变化。
[0112]重要地应当指出的是，根据本发明，对回路热管中的流体的体积或分布的变化的这种补偿通过所述装置的相对较小的体积刚度以及通过以此导致的所述装置的体积的较大的变化而完全被动地执行。
[0113]热阻尼器的室的体积在其变形范围内的最大变化被调适为用于热阻尼器以便在回路热管的给定操作范围内产生效果。
[0114]“产生效果”应当理解为表示如下事实:对于回路热管(热源和散热器)的给定环境而言，回路热管的操作点根据回路热管是否设置有热阻尼器而不同。
[0115]为了使装置的操作范围基本最大化，热阻尼器的室的体积的最大变化位于回路的总体积的10%与50%之间。
[0116]总体上，热阻尼器70将补偿槽65中的液体的体积变化DV (此处为体积的减小)。在这种情况下，热阻尼器70施加在流体上的压力P对应于室的体积变化DV:
[0117]P = Ptar-K.DV
[0118]即
[0119]P = Ptar.(1-DV/DVmax)
[0120]因此，热阻尼器70在流体蒸发的点处——也就是说，在回路热管35的发生与设备件20的热传递的点处——施加饱和压力Psat = P。
[0121]因此，可以在观察到，在DV/Dvmax比I小的情况下，在该示例中，饱和压力将保持接近Ptar = 10巴，从而处于饱和温度处，在该饱和温度处，流体的与设备件20接触的蒸发区域将保持接近25°C。
[0122]一般而言，热阻尼器70在比率DV/DVmax较小时更加有效。考虑如下情况:在液体在冷凝器中处于_30°C的操作点处，槽65中的液体的体积的减小DV比热阻尼器70的室71的最大可能变化DVmax小五倍。流体的饱和压力从而将等于Psat = 10 bar x(l_l/5)=8 bar。流体的饱和温度从而将接近+18°C (操作点P2)，并且将在该温度处而非在不具有热阻尼器70的情况下的-30°C的温度处发生设备件20与回路热管35之间的热传递。一般而言，有利的是热阻尼器70的室71的体积的变化位于回路热管35中的流体的总体积的10%与50%之间。
[0123]只要没有限制条件阻止波纹管74伸长(例如限制该波纹管74的行进的抵接件90、91)，则热阻尼器70的这种效果就将持续。用于热阻尼器70工作的另一条件为设备件20的热功率应当足以将流体的温度从槽65中的_30°C改变至蒸发区域中的+18°C。
[0124]当流体的温度持续下降而由室71施加的压力由于波纹管74完全延伸或者处于抵接件处而可能不再传递至流体时，回路热管35的操作点将移动至与不具有热阻尼器70的回路热管35的操作相对应的非常低的饱和温度和压力。
[0125]如图5b中所示，为了限制超出热阻尼器70的操作极限的冷却现象并保护设备件20免于显著的下方再冷却，波纹管74的伸长有利地通过例如如下设置而自身引发了流体在回路热管35中的循环的终止:在冷凝器45的出口处的流体具有持续降低温度时在波纹管74的伸长的作用下，波纹管74阻断了一甚至完全阻塞了一液体从导管50进入槽65中。
[0126]如果外部条件改变并且冷凝器45被再加热，则必须通过从液体的到达被阻塞的情况开始重新起动回路热管35。为了有助于这种起动，有利的是例如通过电阻器对槽65或槽65的上游处的液体导管50再加热，以便从而增大了槽65内的流体的温度和压力，这将使得室71收缩并将到达的液体释放，而不需要等待回路热管35的全部再加热。
[0127]在图5c中示出的实施方式的变体中，室71还包括定位在室71内的弹簧72。弹簧72在回路热管35的内壁与波纹管74的板82之间压缩。当弹簧72具有比波纹管74大得多的刚度时，波纹管74的效用基本上为提供密封防漏并且可变形的壁，室71的体积刚度主要是取决于弹簧72的刚度。热阻尼器70的操作模式与先前相同。
[0128]在图5d中示出的另一实施方式中，例如气体或两相流体之类的流体73定位在室71内代替弹簧72。由流体73施加的压力取代了由弹簧72施加的压力。替代性地，可以以组合的形式使用定位在室71内的弹簧72和流体73。弹簧72的刚度特征以及/或者流体73的由因体积的变化引起的流体的压力变化所限定的等同刚度限定了热阻尼器70的设定压力。弹簧72的行进以及/或者流体73的体积限定了室71的体积的最大变化，并且从而限定了热阻尼器70的操作范围。
[0129]使用由具有形状记忆的材料制成的金属波纹管74和/或由具有形状记忆的材料制成的弹簧72以及/或者流体73可以通过加热或冷却金属波纹管74和/或弹簧72和/或流体73对热阻尼器70的操作进行改变，特别地对其设定压力进行改变。当使用弹簧72时，还可以通过利用可以使弹簧72收缩的机构对热阻尼器70的操作进行修改。
[0130]图6示出了本发明的根据第二类执行方式的另一实施方式，在该实施方式中，热阻尼器70的室为容纳流体的回路热管35的一部分。对于该第二类执行方式而言，“设定压力”应当理解为表示这样的额外的外部压力，其施加在热阻尼器70上以便人为地增大该热阻尼器70的体积刚度。热阻尼器70的密封防漏的并且可变体积的室71此处为槽65的如下本体:该本体的一部分具有金属波纹管74的形式。波纹管74可以焊接至回路热管35的不可变形的壁。室71的体积在流体膨胀时被动地改变。可以重复先前的热阻尼器70的操作模式描述以便对除如下情况以外的热阻尼器装置70在散热器15的温度降低时的操作的情况进行描述:在这种情况下，波纹管74的操作被颠倒:波纹管74在回路热管35中的流体压力增大时伸长，该波纹管74在压力降低时收缩。设定压力Ptar从而可以有利地被回路热管35的操作点处的参考压力一例如与操作点Pl对应的10巴的压力一所代替。与先前的实施方式相比仅有的改变在于在回路热管35中的流体的温度和压力增大时除波纹管74的弹性极限以及从而的强度极限外，没有任何部分阻止波纹管74的伸长。
