机械泵驱动两相冷却系统工作点温度控制

刘  杰¹，郭开华²，李庭勋²

(1. 青岛理工大学 环境与市政工程学院，山东 青岛，266033；

2. 中山大学 空间技术中心，广东 广州，510275)

摘  要：对系统的控温原理和主要方法进行理论阐述，从而确定采用对储液器温度的主动式控温方法实现对蒸发段工作温度的控制思路。提出“回路直接冷却”和“半导体制冷片——系统回路协同工作”这2种储液器温度控制方法，并且对其控温精度和降温速度等技术进行实验研究。结果表明，改进前，采用“冷回路”向储液器漏热并结合加热器实现温度控制的设计方案控温精度仅为±0.4 ℃，且在需要快速降低蒸发段工作温度时较难实现；改进后，采用半导体制冷片同系统管路协同运行的方法不仅可控性大大增加，而且降温速度从原来的0.12 ℃/min 提高到0.36 ℃/min。在模拟外太空边界温度波动幅度的条件下，改进前、后温度控制方法蒸发段的控制精度分别为±0.4 ℃和±0.1 ℃，从而克服了该类系统在工作温度控制中降温速度慢、控温精度低的缺点，并可推广到热管、毛细泵驱动回路等类似的航空航天两相冷却系统中。

关键词：机械泵驱动冷却回路；温度控制；两相流；半导体制冷；热管

中图分类号：TK124          文献标识码：A         文章编号：1672-7207(2009)04-0974-06

Set point controlling of mechanically pumped cooling loop

LIU Jie¹, GUO Kai-hua², LI Ting-xun²

(1. Institute of Environmental and Municipal Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033, China;

2. Center of Space TECH., Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China)

Abstract: The brief review of system design and work principle about evaporative temperature controlling was presented. Two kinds of methods were described, especially the second one which combined thermoelectric coolers (TEC) with a branch of the main loop. In order to prove the feasibility and efficiency, tests were performed to clearly comprehend the characteristics of two designs. Special attentions were paid to comparing the controlling precision and cooling rate for the accumulator temperature. The results show that the method which cooled the accumulator by heat leak has not only a less precision but also a lower cooling rate. Whereas, the improved design can improve the cooling rate from 0.12 ℃/min to 0.36 ℃/min and realize a ±0.1 ℃ close temperature controlling precision. A novel way is found for the two-phase cooling loop, such as capillary pumped loop or loop heat pipe, to realize a proper set point temperature controlling.

Key words: mechanically pumped cooling loop (MPCL); temperature control; two-phase fluid; thermoelectric cooling; heat pipe

在应用于空间冷却的诸多技术中，两相循环冷却技术因具有饱和工质吸热气化温度不变的特性被证明为最适合航天器在太空轨道运行时的热控技术之一^[1-3]。这种以两相流回路为核心的热控系统集热收集、热传输、热辐射和温度控制为一体，与单相流体回路相比，在体积、质量、功耗、控温方式以及系统复杂度等方面都有较大的优势。该技术的主要应用形式为热管系统，包括毛细泵热管(CPL)、环路热管(LHP)、分离式热管或脉动式热管等，在航空航天领域得到成功应用^[4-9]。面对未来空间热控技术分散式、长距离和高热流密度发热器件的发展趋势，无论毛细芯的形式和结构如何，提供的毛细力都是有限的，特别是处理大阻力回路或多个发热点并行散热的复杂支路结构方面的冷却任务时，该技术作用不大。为消除毛细泵驱动回路(CPL)的不稳定特性，提高其传热能力，NASA于1987年在CPL的液体回流管上添加装辅助机械泵，研制出“机械泵辅助毛细泵冷却系统”，又称为混合型CPL或高功率宇宙飞船热管理系统。近年来，对于MPCL系统的较为突出的研究主要集中在荷兰空间技术中心^[10-11]与中山大学空间技术中心在“AMS2太空反物质探测器”冷却系统研制方面，该系统以CO₂为循环工质实现热量的传递^[12-14]。

由于系统随探测器飞行期间工作在不同的轨道上，内部热负荷和外热流环境都可能发生很大的变化，因而，要求MPCL系统具有很强主动的调节能力。仅靠冷凝器上的液体长度调节不足以维持系统正常运行，因此，必须通过控制储液器的温度来改变蒸发器的工作温度，从而保证系统的正常运行。在LHP系统中，常采用储液器主动控制、温度控制阀控温或联合控温模式等方法，而对于MPCL主要还是以通过对储液器主动控制的方法为主。

