热开关装置及在电卡制冷原型器件中的研究进展

电卡效应制冷是一种新兴的绿色固态制冷技术,由于具有成本低、COP高及可微型化等优点被认为是取代传统压缩机制冷的选择之一。现今阻碍电卡制冷器件应用的主要问题是电卡材料单片温变不足,在器件设计中采用回热式或串联式结构可将材料温变放大至工程应用量级。介绍了串联式电卡制冷器件中热开关装置的概念、性能指标及目前国内外相关研究成果并结合电卡效应原理分析了不同种类热开关在电卡制冷器件中的适配性。介绍了回热式和串联式电卡制冷原型器件的研究成果,基于串联式电卡制冷器件进行模拟计算,分析热开关装置的性能对制冷器件性能的影响。串联式结构理论上更适配于电卡制冷器件,利用电场驱动流体介质的热开关装置响应速度快、断开热阻大的特点可以帮助串联式电卡制冷器件突破现今技术瓶颈,从而发挥电卡制冷技术在各制冷系统领域的技术潜力。

热开关和多脉冲励磁的类比特高温超导模型磁体的捕获磁通及电磁特性研究

高温超导磁体因其体积小、高实用性、高场强等优点,在科学研究等领域具有广泛的应用。然而,高温超导带材之间焊接技术的不成熟,很难实现持续电流模式。该文提出一种利用RE-Ba-Cu-O(RE为稀土元素,REBCO)超导片堆叠组成的类比特高温超导模型磁体,该模型磁体不但没有焊接电阻的影响,而且实现持续电流模式。该文说明单片REBCO超导片和由超导片堆叠而成的类比特高温超导模型磁体的结构细节,介绍采用热开关和多脉冲励磁的方法,说明通过COMSOL模拟利用热开关和多脉冲电源对超导片以及类比特高温超导模型磁体进行励磁的过程,证明其能够实现持续电流模式,并对其在持续模式下运行的捕获磁通和电磁特性进行仿真分析以及实验验证。结果表明,热开关和多脉冲励磁的方法可以激励类比特高温超导模型磁体。与传统高温超导磁体相比,由多个超导片堆叠而成的高温超导模型磁体可在无电流引线的情况下实现闭环运行,避免无阻焊接的技术瓶颈。

空间热开关在航天器热控制中的应用与发展

针对空间热开关在深空探测器热控制、空间制冷机等航天器热控制领域中的重要应用,本文综合评述了空间热开关的概念、分类情况、结构组成、关键指标、以及不同种类空间热开关的优缺点。介绍了近年来国内外空间热开关的最新研究成果和进展。对目前已报道的研究工作进行了总结,指出了今后研究工作的几个重点方向。作者认为:考虑空间热开关的不同工作环境和导热需求以及空间探测领域的不断扩展,高开关比、高可靠性的高性能空间热开关将是未来的研制重点。另外,与空间热开关相关的部件和制造工艺也会受到进一步关注,如各种新型驱动器的研制,新的热控涂层和处理工艺以及相关元件的精密加工与装配技术等。

热开关热管在月面探测光学设备中的应用

在月面-180^+90℃的极端高低温环境下,月面探测光学设备的月昼远距离散热和月夜保温矛盾异常突出。针对设备热耗的传输、排散,以及月夜生存时的热能存留问题,利用热管工质的汽、液、固相变特性,提出一种无源热开关热管作为设备和散热面间长距离传热手段,即依据设备温度指标选择具有合适凝固点和传热能力的工质,当月昼工作期间通过热管内工质两相传热实现热量的高效收集和传输,到月夜期间冻结热管内全部工质,完全切断热管与散热面间的两相传热,维持设备温度。地面试验和在轨飞行数据表明,热开关热管凝固点附近热导比达30以上。热管工作时,7℃时传热能力大于15W,传热温差小于4℃,且能够适应着陆器±15°的倾斜,确保了嫦娥三号着陆器月基光学望远镜在轨的高性能工作。

热开关控制光伏/温差联合发电装置设计提高发电效率

为解决光伏电池板接收太阳辐射发电时板面温度上升导致光电转换效率下降的问题,该文通过温差发电技术对光伏电池板进行主动冷却;同时为解决温差发电技术因温差较小时热电转换效率低下的问题,引入热开关对装置进行控制,并采用扁平热管作为传热单元,利用水对流为系统进行冷却。为测试基于热开关的光伏/温差联合发电装置的性能,分析了不同光辐射强度、不同板面温度、以及不同冷端温度对系统的影响,并搭建试验平台,对联合发电装置进行试验研究。结果表明,装置联合发电效率高于单独一种发电方式的效率,实现了能量的梯级利用。在对装置进行瞬时性能测试期间,发电效率最高达到19.45%,发电功率最大达到32.15 W。在6 d全天性能测试期间,联合发电装置的平均发电效率为17.72%,最高可达18.37%。所获电能基本可以满足农业温室大棚检测系统、远程传感器的供电要求。

