热泵蓄冷热控方案中热电泵和机械泵对比分析.pdf

热泵～蓄冷热控方案中 热电泵和机械泵对比分析 王爱华任建勋粱新刚 (清华大学航天航宁学院，北京100084) 摘要在航天器散热面积有限的情况下，提高辐射器排热温度是一个有效措施；热 泵一蓄冷热控方案采用机械蒸汽压缩式或热电式热泵提高排热温度，并采用相变材料来抑 制大功率密度元器件温度上升过高。本文针对热泵一蓄冷热控方案中热电式热泵和机械蒸 汽压缩式热泵的性能系数、散热能力，质量，可靠性等进行理论计算和对比分析。结果 表明：机械蒸汽压缩式热泵在排热功率较大时具有较高的制冷系数，在地面和航空方面 具有成熟的应用经验。当温差不大，制冷量小时，热电式热泵比机械蒸汽压缩式热泵制 冷系数高；而且热电式热泵体积小，容易调节，无需工质，没有污染，可靠性高。综合 各方面因素，热电泵一蓄冷热控方案优于机械热泵一蓄冷排热方案。 关键词航天器蓄冷热泵热控制 引言 目前，空间技术出现了两个发展方向。一个是发展大功率、跃寿命、多用途空间平台。有些 空问平台功率超过了1万瓦ll’；航天器耗电功率大幅增加带来了高热负荷热传输和热排散问题。另 一个发展方向是质量轻、体积小、成本低、研制周期短的小卫星。虽然卫星质量和体积变小了， 但是■星能量密度却变大了；表面积变小造成了有效散热面积严重不足。这类问题可称为小卫星高 效排热问题。针对这两方面问题，新型热控系统的开发己成为当前航天热控的重要课题。 在散热面积有限的情况下，提高辐射器排热温度是一个有效的措施；热泵．蓄冷热控方案采 用蒸汽压缩式或热电式热泵提高排热温度，并采用相变材料来抑制大功率密度元器什温度上升过 高。本文拟针对两种蓄冷热控方案中热电式热泵和机械蒸汽压缩式热泵的性能系数、散热能力， 质量，可靠性等进行理论计算和对比分析。 1热泵蓄冷排热方案 随着航天器上间歇工作的大功率密度元器件的增多，航天器的排热功率有很大的波动。如中 巴地球资源卫星～号仪器舱的长期发热量为73W，短期发热量为526W，后者大约是前者7．2倍”1。 采用相变材料热控方案避免大功率密度元器件温度上升过高是一个很有吸引力的想法【3．71。大功率 组件工作时，相变材料融化释放冷量，从而限制了大功率组件的温度上升。当电子组件停止工作 时，相变材料逐渐凝固，蓄存冷量。 这样，辐射器的面积可以按照航天器周期排热量进行设计，从而达到降低辐射器的面积和重 量的目的。如果这样还不能满足排热要求，就需要采用热泵提高辐射器的排热温度，进一步提高 415 排热能力的目的。热泵蓄冷排热方案如图1和图2所示 卫星荣皮 图1热电泵一蓄冷组合排热系统 图2机械热泵一蓄冷组合排热系统 2热电泵和机械泵的对比 两种热泵蓄冷排热方案的区别在于热电泵．蓄冷组合可以直接利用卫星蒙皮作为辐射板向外 散热，没有流体回路，没有任何机械转动与传动部分；而机械热泵．蓄冷组合排热系统需要通过管 肋式辐射器散热，含有气液两相流体回路．具有运动部件。比较而言，热电泵不会由于管路泄漏， 对星上仪器造成污染；不会由于运动部件的磨损而造成运行故障，缩短寿命，可靠性很高，J一作 起来没有振动。热电泵的放置不拘方向性，不受重力场的影响；而机械热泵在微重力情况下会由 于液击而对压缩机造成伤害，这一点需要通过采用涡旋式压缩机来加以克服：微重力运行条t1+r 压缩机油的返回问题也是一个蒸汽压缩热泵设计的主要问题，这可以通过在压缩机中设计油的过 滤和返回装置加以解决。 热电泵还具有其它的优点：1)热电制冷器尺寸小，结构紧凑，占宅间小，可以制成体枞不 到lcm的袖珍式制冷器附贴于航天器局部对某一部件冷却，这是其它任何制冷方式无可比拟的， 2)重量轻，微型热电制冷器的重量可以小到只有几克到几十克。3)环境适应能力强，制冷温度 范围广。4)容易控制，通过调节T作电流的大小，可以方便地调节制冷速率；切换电流方向，能 够使热电泵下从制冷状态转变为制热状态，“制冷”、“制热”可以运用自如；作用速度快，借助丁 既能制冷又能制热的特点，可以实现温度的时序控制，既可以强化相变材料的凝|占|过程，也可以 用来强化相