[0131]图7a示出了在热阻尼器70处于其操作范围内的情况下冷凝器45的温度趋势(曲线102)以及蒸发器40的蒸发区域中的饱和温度趋势(曲线103)。曲线103遵循了曲线102的变化，但是在曲线102的趋势为-50°C与20°C之间时，曲线103保持在18°C与20°C之间的温度范围内。借助于热阻尼器70，饱和温度(曲线103)从而没有随时间而受到较大的变化。
[0132]图7b示出了在热阻尼器70背离其操作范围的情况下冷凝器45的温度趋势(曲线104)以及蒸发器40的蒸发区域中的饱和温度(曲线105)。曲线105遵循了曲线104的变化，但是在曲线104的趋势为-50°C与20°C之间时，曲线105保持在18°C与20°C之间的温度范围内。当曲线104降至低于-50°C时，曲线105终止降落以在18°C处稳定。这是因为流体的循环被如图6b中所示出的波纹管74终止。借助于热阻尼器70，饱和温度(曲线103)从而没有随时间而受到较大的变化。
[0133]借助于本发明，由设备件20供应的能量总是被传送至辐射表面15，这防止了旁路技术所遇到的如下问题:例如冷凝器45的短路以及从而需要对冷凝器45再加热以避免所述冷凝器45中的随后将不再处于运动状态下的流体的冻结。此外，本发明可以借助于液压阻尼器70减小来源于辐射表面15的温度振荡。本发明从而与使用具有相变的材料的系统不同，本发明的调节能力不随时间而受限制。
[0134]与诸如再加热系统之类的主动系统不同，本发明的冷却装置较为简单并且不受消耗功率方面的限制。
[0135]与诸如旁路式的的装置或具有相变的材料之类的主动系统不同，本发明的冷却装置在某些温度范围内不受操作和稳定性的限制。
[0136]与包括排气阀的冷却装置不同，本发明的冷却装置避免了注入可能会使回路热管35终止的加压气体。
[0137]图8示出了用于生产冷却装置的方法。该方法包括选择与饱和温度为Tmax并且饱和压力为Pmax的操作点对应的设定压力Pmax的第一步骤120。第二步骤121为选择小于饱和温度Tmax的与饱和压力Psat对应的最小的饱和温度Tsat，以及第三步骤122为选择最小的温度Tmin,使得该最小的温度Tmin小于最小的饱和温度Tsat。在步骤123中，计算毛细回路热管35中的流体在饱和温度Tmax和饱和压力Pmax的操作点与液体处于最小的温度Tmin并且蒸汽处于最小的饱和温度Tsat的操作点之间的体积和分布变化。随后，在步骤124中，热阻尼器70所处的操作点处计算流体在这两个操作点之间的体积变化DV。在步骤125中，生产密封防漏室71，对于其而言设定压力等于Pmax的可变体积，体积的最大变化大于或等于体积的变化DV，并且就最大的体积变化而言，体积刚度大致等于饱和压力与最小饱和压力之间的差值与体积的变化之间的比例(Pmax-Psat)/DV0
[0138]此外，有利的是在步骤126中对热阻尼器70的体积的变化DV和体积刚度进行调节，使得在操作点的温度降至给定阈值以下时自动执行阻断。
【权利要求】
1.一种适于调节热源(20)的温度的冷却装置(30)，所述冷却装置(30)包括至少一个毛细回路热管(35)，所述至少一个毛细回路热管(35)由以下形成: -毛细蒸发器(40)，所述毛细蒸发器(40)连结至至少一个流体的槽(65)， -至少一个冷凝器(45)， -在所述毛细回路热管(35)中循环的传热流体， -导管(50)，所述传热流体在所述导管(50)中主要以液体状态循环， -导管(60)，所述传热流体在所述导管￠0)中主要以气体状态循环， -所述导管(50、60)，所述导管(50、60)将所述蒸发器(40)连结至所述冷凝器(45)以形成闭合的流体循环回路， 其特征在于，所述冷却装置还包括被称作为“热阻尼器”的装置(70)，所述装置(70)由包括如下体积刚度的可变体积的密封防漏室(71)构成，所述体积刚度适于所述可变体积的密封防漏室(71)根据所述毛细回路热管(35)中的流体的体积和分布的变化而在所述毛细回路热管(35)的给定操作范围内被动地变形。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可变体积的密封防漏室(71)呈波纹管(74)的形式。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述可变体积的密封防漏室(71)被密封并位于所述毛细回路热管(35)内。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述可变体积的密封防漏室(71)包括可变形的且气密-密封的罩以及定位在所述可变形罩内的弹簧(72)。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述可变体积的密封防漏室(71)包括可变形的且气密-密封的罩以及定位在所述可变形罩内的流体(73)。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述可变体积的密封防漏室(71)包括气密-密封的可变形罩以及定位在所述可变形罩内的弹簧(72)和流体(73)。
