專利名稱：一種單元熱管吸熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種單元熱管吸熱器，更具體地，涉及一種空間站太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的單元熱管吸熱器。
背景技術(shù)：
航天技術(shù)是人類開(kāi)展空間活動(dòng)，探索、開(kāi)發(fā)和利用外層空間的綜合性工程技術(shù)，是當(dāng)今世界高科技群體中最具影響力的科學(xué)技術(shù)之一，它使人類活動(dòng)范圍從地面擴(kuò)展到太空，從根本上改變了人們的思維方式、生產(chǎn)方式和生活方式。自第一顆人造衛(wèi)星上天以來(lái)，空間技術(shù)不斷滲透到人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域，而空間科學(xué)的發(fā)展則帶給世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展以嶄新的視角?？臻g站作為空間探索的太空基地和航天員的空間活動(dòng)平臺(tái)，必將成為下一階段的航天發(fā)展目標(biāo)，而電力供應(yīng)則是維持空間站正常運(yùn)行和其它航天活動(dòng)的基礎(chǔ)。目前，航天器普遍采用太陽(yáng)能光伏電池陣與化學(xué)蓄電池組合的供電方式。太陽(yáng)能光伏電池陣發(fā)電系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率較低，如硅電池的效率約15 %，砷化鎵光電池的轉(zhuǎn)換效 率雖然達(dá)到了 18.5%，但成本卻是硅電池的近兩倍。隨著功率的增加，光伏電池陣迎風(fēng)面積將顯著增大，使得發(fā)射成本和軌道維護(hù)成本大大增加；此外，蓄電池的壽命較短，在空間站運(yùn)行期間需經(jīng)常更換，增加了總的運(yùn)行成本。太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)是一種新型空間太陽(yáng)能/電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，它首先把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，然后通過(guò)一種熱力循環(huán)把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。它的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)質(zhì)量和迎風(fēng)面積小、能量轉(zhuǎn)換效率較高，總效率可達(dá)20. 8%左右。較高的熱效率意味著較小的截取陽(yáng)光面積,也就意味著氣動(dòng)阻力的降低，這可以減少近地軌道長(zhǎng)壽命航天器軌道再提升的次數(shù)，有利于在較低軌道工作，可以使航天飛機(jī)往來(lái)飛行時(shí)，有較大的裝載能力，較低的單位質(zhì)量發(fā)射成本。圖I所示為空間站太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理，它利用拋物型的聚能器截取太陽(yáng)能，并將其聚集到吸熱器的圓柱形腔內(nèi)，被吸收轉(zhuǎn)換成熱能，其中一部分熱能傳遞給循環(huán)工質(zhì)，另一部分熱量則被封裝在多個(gè)小容器內(nèi)的PCM(相變材料，Phase ChangeMaterial)通過(guò)熔化而吸收儲(chǔ)存起來(lái)。吸熱后的循環(huán)工質(zhì)在渦輪內(nèi)膨脹做功，推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。膨脹做功后的循環(huán)工質(zhì)經(jīng)過(guò)回?zé)崞髋c由壓縮機(jī)出來(lái)的高壓工質(zhì)進(jìn)行換熱，再經(jīng)過(guò)工質(zhì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)一步排熱降溫，進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮，經(jīng)過(guò)回?zé)崞黝A(yù)熱，再次進(jìn)入吸熱器，完成一個(gè)循環(huán)過(guò)程。