王領(lǐng)華，劉 欣，王海英，鞏萌萌，王思峰，呂建偉

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高效相變蓄熱裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

王領(lǐng)華，劉 欣，王海英，鞏萌萌，王思峰，呂建偉

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076）

文章針對(duì)某飛行器艙內(nèi)大功率設(shè)備控溫需求，提出了相變蓄熱技術(shù)解決方案，建立了平板式肋片強(qiáng)化相變蓄熱裝置物理模型，根據(jù)大功率伺服舵機(jī)控制器熱耗及工作模式等參數(shù)條件，采用十八烷為相變吸熱材料，設(shè)計(jì)了一臺(tái)高效平板式肋片相變蓄熱裝置，并通過(guò)地面試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該裝置的控溫性能、穩(wěn)定性及等溫性。試驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的肋片式高效相變蓄熱裝置，在120W熱源功率下，可以將設(shè)備溫度控制在50℃以下超過(guò)3000s；榫槽形式的封裝結(jié)構(gòu)具有良好的密封性能，相變蓄熱裝置在多次相變循環(huán)后無(wú)泄漏；在3000s測(cè)試時(shí)間內(nèi)相變裝置內(nèi)部最大溫差為3℃，具有很好的等溫性。

飛行器；平板肋片；相變蓄熱；試驗(yàn)研究

0 引言

飛行器設(shè)備艙內(nèi)電子設(shè)備較多，工作模式多樣，設(shè)備的熱負(fù)荷變化范圍大，且飛行器飛行速度高，受氣動(dòng)加熱影響大；艙外表面包覆厚厚的防熱結(jié)構(gòu)，艙內(nèi)熱量無(wú)法及時(shí)排散，使得設(shè)備同時(shí)受自身熱耗和高溫輻射環(huán)境的雙重影響，容易出現(xiàn)超溫現(xiàn)象[1]。相變材料在相變過(guò)程中具有等溫或近似等溫，吸收/釋放大量潛熱的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)備工作時(shí)間較短或內(nèi)熱源發(fā)生周期性變化時(shí)能夠有效抑制這種干擾，保持設(shè)備溫度相對(duì)穩(wěn)定，并能很好地將設(shè)備的溫度控制在正常工作溫度范圍內(nèi)，因此相變蓄熱技術(shù)在飛行器艙內(nèi)設(shè)備熱控設(shè)計(jì)中具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。

20世紀(jì)40年代，相變蓄熱材料最早用于建筑節(jié)能方面[3]。Humphries 等[4]對(duì)相變蓄熱材料在航空航天方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了相變蓄熱裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；周建輝等[5]對(duì)相變蓄熱數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了研究，并利用焓法建立了儲(chǔ)能裝置數(shù)學(xué)模型；菅魯京等[6]針對(duì)衛(wèi)星熱控需求，建立了固-液相變裝置的物理模型，分析了其傳熱性能，為衛(wèi)星熱控設(shè)計(jì)提供了依據(jù)；呂敏輝等[7]對(duì)鋁制肋片式相變裝置中的儲(chǔ)熱、放熱過(guò)程，材料的熔化和凝固過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了熱流體入口溫度、流量對(duì)材料儲(chǔ)、放熱速率的影響；Myers[8]對(duì)納米尺度相變傳熱數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，分別針對(duì)相變材料熔化和凝固2個(gè)過(guò)程提出了合理的數(shù)學(xué)模型；Katherine 等[9]對(duì)不同工況條件下的相變蓄熱裝置進(jìn)行研究，開(kāi)展了多次相變材料凝固和熔化試驗(yàn)，獲取了大量數(shù)據(jù)為數(shù)值分析提供支撐；ZHANG等[10]在如何提升相變材料焓值和穩(wěn)定性方面開(kāi)展了大量研究，認(rèn)為復(fù)合定型相變材料能夠很好改善當(dāng)前相變材料的不足。