7.根据权利要求3至6中的任一项所述的装置，其特征在于，所述热阻尼器(70)定位在所述毛细蒸发器(40)的所述槽(65)内。
8.根据权利要求3至6中的任一项所述的装置，其特征在于，所述热阻尼器(70)定位在所述回路热管(35)的位于所述冷凝器(45)的下游处的一部分中，所述传热流体的液相主要位于所述冷凝器(45)的下游处。
9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述可变体积的密封防漏室(71)为所述毛细回路热管(35)的容纳流体的一部分。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述可变体积的密封防漏室(71)为所述毛细蒸发器(40)的所述槽(65)的一部分。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述体积刚度适于所述传热流体的饱和压力并且例如对于氨而言具有每立方厘米一巴至几十巴的值。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的装置，其特征在于，所述热阻尼器(70)的所述室的体积的所述最大变化位于所述回路热管(35)的总体积的10%与50%之间。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的装置，其特征在于，能够使用至少一个机械抵接件(90、91)来限制所述可变体积的密封防漏室(71)的体积的变化。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的装置，其特征在于，所述冷却装置还包括修改所述热阻尼器(70)的设定压力的校准装置。
15.根据权利要求1至14中的任一项所述的装置，其特征在于，所述可变体积的密封防漏室(71)的体积的增大在所述体积达到给定值时被动地阻断所述毛细回路热管(35)的所述槽(65)中的液体的到达。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述冷却装置还包括再加热系统，所述再加热系统能够增大与所述热阻尼器(70)接触的流体的温度和压力，从而有助于所述回路热管(35)基于所述槽中的液体的到达被阻塞的状态的重启动。
17.一种用于生产根据前述权利要求中的任一项所限定的用于调节热源的温度的冷却装置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: -选择(120)与限定了饱和温度(Tmax)和饱和压力(Pmax)的操作点对应的设定压力(Pmax)， -选择(121)小于所述操作点的所述饱和温度(Tmax)的最小饱和温度(Tsat)，所述最小饱和温度(Tsat)对应于最小饱和压力(Psat)， -选择(122)最小温度(Tmin),使得所述最小温度(Tmin)小于所述最小饱和温度(Tsat), -计算(123)所述毛细回路热管(35)中的所述流体在具有用于饱和温度(Tmax)和饱和压力(Pmax)的操作点与所述液体处于最小温度(Tmin)处并且所述蒸汽处于最小饱和温度(Tsat)处的操作点之间的体积和分布的变化， -计算(124)所述流体在所述热阻尼器(70)所处位置处的所述两个操作点之间的体积的变化(DV)， -生产(125)可变体积的密封防漏室(71)，所述可变体积的密封防漏室(71)的设定压力等于所述最小饱和压力(Pmax)，所述最大的体积的变化大于或等于所述体积的变化(DV)，并且对所述最大的体积的变化而言，所述体积刚度大致等于所述饱和压力与所述最小饱和压力之间的差值与所述体积的变化之间的比率((Pmax-Psat)/DV)。
18.根据权利要求17所述的用于生产所述冷却装置的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤: -调节(126)所述热阻尼器(70)的所述体积刚度以及所述体积的变化(DV)，使得所述可变体积的密封防漏室(71)的体积的增大在所述体积达到给定值时被动地阻断所述毛细回路热管(35)的所述槽(65)中的液体的到达。
19.根据权利要求18所述的用于生产所述冷却装置的方法，其特征在于，所述阻断在所述操作点的温度降落至低于给定阈值时自动执行。
20.—种包括至少一个辐射表面(15)的卫星(10)，其特征在于，所述卫星(10)配备有根据权利要求1至16中的任一项所述的冷却装置，所述冷却装置包括与承受环境的温度变化的所述辐射表面(15)热接触的冷凝器(45)。
【文档编号】F28D15/02GK104246407SQ201380014467
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年1月11日 优先权日:2012年1月13日
【发明者】克里斯托夫·菲居斯 申请人:阿斯特里姆有限公司