工質(zhì)冷卻系統(tǒng)由工質(zhì)冷卻器、泵和輻射器組成，廢熱主要通過(guò)輻射器釋放到宇宙空間。在軌道陰影期，PCM在相變點(diǎn)附近凝固釋熱，充當(dāng)熱機(jī)熱源來(lái)加熱循環(huán)工質(zhì)，使得空間站處于陰影期時(shí)仍能連續(xù)工作發(fā)電?？臻g站在軌道運(yùn)行時(shí)，必然經(jīng)過(guò)太陽(yáng)陰影期。要保證發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、連續(xù)供電，必須采用蓄熱裝置。在太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)中，將吸熱、蓄熱、與工質(zhì)換熱三項(xiàng)功能集合在一起的部件稱為吸熱器。當(dāng)航天器處于日照區(qū)時(shí)，反射器收集太陽(yáng)能并將太陽(yáng)能聚集到位于拋物面焦點(diǎn)的吸熱器腔口。進(jìn)入腔體后，其中一部分能量用來(lái)加熱循環(huán)工質(zhì)，另一部分被蓄熱介質(zhì)吸收儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)航天器進(jìn)入陰影區(qū)后，蓄熱介質(zhì)釋放出能量給循環(huán)工質(zhì)，維持其出口溫度在循環(huán)所要求的最低峰值溫度以上，使動(dòng)力系統(tǒng)在陰影區(qū)與日照區(qū)一樣運(yùn)行發(fā)電。吸熱器的質(zhì)量大約占發(fā)電系統(tǒng)總系統(tǒng)質(zhì)量的1/3，減少吸熱器的質(zhì)量對(duì)于減少發(fā)電系統(tǒng)的成本有重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有空間站太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的吸熱器的缺點(diǎn)和不足，提供一種新型的單元熱管吸熱器，該熱管吸熱器不僅能改善溫度均勻性，而且能充分有效利用相變材料，這使得吸 熱器變得質(zhì)量輕，體積小，效率高。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，提供了一種單元熱管吸熱器，包括單元熱管和多個(gè)PCM容器，所述單元熱管包括吸熱段、蓄熱段和冷凝段，其特征在于，所述多個(gè)PCM容器層疊套裝在單元熱管蓄熱段的外壁上，單元熱管蓄熱段的外壁上設(shè)置微型槽，微型槽中填加有焊料，所述多個(gè)PCM容器和單元熱管通過(guò)所述微型槽焊接成一體，所述多個(gè)PCM容器之間用陶瓷纖維墊片隔開(kāi)。進(jìn)一步地，所述單元熱管吸熱器還包括熱源熱交換器，所述熱源熱交換器套裝在單元熱管冷凝段的外壁上，在單元熱管冷凝段的外壁上也加工有微型槽，在該微型槽中也填加有焊料，所述熱源熱交換器和單元熱管通過(guò)所述微型槽焊接成一體。優(yōu)選地，所述陶瓷纖維墊片為厚度為0. 51mm的碳化硅陶瓷纖維墊片。進(jìn)一步地，所述PCM容器的殼體包括內(nèi)環(huán)、外環(huán)、底蓋、頂蓋，這些部件之間通過(guò)電子束焊接在一起。優(yōu)選地，所述PCM為摩爾百分比為80. 5 19. 5的LiF和CaF2組成的80. 5LiF-19. 5CaF2 氟鹽。優(yōu)選地，所述單元熱管的工質(zhì)為鈉。同現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的單元熱管吸熱器具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)(1)該熱管吸熱器不僅能改善溫度均勻性，而且能充分有效利用相變材料，這使得吸熱器變得質(zhì)量輕，體積小，效率高；(2)這種單個(gè)密封PCM容器的結(jié)構(gòu)形式制造加工較容易且有相當(dāng)高的可靠性，個(gè)體PCM容器的破壞不會(huì)影響到別的PCM容器，對(duì)吸熱器性能產(chǎn)生的影響很小，PCM容器的小尺寸結(jié)構(gòu)也減少了由于PCM凝固形成空穴致使PCM容器壁空穴處形成高的應(yīng)力集中而造成的破壞。