本文針對(duì)某飛行器大功率伺服舵機(jī)控制器的溫度控制需求，結(jié)合相變材料相變過(guò)程中潛熱大、性能穩(wěn)定和易于重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，以及相變材料本身導(dǎo)熱率低的問(wèn)題，建立了肋片式強(qiáng)化相變蓄熱裝置物理模型，設(shè)計(jì)并研制出肋片式相變蓄熱裝置，并順利通過(guò)地面試驗(yàn)考核，可為飛行器艙內(nèi)設(shè)備或短時(shí)工作的大功率設(shè)備熱控設(shè)計(jì)提供重要的借鑒。

1 數(shù)學(xué)物理模型

1.1 問(wèn)題描述

飛行器艙內(nèi)大功率伺服舵機(jī)控制器熱耗為120W，持續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)接近3000s，要求溫度上限不超過(guò)50℃，因此需要采用相變蓄熱技術(shù)確保飛行器全任務(wù)剖面設(shè)備工作在正常溫度范圍內(nèi)。相變蓄熱裝置由于具有無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、可靠性高、不耗電、適用于周期性脈沖式工作的設(shè)備等特點(diǎn)，在飛行器熱控設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多[11]。一般相變材料的導(dǎo)熱率都很低，石蠟類(lèi)相變材料的導(dǎo)熱率約為0.15W/(m2·K)。低導(dǎo)熱率將導(dǎo)致相變材料內(nèi)部的溫度梯度較大，從而使設(shè)備內(nèi)部的溫度升高，并容易出現(xiàn)超溫問(wèn)題，因此采用平板式肋片結(jié)構(gòu)改善相變材料的熱擴(kuò)散率十分必要。

圖1所示為肋片式高效相變蓄熱裝置的物理模型，豎直平板類(lèi)型的肋片與相變裝置的側(cè)面板和下底板均一體成型，飛行器艙內(nèi)伺服舵機(jī)控制器產(chǎn)生的熱量首先傳輸?shù)较嘧冄b置的下底板，然后通過(guò)下底板、側(cè)板和肋片快速擴(kuò)散至相變材料；利用相變材料在固-液相變過(guò)程中吸收大量的熱，來(lái)抑制伺服舵機(jī)控制器工作過(guò)程中的溫度升高，保證其正常工作溫度范圍。

圖1 肋片式相變蓄熱裝置物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

在肋片式高效相變蓄熱裝置設(shè)計(jì)中肋片的數(shù)量、厚度、高度以及肋片間距是影響裝置傳熱效率的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。在航天器中對(duì)所有載荷的重量控制均較為嚴(yán)格，因此在相變裝置設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮以上各參數(shù)與裝置重量之間的平衡。

在確定肋片數(shù)量時(shí)，由于金屬材料相比相變材料傳熱系數(shù)高、傳熱速率快，因此可以將相變裝置的鋁制金屬框架假設(shè)為等溫體，先利用公式(1)計(jì)算出金屬框架的總表面積cp，再確定肋片的數(shù)量。

式中：c,max為相變裝置最高溫度；m為相變材料相變點(diǎn)溫度；p為相變蓄熱裝置吸收的熱耗；為金屬框架到相變材料的傳熱路徑最大值；l為相變材料導(dǎo)熱率。

在相變蓄熱裝置肋片高度及厚度設(shè)計(jì)中可以參考肋片效率最優(yōu)方法，假設(shè)肋片由一端至另一端沿高度方向單向傳熱。肋片效率表示肋片實(shí)際散熱量與理想情況（即假定肋片材料的導(dǎo)熱系數(shù)為無(wú)限大，肋片上任一點(diǎn)溫度均等于肋根溫度）散熱量0之比，即f=/0。對(duì)于等截面矩形肋，其理想散熱量為0=f(0?f)，其中：為相變材料與肋片間的對(duì)流換熱系數(shù)；f為肋片表面積，f=，為肋高，為肋截面的周長(zhǎng)；0和f分別為肋片溫度和相變材料溫度。由導(dǎo)熱微分方程和邊界條件

可得肋片的傳熱量

=c(0?f)tanh()。 (3)

