文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123143
AMS低温冷却系统环路热管设计与测试
崔峥,王乃华,程林*
(山东大学热科学与工程研究中心,济南,250061)
(Tel:0531-88399598,Email:anita317@)
摘要本文对阿尔法磁谱仪实验低温冷却系统所采用的并联环路热管系统进行了热真空模拟实验,对该环路热管在真空水平低温条件下的启动特性进行了分析。研究发现真空水平低温条件下,热沉温度和重力对环路热管的启动有着很大的影响。
关键词环路热管;水平;热沉温度;启动特性;重力。
0前言
阿尔法磁谱仪(AMS)是安装在国际空间站的唯一大型科学仪器,其科学目标是在太空中探索暗物质和反物质的存在[1]。热系统作为阿尔法磁谱仪的重要组成部分,是其所有探测器稳定运行的基础。
环路热管(Loop Heat Pipe,简称LHP),是AMS热控系统中重要的热元件。其传热机理是,通过毛细芯产生的毛细力驱动工质循环并发生相变,完成从热源到热沉的传热过程。由于环路热管循环过程无需外力驱动,传热性能高,传热温差小,安装方便,被越来越广泛的应用于航天飞行器热控领域[2]。
环路热管的启动是一个非常复杂的瞬态过程,也是制约其工程化的关键。目前环路热管的研究主要集中在航天器热控领域,通常采用实验研究的方法,进而对理论进行分析和验证,从而带动应用的研究和发展[3~6]。本文以阿尔法磁谱仪低温冷却器(Cryocooler)环路热管为研究对象,并对其在热真空与热平衡测试中的结果进行了相应的分析。
1 阿尔法磁谱仪低温冷却系统的热设计
阿尔法磁谱仪随国际空间站每90分钟环绕地球一周,加之地球和太阳的相对运动以及地球的自转因素等,导致AMS的外部热环境非常复杂。同时考虑到探测器对温度的依赖性,因而增加温度对时间和量的稳定性能够使物理分析发生系统偏移的可能性最小。因此AMS热系统设计的目标就是保证实验系统的稳定并且优化各探测器的性能。
低温冷却系统是AMS重要的子系统,由四组低温冷却器(Cryocooler,)及其热控系统组成。低温冷却器与AMS真空仓和外层蒸汽冷却罩(VCS, 60-80K)相连,用来保证磁铁的低温环境。每个低温冷却器通过消耗一定的功率(60W~150W)提取内部
基金项目:山东省2009自主创新成果转化重大专项计划“阿尔法磁谱仪”,2009ZHZX1A1105
热量(3W~8W)。低温冷却器Cryocooler共有四组,为方便起见,根据其位置不同,分别
为CC####4。环路热管的蒸发器安装在低温冷却器散热环(Reject Collar)两侧,将热量传递至顶部散热板并释放至外部空间。如图1、2。
图1 低温冷却器及其环路热管
图2 低温冷却器四组环路热管及其顶部散热板
对低温冷却系统热设计要求是:1)将低温冷却器本身产生的热量(60W~150W)及提取的热量(3W~8W)释放出去;2)满足低温冷却器部件本身的热要求(非运行温度范围-40°C ~+40°C;运行时温度范围-10°C ~+40°C)。[7]
为了满足设计要求,每组环路热管采用并联冗余设计,同时考虑到其所处的特殊低温环境,内部工质均采用高纯度丙烯(冻结温度为-189°C,纯度≥%),从而降低了工质在低温环境下冻结的可能性。其结构包括蒸发器、补偿室、蒸汽管路、液体管路、旁路阀、冷凝器以及启动加热器(575Ω,最大6W)。除冷凝器座板为铝合金外,其余均为不锈钢。
蒸发器采用了特殊的主副毛细芯结构,主毛细芯为镍粉烧结多孔材料,次毛细芯为不锈钢网孔,内有4组矩形轴向槽道。主毛细芯孔径较小,提供循环所需的毛细力,次毛细芯在主毛细芯和储液器中间,孔径较大,利于补偿室和蒸发器之间的流体流动并为主毛细芯补充液体。每只环路热管都装有一只加热器和温控器,一方面为了防止低温冷却器温度过低而损坏,另一方面有助于低温时环路热管的启动。旁路阀的作用是在低温工况时,通过调节蒸汽管路的流量从而减小散热量,避免元件温度过低发生损坏,旁路阀的启动压力设为-10°C。结构具体参数见表1。
表1 低温冷却器丙烯环路热管技术参数
项目
材料
尺寸(mm)
工作介质
丙烯
蒸发器外径
不锈钢
14
蒸发器加热段长度
-
100
旁路阀外径
不锈钢
20
旁路阀长度
-
80
旁路管道外径
不锈钢
2
旁路管道内径
-
旁路管道长度
-
314/321
补偿室外径
不锈钢
40
补偿室长度
-
81
蒸汽管道外径
不锈钢
4
蒸汽管道内径
-
3
蒸汽管道长度
-
1257/2686
冷凝器管道外径
铝
4
冷凝器管道内径
-
3
冷凝器管道长