圖I為空間站太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖。圖2為本實(shí)用新型的單元熱管吸熱器的示意圖。圖3為本實(shí)用新型的單元熱管吸熱器中熱管的橫截面示意圖。圖4為本實(shí)用新型的單元熱管吸熱器中PCM容器的橫截面示意圖。圖5為PCM容器殼體焊縫接頭示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本實(shí)用新型，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本實(shí)用新型而不用于限制本實(shí)用新型的范圍，在閱讀了本實(shí)用新型之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本實(shí)用新型的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。[0020]如圖2所示，本實(shí)用新型的單元熱管吸熱器，包括單元熱管I和多個(gè)PCM容器2，所述單元熱管I包括吸熱段、蓄熱段和冷凝段，所述多個(gè)PCM容器2層疊套裝在單元熱管I蓄熱段的外壁上，單元熱管I蓄熱段的外壁上設(shè)置微型槽，微型槽中填加有焊料，所述多個(gè)PCM容器2和單元熱管I通過(guò)所述微型槽焊接成一體，所述多個(gè)PCM容器2之間用陶瓷纖維墊片隔開(kāi)。 按照如下的方法制作單元熱管吸熱器一 . PCM容器的制造與封裝
I. PCM容器的制造工藝PCM容器的橫截面如圖4所示，首先對(duì)容器材料在真空下進(jìn)行固溶處理，一方面有利于機(jī)械冷加工，另一方面固溶處理后的合金強(qiáng)度較低而塑性很高，可減少焊接熱裂紋的敏感性。然后按零件圖將內(nèi)環(huán)、外環(huán)及頂蓋、底蓋4個(gè)零件加工好。一個(gè)完整的PCM容器的制造過(guò)程包括開(kāi)口容器的制備、PCM的熔敷和充裝、容器的焊接封裝及容器的檢漏或焊縫檢查。PCM容器各零件的加工要點(diǎn)如下(I)按零件圖加工各零件；(2)將加工好的零件加熱蒸洗(可用三氯乙烯)，目的是除掉切削過(guò)程中殘留在零件表面的油潰；(3)蒸洗后的零件放入氫氣爐中在1038°C下熱處理，以減少零件表面的氧化物，熱處理后的零件表面形成一層藍(lán)黑色的薄層，這一薄層經(jīng)元素分析發(fā)現(xiàn)存在一些合金成份中沒(méi)有的元素，必須進(jìn)一步進(jìn)行表面處理；(4)對(duì)零件表面噴砂處理，然后拋光，直至成為純凈的合金表面；(5)拋光后的零件超聲波擾動(dòng)清洗，然后在真空加熱爐中烘干；(6)從真空爐中取出零件后再用細(xì)砂紙拋光處理，然后用丙酮擦拭干凈備用；(7)將內(nèi)、夕卜環(huán)與底蓋用真空電子束焊接成為開(kāi)口容器；(8)PCM在液態(tài)下充裝到開(kāi)口容器內(nèi)直至合適的質(zhì)量，同時(shí)作除氣處理；(9)容器的封裝與焊縫檢驗(yàn)。2. PCM的制備與充裝工藝PCM采用氟鹽80. 5LiF_19. 5CaF2(摩爾百分比)，其熔點(diǎn)為1040K。以下為充裝工藝要點(diǎn)(I)PCM的制備，將氟鹽80. 5LiF-19. 5CaF2放入真空加熱爐中加熱至熔點(diǎn)溫度1040K以上，使其完全熔化除去其中夾雜的氣體和水分，然后關(guān)掉電爐使其凝結(jié)為固態(tài)，再將其粉碎為直徑小于0. 5mm的顆粒以便于充裝。(2)PCM的充裝，稱取一定質(zhì)量(設(shè)計(jì)充裝量)80. 5LiF-19. 5CaF2顆粒裝入加工好的開(kāi)口容器內(nèi)，放入真空加熱爐加熱熔化，再次除水氣后關(guān)掉電爐讓PCM在爐內(nèi)緩慢冷卻凝固。3.真空電子束焊接工藝(I)高溫合金焊接特性，高溫合金焊接時(shí)遇到的對(duì)焊接質(zhì)量影響最大的冶金缺陷是焊接接頭熱裂紋。熱裂紋敏感性作為評(píng)價(jià)高溫合金焊接性能的主要判據(jù)。熱裂紋主要為焊縫金屬凝固裂紋和液化裂紋及熱影響區(qū)沿晶裂紋，在高溫使用過(guò)程中，可能形成再熱裂紋或應(yīng)變時(shí)效裂紋。