一种带有热开关的新型温差发电系统

为解决工程应用中由于热源频繁波动造成温差发电系统性能严重下降的问题,提出一种带有热开关的新型温差发电系统。建立反映其动态特性的数学模型,并搭建能灵活投切热开关的温差发电原理性实验台。通过数值模拟和实验分析全面研究系统性能。结果表明,带热开关的温差发电系统可有效降低模块热端温度波动,提高系统输出功率和效率;同时,热开关的开启和关闭温度是影响系统性能的关键因素。

微米行程微膨胀型热开关热特性的仿真与试验

为了提高空间热控分系统的散热调节能力和热环境适应性,设计了一种微米行程的微膨胀型热开关。介绍了热开关的结构组成和工作原理,通过理论-仿真-试验相结合的方式,计算评估了热开关的断开热阻、闭合热阻和开关比等关键热特性。依据热阻网络串并联关系计算热开关的理论特性,断开热阻为301.71K/W,闭合热阻为1.06K/W,开关比约为283.6。基于有限元模型分析热开关断开/闭合过程的瞬态热特性,热端发热功率为18 W时,热开关闭合响应时间为340s,触发温度为35.5℃,闭合热阻约为2.3K/W。在2次热开关性能测试试验中,闭合热阻和开关比分别为1.08K/W、279.4和1.67K/W、180.7,试验数据与理论计算高度一致。同时指出:装配调试过程的不确定性会造成微膨胀型热开关宏观热特性的小区域波动。本文工作可为后续微膨胀型热开关的结构优化设计、机械加工细化和装调方式改进提供参考。

微膨胀型热开关热特性的参数敏感性

采用参数敏感性分析法研究了微膨胀型热开关导热路径上各项不确定因素对其断开热阻、闭合热阻及开关比等关键热特性的影响。通过与性能试验的比对,验证了热开关有限元仿真热模型的正确性。基于该模型,分析了结构组件导热系数和配合面接触热导率与断开热阻、闭合热阻等热特性的关联性,并依据性能指标的绝对/相对变化量对不确定因素进行了敏感性分类。研究表明:定位杆导热系数是关于断开热阻和开关比的敏感参数,敏感性指标分别为6.716m^(0.5)·K/W和5.129 m^(0.5)·K^(0.5)/W^(0.5);冷端-伸缩段间接触热导率是闭合热阻的敏感参数,绝对变化量和敏感性指标分别为1.865K/W和0.267m·K/W,其余配合面的接触热导率均是闭合热阻的不敏感参数;定位杆径向小面接触热导率是断开热阻和开关比的敏感参数,绝对变化量(敏感性指标)分别为56.495K/W(0.307m·K/W)和32.936(0.235m·K^(0.5)/W^(0.5))。所得的结论可为优化微膨胀型热开关的结构性能提供参考与借鉴。

基于热胀冷缩原理的TACR压力管与排管间非能动热开关设计

提出了一种可应用于钍基先进CANDU型反应堆(TACR:Thorium-based Advanced CANDU Reactor)压力管与排管间的非能动热开关设计方案。该方案应用金属的热胀冷缩性质,通过热胀冷缩部件推动开关滑块移动来控制压力管与排管间的传热介质种类,以改变压力管与排管之间的热阻。该方案在满足TACR正常运行工况下对压力管和排管间高热阻要求的同时,能够在事故工况下降低二者之间的热阻导出余热。由于利用了金属热胀冷缩性质作为推动力,并利用改变传热介质种类来改变热阻,因此,高度的可靠性和有效性是该方案设计的特点。

气隙式热开关传热特性研究

本文介绍了一种新型低温热开关的工作原理。考虑到热开关充入的气体在连续介质区和自由分子状态的传热以及肋片沿轴向的导热对热开关的传热特性进行了详细的理论分析。建立了该种热开关传热的理论模型。给出了肋片的厚度、长度、气隙宽度、外壳壁厚与导通热导之间的关系曲线以及气体压强、外壳厚度与关断热导之间的关系曲线。