由式(3)可以變形得到

由式(5)可以得到當(dāng)=3時(shí)，最大。工程設(shè)計(jì)中，肋片高度應(yīng)≤3。繼續(xù)增加高度，無(wú)助于散熱量的增加，反而會(huì)造成裝置質(zhì)量、體積的增加和材料浪費(fèi)。矩形直肋的最佳參數(shù)值見(jiàn)表1所示。根據(jù)上述計(jì)算方法可獲得平板式肋片相變蓄熱裝置的最優(yōu)肋片高度、肋片厚度等參數(shù)，綜合考慮后，肋片高度取50mm，肋片厚度取0.5mm。

表1 矩形直肋最佳參數(shù)值

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)相變蓄熱裝置的無(wú)泄漏、無(wú)腐蝕等性能要求，采用與金屬鋁殼具有很好相容性的十八烷相變材料，其物性參數(shù)如表2所示。

表2 十八烷材料的物性參數(shù)

肋片式高效相變蓄熱裝置結(jié)構(gòu)的外形尺寸為260mm×120mm×50mm，分為上下2部分，均采用等間距肋片布局，下部用于填充相變材料，上部蓋板用于填充相變材料后進(jìn)行密封，參見(jiàn)圖2。采用榫槽加密封橡膠圈的密封形式確保相變材料無(wú)泄漏，提高可靠性。

圖2 相變裝置結(jié)構(gòu)實(shí)物照片

3 測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)在常溫下的水平測(cè)試臺(tái)上完成，主要對(duì)相變蓄熱裝置的蓄熱能力、穩(wěn)定性能和內(nèi)部等溫性進(jìn)行了測(cè)試。整個(gè)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、數(shù)字萬(wàn)用表、溫度采集儀、設(shè)備供電模塊、儀器托板、伺服舵機(jī)控制器、熱電偶和試驗(yàn)臺(tái)等，架構(gòu)如圖3所示。

圖3 相變蓄熱裝置溫度測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)過(guò)程中伺服舵機(jī)控制器和相變蓄熱裝置的擺放形式與其在飛行器艙內(nèi)的安裝形式保持一致，分別安裝在儀器托板相同位置的兩側(cè)，且安裝面處填充導(dǎo)熱硅脂，增強(qiáng)傳熱效果，確保伺服舵機(jī)控制器產(chǎn)生的熱量能夠及時(shí)擴(kuò)散至相變蓄熱裝置中。在伺服舵機(jī)控制器設(shè)備表面粘貼2支熱電偶溫度傳感器測(cè)量其溫度狀況；在相變裝置內(nèi)部不同位置設(shè)置7個(gè)測(cè)溫點(diǎn)安裝鎧裝熱電偶，以獲取裝置內(nèi)部的等溫性能，測(cè)點(diǎn)布局如圖4所示。考慮到熱量在試驗(yàn)系統(tǒng)中傳輸過(guò)程的漏熱因素會(huì)影響所測(cè)得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)設(shè)備、安裝板和相變裝置等裝配體使用隔熱氈進(jìn)行包裹，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖5所示。

圖4 相變蓄熱裝置內(nèi)部測(cè)點(diǎn)布局

圖5 相變蓄熱裝置測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

根據(jù)上述試驗(yàn)，獲得伺服舵機(jī)控制器的溫度測(cè)試結(jié)果如圖6所示。在加熱功率為120W的條件下，相變蓄熱裝置在2500s左右開(kāi)始熔化，可以將伺服舵機(jī)控制器的溫度控制在50℃以下超過(guò)3000s，滿(mǎn)足伺服舵機(jī)控制器的熱控要求。

圖6 伺服舵機(jī)控制器溫升曲線(xiàn)

在相變蓄熱裝置穩(wěn)定性測(cè)試中，平行肋板高效相變蓄熱裝置經(jīng)過(guò)19次相變循環(huán)后的質(zhì)量變化見(jiàn)表3。從表中可以看出，經(jīng)過(guò)19次循環(huán)后，十八烷的質(zhì)量損失為1.6g，損失率為0.2%，說(shuō)明相變蓄熱裝置具有良好的密封性能，可以在多次相變循環(huán)后無(wú)泄漏，穩(wěn)定性良好。