1  机械泵驱动两相冷却系统的控温原理

机械泵驱动两相冷却系统蒸发段工作点的温度控制是通过对储液器的控制来实现的。对于一个封闭的回路系统，若忽略沿管道的流动阻力，则可以认为系统内部的压力处处相等，因此，所有的两相区具有相同的饱和压力，对应的饱和温度也相等。当系统在散热过程中达到稳定状态时，储液器和蒸发器都为两相，储液器内和蒸发器内的饱和压力差等于工质经过外回路的压降。因工质流量较小，回路内基本为光滑管路，所以，压降较小。因此，若利用控温手段保持储液器温度恒定，其内饱和蒸汽压力就维持恒定，整个系统也就稳定在这一压力上，在相应的蒸发器内，两相工质也就稳定在该压力对应的饱和温度上^[15]。

从理论上分析，蒸发器和储液器的温度差可以用下式来计算：

。        (1)

式中：t_a为储液器的汽液界面的温度；t_e为蒸发器的汽液界面的温度；?P_l为储液器和蒸发器之间的回路压降；(dp/dt)_s为工质压力—温度图上饱和线的斜率。对常见工质，当温度越接近临界点，(dp/dt)_s越大，越接近三相点，该值越小。例如当CO₂在15 ℃时，该值为0.122 MPa/℃。机械泵驱动两相冷却系统在正常循环时，回路内任意两处的最大压差不可能超过机械泵所提供的压力。一般系统在15 ℃的蒸发温度和3 g/s的流量下工作，泵前后的压差要小于0.12 MPa，因此，储液器和蒸发器饱和工质的温差小于1 ℃。可见，从理论上说，通过控制储液器的温度可以精确地实现对蒸发温度的设定。

2  实验台分析

对半导体制冷片对MPCL系统蒸发温度的控制效果进行研究，测试用实验台如图1所示，其中，工质在机械泵的驱动下按箭头的方向循环；冷凝器分为WAK和RAM 2块，放置在长×宽×高为1 m×1 m×1 m的小气候箱中，以模拟在太空中冷凝器的边界温度。为了保证机械泵能正常工作，冷凝器要有足够的冷却能力，使得泵的入口液体为至少比设定温度低   5 ℃的过冷液体。若从泵出来的工质直接流入蒸发段吸热，则蒸发段的温变化大于过冷度温差，因为过冷液体首先要以显热的方式吸热然后再进入到饱和态。这样，其等温冷却的优势就难以发挥，因此，要在蒸发段的入口前用预热器将液体加热到饱和状态。热交换器的作用是将蒸发器出口的两相流体和从泵来的过冷液体进行耦合换热，使得进入蒸发器的液体接近于饱和点。

图1  机械泵驱动两相冷却系统结构原理图

Fig.1  Structure of a mechanically pumped cooling loop

实验用其他主要部件放置于长×宽×高为3.0 m×2.6 m×2.0 m的恒温气候箱内，并选用聚乙烯高发泡体PEF材料进行保温，气候箱的控温精度均为±0.5 ℃。为了模拟发热源，沿蒸发器回路贴有发热电阻，发热量为0~300 W，连续可调。为了对系统的温度和压力进行监控，在各个主要部件都布置了测量精度为  ±0.2 ℃的T型热电偶或测量精度为±0.1 ℃的Pt1000；系统的流量选用科里奥力质量流量计进行实时测量。系统选用的循环工质为CO₂，这主要是因为CO₂在饱和态的热力学性质较适合于机械泵驱动的两相流冷却系统的工作。

3  改进前控温方案的实验研究

为了实现对储液器的温度控制，最初的设计方案是将加热片固定在储液器上，实现升温控制，而降温控制则是通过管路向储液器的漏热实现。半导体制冷片安装示意图如图2所示，将半导体制冷片替换为紫铜的底座。实验中设定的蒸发段工作温度为15 ℃，系统的质量流量为3 g/s，冷凝器所在的大气候箱温度波动范围为-30~0 ℃，波动周期为90 min。系统主要温度分布如图3所示。从图3可以看出，蒸发器进出口的平均温差为0.2 ℃，与储液器的温差为0.7 ℃，并且蒸发器温度随储液器进行-0.4~0.4 ℃的波动。这主要是由于系统的阻力而引起的，测量结果也基本在计算范围以内，而蒸发器和储液器的温度波动主要是储液器的控制精度不高所引起的。储液器控温部分的设计没有独立的降温控制，只能靠漏热来实现。因此，在需要快速降低设定温度时，仅靠漏热是很难达到系统的需要的降温速度的。

图2  半导体制冷片安装示意图

Fig.2  TEC element assembly design

图3  改进前设计方案的实验结果

Fig.3  Experimental results of primary design

4  改进后控温效果的实验研究

在中国空间技术研究院的技术支持下，新型设计采用半导体制冷片和回路管路协同工作的设计结构。设计思路是将半导体冷制冷片通过导热胶粘接在2片特制的铜鞍座的中间，鞍座的一面为内弧形，以便可以焊接在圆柱形储液器的外表面，另一面内部贯穿从泵过来的外径为6 mm、内径为4 mm的不锈钢管，以利用管内的冷流体来冷却半导体制冷片的热表面(图2)。这样，在对储液器温度的控制过程中，就可以通过控制器调节半导体制冷片和加热片2个执行部件协同工作来实现设定的工作温度。