高溫合金的化學(xué)成份、組織結(jié)構(gòu)、冶金質(zhì)量、焊件的拘束度(含接頭形式)、熱處理狀態(tài)、焊接工藝參數(shù)等因素都對(duì)焊接熱裂紋的形成有較大的影響。合金中存在冶金缺陷和冶金工藝不當(dāng)，對(duì)其焊接質(zhì)量有影響。一般采用真空冶煉的合金能避免焊接過(guò)程中形成低熔點(diǎn)的共晶偏聚于晶界，熱裂紋敏感性較小。另外，合金的晶粒度和組織對(duì)焊接熱裂紋敏感性也具有影響，晶粒度細(xì)小的合金敏感性較小。焊接工藝技術(shù)要點(diǎn)1)焊前徹底清除待焊接區(qū)域表面氧化物及其它污物，特別注意微量Cu污染會(huì)引起焊縫金屬形成熱裂紋。2)采用較低的焊接線能量工藝參數(shù)焊接。(2)器件工序安排，完成器件的焊接工藝，其工序除了焊接工藝外，還包括焊前準(zhǔn)備和焊后處理。工序技術(shù)要點(diǎn)如下焊前熱處理一接頭形式確定及機(jī)械加工一工裝夾具的設(shè)計(jì)和機(jī)械加工一待焊零件表面處理一底蓋定位焊一底蓋與內(nèi)環(huán)的焊接一底蓋內(nèi)環(huán)焊縫質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)一底蓋與外環(huán)焊接一底蓋外環(huán)焊縫無(wú)損檢測(cè)一PCM的充裝一開(kāi)口容器和殘余熔敷物的清理一頂蓋定位焊一頂蓋內(nèi)環(huán)焊接一頂蓋外環(huán)焊接一焊后清理和加工。(3)焊前熱處理，高溫合金的焊前狀態(tài)對(duì)焊接熱裂紋敏感性有較大影響，固溶狀態(tài)高溫合金的熱裂紋敏感性較小，冷軋狀態(tài)最大。固溶處理后合金為軟態(tài)，其強(qiáng)度相對(duì)低些而塑性較高，焊接應(yīng)力和拘束度較小，故這種狀態(tài)下焊接熱裂紋敏感性小。為防止焊接熱紋產(chǎn)生，需對(duì)零件采取真空條件下固溶處理，固溶溫度相變點(diǎn)附近；固溶時(shí)間20min ;真空度2X10_3Pa ;冷卻速度(300C /min。(4)焊接接頭設(shè)計(jì)，如圖5所示，內(nèi)環(huán)接頭為帶臺(tái)階的嵌入配合接頭,配合面公差0.3mm，這種接頭為常見(jiàn)的電子束焊接接頭形式。(5)開(kāi)口容器的焊接，I)內(nèi)環(huán)圓焊縫的定位焊，采用電子束三點(diǎn)定位，定位焊點(diǎn)長(zhǎng)IOmm左右。2)內(nèi)環(huán)圓焊縫的焊接，在工裝的夾持作用下，零件以垂直方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)完成圓焊縫的焊接。焊接工藝參數(shù)加速電壓60KV，束流11mA，聚焦電流595mA，焊接速度18mm/s，工作真空度2 X 10_4torr。工裝起裝配夾持和防 止變形的作用。3)底蓋與外環(huán)環(huán)焊縫的焊接，零件以水平方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)完成環(huán)焊縫焊接。焊接工藝參數(shù)加速電壓60kV，束流13mA，聚焦電流618mA，焊接速度18mm/s，工作真空度2 X 10-4torr。4)焊縫質(zhì)量檢測(cè)，焊后對(duì)每一條焊縫先進(jìn)行目測(cè)檢驗(yàn)焊縫外觀成形，然后在顯微鏡下觀察其表面微裂紋。對(duì)在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)微裂紋的個(gè)別焊縫施行鎢極氬弧焊填GH188材料重熔修復(fù)。(6)容器的封裝1)熔敷后表面清理，由于LiF良好的浸潤(rùn)性，需對(duì)熔敷后開(kāi)口容器進(jìn)行清理，主要是清理待焊接區(qū)域，對(duì)此采用機(jī)械加工和手工打磨處理。2)上端蓋的封裝焊接與檢驗(yàn)，清潔后的開(kāi)口容器與頂蓋首先需要定位焊，采用展開(kāi)真空電子束焊對(duì)外環(huán)進(jìn)行定位。定位后同底蓋焊接時(shí)的電子束工藝參數(shù)完成頂蓋與內(nèi)、外環(huán)的焊接。焊縫質(zhì)量的初檢同上。(7)容器檢漏工藝，容器的檢漏可用顯微鏡觀察、著色檢查法及顯微X光照相3種檢測(cè)手段配合進(jìn)行。