表3 平行肋板相變蓄熱組件相變循環(huán)后質(zhì)量變化

在相變蓄熱裝置等溫性測(cè)試中，相變蓄熱裝置內(nèi)部各測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。

圖7 相變裝置內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線(xiàn)

從圖中可以看出，所設(shè)計(jì)的平板式肋片相變蓄熱裝置內(nèi)部不同位置的溫差較小，最大為3℃，說(shuō)明裝置的等溫性較好，能夠保證裝置底面的熱量及時(shí)擴(kuò)散至相變材料內(nèi)部。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了解決某飛行器艙內(nèi)大功率伺服舵機(jī)控制器散熱難、易超溫的問(wèn)題，對(duì)相變蓄熱技術(shù)進(jìn)行了研究，采用十八烷作為相變材料，建立平板式肋片相變蓄熱裝置數(shù)學(xué)模型，對(duì)肋片數(shù)量和肋片厚度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一臺(tái)高效相變蓄熱裝置。通過(guò)在舵機(jī)控制器儀器托板背面安裝相變蓄熱裝置進(jìn)行蓄熱性能、穩(wěn)定性和等溫性等方面試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：

1）采用本文所設(shè)計(jì)的平板式肋片相變蓄熱裝置能夠大大改善相變材料自身導(dǎo)熱差的缺點(diǎn)，保證伺服舵機(jī)控制器工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量及時(shí)擴(kuò)散至相變材料內(nèi)部。

2）相變蓄熱裝置上下蓋板采用交叉布置肋片的形式能夠較好地提升裝置的導(dǎo)熱性能，試驗(yàn)測(cè)得相變裝置等溫性能良好，整體溫差不超過(guò)3℃。

3）平板式肋片相變蓄熱裝置具有很好的控溫性能，滿(mǎn)足在120W熱源下控溫在50℃以?xún)?nèi)的時(shí)間達(dá)到3000s的需求，并能夠在多次重復(fù)蓄/放熱過(guò)程中保持質(zhì)量不變，具有很好的穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性，滿(mǎn)足飛行器艙內(nèi)伺服舵機(jī)控制器熱控指標(biāo)的要求。

4）該措施對(duì)解決短時(shí)和周期性工作的大功率發(fā)熱設(shè)備溫度控制難題具有很好的借鑒意義，并可進(jìn)一步推動(dòng)熱控領(lǐng)域?qū)π滦拖嘧儾牧虾徒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探索。

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（編輯：王 洋）

Structure design and experimental research of a high efficiency phase change heat storage device

WANG Linghua, LIU Xin, WANG Haiying, GONG Mengmeng, WANG Sifeng, Lü Jianwei

(Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

This paper proposes a phase change heat storage technology solution, for the temperature control requirement of the high power equipment in the cabin of the vehicle. And a physical model of the finned reinforced phase change heat storage device is established. A high efficiency finned phase change heat storage device is designed, according to the parameters such as the heat source power and the operating mode of the high power servo actuator controller. And the ground test is carried out, to verify the temperature control performance of the phase change heat storage device, the stability, and the internal temperature difference. The test results indicate that the device can be controlled below 50℃ for more than 3000s under the heat source power of 120W. A good sealing performance is achieved with the use of the tongue and the groove in the form of a package structure, and the same performance can retain under a number of phase change cycles. The phase change heat storage device is in an isothermal state, and the internal maximum temperature difference is 3℃ after the heat source is maintained for 3000s.

vehicle; flat plate type fin; phase change heat storage; experimental research

V414.6

A

1673-1379(2017)06-0667-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.06.016

王領(lǐng)華（1987—），男，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)楹教炱鳠峥叵到y(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、仿真及試驗(yàn)。E-mail: panlai@yeah.net。

2017-08-21；

2017-11-20

863-706某重大項(xiàng)目支撐