4.1  半导体制冷片降温控制实验

半导体制冷片产生的冷量不仅与自身的材料、形状和P-N结数等自身条件有关，还与工作过程中冷热面的温差和输入的电流等参数有关，总的来说，符合以下关系式^[16-17]：

假设Q_h完全被管路的过冷液体吸收，则有

在不同输入功率的条件下，测试通过半导体制冷片实现储液器的降温实验过程，结果如图4所示。可见，在制冷片的输入功率为3W时，冷却效果同仅靠漏热来降低储液器温度的效果相比，当设定温度从15 ℃下降到10 ℃时，实现时间由改进前的41.2 min缩短为21.4 min，降温速度明显提高。改变半导体制冷片的输入功率，并将实验数据代入式(2)~(3)进行计算，结果如表1所示。从表1可见，随着输入功率的增加，热端发热量始终增加，制冷量先变大后变小。这主要是因为在半导体制冷片工作过程中，输入功率在产生制冷量的同时，在其内部也会产生焦耳热。若热端所产生的热量能及时排放，则冷端可以产生较大的冷量，也就是在半导体制冷片在选型过程中要考虑制冷和制热端面的温差。当输入电流增大时，若保持冷热端面温差不变，则制冷量也增加，当输入电流增大到一定程度时，产生的焦耳热逐渐变大，造成制冷量随着输入功率的增加而减小，制冷效率也逐渐变小。当输入功率为10 W时，制冷量为12.55 W，降温速度为0.36 ℃/min，满足系统的制冷量大于10 W、降温速度大于0.25 ℃/min的设计要求。

表1  半导体制冷片工作效能实验分析

Table 1  Performance of TEC at different input powers

注：流量为2 g/s；设定温度为15 ℃；小气候箱温度为-25 ℃；蒸发器上的热负荷为200 W，输入功率为0 W，制冷量为漏热量。

图4  新设计降温速度测量实验结果

Fig.4  Experimental results of cooling rate of improved design

4.2  边界温度周期波动控制实验

为了测试新的控温方案的运行效果，对系统冷凝器处于模拟空间温度进行实验。实验中通过设定储液器的控制器来设定的蒸发段工作温度为15 ℃，系统的质量流量为3 g/s，冷凝器所在的大气候箱温度在-20~-50℃周期性变化，波动周期为90 min，并根据实验数据做出系统主要温度分布曲线，如图5所示。由图5可以看出，蒸发器的进、出口温差和蒸发器与储液器的温差与改进前的测试结果差别不大，因为这2个参数主要是由回路的阻力决定的。尽管在新的设计中，系统的管路有所变动，但是，光滑管路相对于整个系统而言，阻力的增加很小，因而，这2个温差几乎没有什么变化。与改进前相比，储液器的温度波动由原来的-0.4~0.4 ℃缩小到-0.1~0.1 ℃，基本接近于储液器上温度传感器的测量误差。由此可见，新型设计对控温精度明显提高。

图5  改进设计的周期边界实验结果

Fig.5  Experimental results of improved design

5  结  论

a. 改进前的方案中仅靠“冷回路”向储液器漏热并结合加热器实现温度控制的方法简单可行，无额外能耗，但温度控制精度较低，仅为±0.4 ℃，而且在需要快速降低蒸发温度时较难实现。

b. 改进后的方案中采用半导体制冷片与系统管路协同运行的设计思路，将降温速度从0.12 ℃/min 提高到0.36 ℃/min，满足系统制冷量大于10 W、降温速度大于0.25 ℃/min的设计要求，而且可控性也大大 增加。

c. 在相同的模拟外太空边界温度波动幅度的条件下，改进前、后蒸发段的控制精度从±0.4 ℃提高到±0.1 ℃，实现了稳定的温度控制。

d. 将半导体制冷片与机械泵驱动两相流冷却回路相结合的方法切实可行，解决了该类系统在工作温度控制中降温速度慢、控温精度低的问题，并可推广到类似的热管、毛细泵驱动回路等空间两相冷却系  统中。

致 谢：

本文得到了郭开华教授的指导和中山大学空间技术研究中心全体工作人员的大力支持，在此表示感谢。本文的实验数据和研究成果属中山大学所有。

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收稿日期：2008-10-05；修回日期：2008-12-25

基金项目：科技部国际科技合作重点资助项目(2003DF000050)；国家“973”计划前期研究专项项目(2006CB708613)；广东省人民政府科技专项项目(05003274)

通信作者：刘  杰(1977-)，男，山东沂水人，博士，讲师，从事制冷与热控研究；电话：0532-89733527；E-mail: lujor@163.com