焊接過(guò)程中，每焊完一道通焊縫及時(shí)用顯微鏡觀察檢驗(yàn)是否有微裂紋，如有重新進(jìn)行電子束焊。對(duì)封裝完成的PCM容器進(jìn)行著色法檢查，發(fā)現(xiàn)有缺陷應(yīng)打磨后施行鎢極氬弧焊填GH188重熔修復(fù)。全部焊完后再用顯微X光照相檢驗(yàn)焊縫形貌如穿透深度等。油滲著色檢查法是檢查合金鋼焊縫表面微小缺陷最有效的方法，它主要是使用顏料加油作滲透劑，以能吸附油質(zhì)而揮發(fā)性較強(qiáng)的火棉膠、丙酮等作為顯色劑，其靈敏度很高，肉眼看不見(jiàn)的晶界顯微裂紋都可以檢查出來(lái)，并且使用方便。表I所示為油滲著色配方表。其操作方法為，首先清理待檢查表面至發(fā)出金屬光澤程度，用毛刷涂上滲透劑，2 3min后，用干凈布認(rèn)真仔細(xì)地將滲透劑擦干凈，涂顯色劑，只待片刻，顯色劑即干燥。如有缺陷，即可在白色底上顯出紅色條紋或斑點(diǎn)。檢查完后，用丙酮徹底清洗檢查表面。表I油滲著色的配方表[0034]
權(quán)利要求1.一種單元熱管吸熱器，其特征在于，所述單元熱管吸熱器包括單元熱管(I)和多個(gè)PCM容器(2)，所述單元熱管(I)包括吸熱段、蓄熱段和冷凝段，所述多個(gè)PCM容器(2)層疊套裝在單元熱管(I)蓄熱段的外壁上，單元熱管(I)蓄熱段的外壁上設(shè)置微型槽，微型槽中填加有焊料，所述多個(gè)PCM容器(2)和單元熱管(I)通過(guò)所述微型槽焊接成一體，所述多個(gè)PCM容器⑵之間用陶瓷纖維墊片隔開(kāi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單元熱管吸熱器，其特征在于，所述單元熱管吸熱器還包括熱源熱交換器(3)，所述熱源熱交換器(3)套裝在單元熱管(I)冷凝段的外壁上，在單元熱管(I)冷凝段的外壁上也加工有微型槽，在該微 型槽中也填加有焊料，所述熱源熱交換器(3)和單元熱管(I)通過(guò)所述微型槽焊接成一體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單元熱管吸熱器，其特征在于，所述陶瓷纖維墊片為厚度為0.51mm的碳化硅陶瓷纖維墊片。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單元熱管吸熱器，其特征在于，所述PCM容器(2)的殼體包括內(nèi)環(huán)、外環(huán)、底蓋、頂蓋，這些部件之間通過(guò)電子束焊接在一起。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單元熱管吸熱器，其特征在于，所述PCM為摩爾百分比為80. 5 19. 5 的 LiF 和 CaF2 組成的 80. 5LiF_19. 5CaF2 氟鹽。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單元熱管吸熱器，其特征在于，所述單元熱管(I)的工質(zhì)為鈉。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種空間站太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的單元熱管吸熱器及其制作方法，該熱管吸熱器包括單元熱管(1)、多個(gè)PCM容器(2)和熱源熱交換器(3)，所述單元熱管(1)包括吸熱段、蓄熱段和冷凝段，所述多個(gè)PCM容器(2)層疊套裝在單元熱管(1)蓄熱段的外壁上，熱源熱交換器(3)套裝在單元熱管(1)冷凝段的外壁上，單元熱管(1)和PCM容器(2)、熱源熱交換器(3)之間的結(jié)合面上設(shè)置微型槽，微型槽中填加有焊料，各部件通過(guò)所述微型槽焊接成一體，所述多個(gè)PCM容器(2)之間用陶瓷纖維墊片隔開(kāi)。本實(shí)用新型的熱管吸熱器不僅能改善溫度均勻性，而且能充分有效利用相變材料，這使得吸熱器變得質(zhì)量輕，體積小，效率高。
文檔編號(hào)F24J2/46GK202562106SQ201220147498
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者桂小紅, 唐大偉, 邢玉明, 袁修干 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所