一种星载复合散热系统及其控制方法与流程

技术领域：

本发明涉及一种星载复合散热系统及其控制方法，适用于卫星上高热流密度设备散热，属于航天环控领域。

背景技术：
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传统的星载高发热设备一般采用单相或两相流体(热管)循环通过辐射散热器向太空散热，但随着电子设备高频化、集成化、高功率的飞速发展，电子设备的发热功率呈几何倍数增大，传统的自然传热方式要求的辐射散热器面积越来越大，但当太阳辐射较强时仍然难以满足散热需求，给电子设备的安全可靠运行带来隐患。基于此，星载蒸气压缩循环逐渐成为一种可行的技术选项。但是如果太阳辐射较弱或设备散热较小时仍然运行在蒸气压缩循环，会带来耗电量过大的问题。如果采用蒸气压缩循环和自然传热设备两套系统散热又会带来重量大、系统复杂、卫星载荷不足的问题，各自的优缺点如表1所示。

表1已有散热系统优缺点对比

在地面暖通空调领域，1985年日本大金工业株式会社提出了将重力热管与蒸气压缩循环结合的机房空调器(参见：孙丽颖,马最良.冷剂自然循环空调机的特性与应用.哈尔滨商业大学学报2004,20:929-732)，在普通蒸气压缩循环基础上，通过增设压缩机旁通支路和节流装置旁通支路，形成重力热管循环。当室外空气温度较低时，机组运行于重力热管循环，节约了压缩机功耗；当室外空气温度较高时，机组运行于蒸气压缩制冷循环。该技术方案不仅可以节省制冷运行能耗，而且具有节材、节地、节省初投资和维护费用的优势。但是，在星载平台没有重力，热管循环缺乏驱动力难以运行，热管模式和蒸气压缩模式切换时压缩机频繁启停给机组可靠性带来隐患，而且没有针对太空环境具体的实施方案和控制方案。

技术实现要素：
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针对现有技术的不足，本发明提出了一种星载复合散热系统及其控制方法。采用可调压比和转速的微型无油变频压缩机当作动力源，且实现“一机两用”：当太阳辐射较强或电子设备负荷较大时，压缩机高速高压运转，节流装置工作，运行于蒸气压缩制冷模式，保障散热安全可靠；当太阳辐射较弱或电子设备负荷较小时，压缩机低速低压运转，节流装置被旁通，运行于动力热管循环模式，此时压缩机仅驱动工质循环，并不建立压差，耗电量极低，保障系统节能运行。

本发明采用如下技术方案：一种星载复合散热系统，包括卫星舱、气液分离器、压缩机、发热设备、蒸发器、旁通支路、节流支路、辐射散热器、控制器以及制冷剂管路，所述蒸发器通过制冷剂管路依次与气液分离器、压缩机、辐射散热器和节流支路连接，所述节流支路和旁通支路并联设置，节流支路上设置节流装置，旁通支路上设置旁通阀，所述控制器采集发热设备表面温度后控制压缩机、节流装置和旁通阀。

进一步地，所述压缩机为压比和转速可调的微型无油变频压缩机。

进一步地，所述气液分离器为折流分离或丝网分离型气液分离器。

进一步地，所述蒸发器为嵌入式蒸发器。

本发明还采用如下技术方案：一种星载复合散热系统的控制方法，在不同的太阳辐射和发热设备负荷情况下，根据发热设备表面温度，系统实现两种工作模式：

(a)当太阳辐射较强或发热设备负荷较大，发热设备表面温度t>a时，其中a为系统的预设温度值，控制器控制压缩机高压高速运转，节流装置工作，旁通阀关闭，蒸发器、气液分离器、压缩机、辐射散热器和节流支路构成蒸气压缩制冷循环；

(b)当太阳辐射较弱且发热设备负荷较小，发热设备表面温度t<a时，其中a为系统的预设温度值，控制器控制压缩机低压低速运转，旁通阀打开，节流装置关闭，蒸发器、气液分离器、压缩机、辐射散热器、和旁通支路构成动力驱动热管循环。

本发明具有如下有益效果：

(1)、当太阳辐射较强或电子设备散热负荷较大时，压缩机高速运转且节流装置工作，满足散热要求，保障散热安全，同时减小了辐射散热器面积；

(2)、当太阳辐射较弱且电子设备散热负荷较小时，压缩机低压低速运转，通过付出极小的功耗驱动工质循环，构建动力热管循环，在节能基础上满足传热要求；

(3)、压缩机“一机两用”，动力热管模式(图3)和蒸气压缩模式(图2)共享蒸发器和辐射散热器，管路设计简洁顺畅，使得系统重量轻、占地空间小、控制简便。

附图说明：

图1为本发明星载复合散热系统的结构原理图。

图2为本发明星载复合散热系统的蒸气压缩流程图。

图3为本发明星载复合散热系统的动力热管流程图。

图中：

1－卫星舱；2－气液分离器；3－压缩机；4－发热设备；5－蒸发器；6－旁通支路；7－节流支路；8－节流装置；9－旁通阀；10－辐射散热器；11－控制器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明星载复合散热系统包括卫星舱1、气液分离器2、压缩机3、发热设备4、蒸发器5、旁通支路6、节流支路7、辐射散热器10、控制器11以及制冷剂管路，蒸发器5通过制冷剂管路依次与气液分离器2、压缩机3、辐射散热器10和节流支路7连接，节流支路7和旁通支路6并联设置，节流支路7上设置节流装置8，旁通支路上设置旁通阀9。压缩机3为压比和转速可调的微型无油变频压缩机，控制器11采集发热设备4表面温度后控制压缩机3、节流装置8和旁通阀9，在不同的太阳辐射和发热设备4负荷情况下，根据发热设备4表面温度，该系统可实现两种工作模式：

(a)当太阳辐射较强或发热设备4负荷较大，发热设备4表面温度t>a时，其中a为系统的预设温度值，控制器11控制压缩机3高压高速运转，节流装置8工作，旁通阀9关闭。蒸发器5、气液分离器2、压缩机3、辐射散热器10和节流支路7构成蒸气压缩制冷循环；

(b)当太阳辐射较弱且发热设备4负荷较小，发热设备4表面温度t<a时，其中a为系统的预设温度值，控制器11控制压缩机3低压低速运转，旁通阀9打开，节流装置8关闭。蒸发器5、气液分离器2、压缩机3、辐射散热器10、和旁通支路6构成动力驱动热管循环。此时，压缩机只驱动制冷剂循环，并不构建冷凝/蒸发压差，因此能耗极低，满足节能散热需求。

上述方案中气液分离器2为折流分离或丝网分离型气液分离器。蒸发器5为嵌入式蒸发器。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

技术总结
本发明公开一种星载复合散热系统及其控制方法，蒸发器通过制冷剂管路依次与气液分离器、压缩机、辐射散热器和节流支路连接，节流支路和旁通支路并联设置，节流支路上设置节流装置，旁通支路上设置旁通阀，压缩机为微型无油变频压缩机。控制器采集发热设备表面温度，控制压缩机、节流装置和旁通阀。在不同的太阳辐射和发热设备负荷情况下，根据发热设备表面温度，该系统可实现两种工作模式：当太阳辐射较强或电子设备散热负荷较大时，压缩机高速运转且节流装置工作，形成蒸气压缩循环，保障散热安全；当太阳辐射较弱且电子设备散热负荷较小时，压缩机低压低速运转，节流装置被旁通，构建动力热管循环，在节能基础上满足传热要求。

技术研发人员：张朋磊;张大林;陈维建;武艳
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2017.04.18
技术公布日：2017.08.22