气隙式热开关的特性研究及压力调节

论述了气隙式热开关的原理、结构形式及参数特性，讨论了它的结构尺寸对性能参数的影响。给出了导热管的直径、长度、壁厚与导通热导之间的关系曲线以及气体压强、外壳厚度与关断热导之间的关系曲线。建立了气隙式热开关的数学模型，求出了导通热流的瞬态响应特性，并给出了特性曲线及压力调节系统图。

气液热开关液氮输送装置

红外光电设备需用高性能的光电型红外探测器。光电型红外探测器的探测率随着工作温度的降低而提高,从而需要备有稳定可靠的制冷器,为高性能的红外器件HgCdTe、InSb提供所需约77K的工作温度。用低温杜瓦容器灌注液氮就可为红外光电器件提供稳定且无振动的这一深低温工作条件。

基于热开关的铁电制冷新结构及数值模拟

针对以往铁电制冷方式的不足提出了一种基于热开关的铁电制冷模型的新结构并进行了相关数值计算。此结构中片状铁电材料与片状热开关紧密平行排列,构成模型的基本结构。热开关分‘开’和‘关’两种可控状态,其开状态的热导率远高于关状态的热导率。系统工作时铁电材料片按奇偶位置分别加电场与去电场,每半周期交换。模拟计算涉及铁电材料单元数以及系统不同温跨下的制冷系统性能,模拟计算结果表明,在固定铁电材料单元数或系统温跨时,对于制冷效率以及制冷功率均存在最佳工作点,并且此工作点随系统温跨或铁电材料单元数变化呈规律性变化。

钍基先进核能系统压力管与排管之间的非能动热开关设计

提出了一种用于钍基先进核能系统压力管与排管之间的非能动热开关设计方案。该热开关基于形状记忆合金原理,当压力管的温度达到340℃的时候,热开关中的形状记忆合金部分开始变形,推动导热部件移动,使得压力管和排管之间通过导热部件接触。从而将堆芯内的热量从压力管传到排管和慢化剂,再通过慢化剂冷却系统把热量带出并最终释放到周围环境之中。理论计算表明,24片的热开关组件可以满足设计要求。

空间低温热开关技术的研究进展

低温热开关是研制空间机械制冷备份系统必须解决的关键技术之一,低温热开关形式多种多样,开关比是决定其性能的关键指标。只有在开关比、可靠性、寿命等指标均满足要求后,低温热开关才能实现真正的工程应用。

~4He气隙式热开关的计算分析与实验

介绍了~4He气隙式热开关的工作原理及其理论传热模型。通过计算分析了不同设计参数和材料选择对热开关开关比的影响,并通过实验验证了相关计算结果,以此为基础,成功研制开关比达到140,可应用于吸附式制冷机。

卫星静电热开关辐射散热器热性能分析

运行于轨道的卫星的温度由它接受的阳光照射、来自星球的辐射和它自身向宇宙冷黑背景辐射热平衡所决定。因此,卫星表面材料的辐射特性对卫星的温度有非常大的影响。具有适当发射吸收比的表面材料,可以使在轨飞行的卫星平衡在合适的温度,这是目前卫星热控的基础。然而,由于飞行姿态、轨道、星上设备发热状态、特殊环境(如月球和深空探测)造成卫星所处的外热流条件有很大的差异,固定发射吸收比的表面散热元件OSR已经在很大程度上限制了卫星的热控设计和整星的性能。静电热开关辐射散热器(ESR)是一种可变热导辐射热控元件,通过静电力控制高发射率复合薄膜与基板的热接触热阻来调节卫星温度。薄膜下拉时为导通状态,此时ESR等效发射率高,热量传导到ESR表面进行散热;薄膜不下拉时为关断状态,此时ESR等效发射率低,热量只能辐射到ESR表面散热。ESR相对于电致变色和热致变色元件具有结构简单、可靠性高、发射率变化转换快等特点。对ESR进行了详细热分析,提出了提高其性能的诸多措施,对ESR的研制具有一定的指导意义。

基于过冷相变材料热开关的锂离子电池热管理系统

针对动力电池热管理的问题,提出一种耦合过冷相变材料六水合氯化钙和热开关的新型温控热开关装置。以18650圆柱型锂离子电池为对象,应用热开关装置并基于数值方法对其冷却和保温效果展开研究。装置基于过冷相变材料的体积变化特性提供机械热开关动作能力,与相变材料过冷现象结合进一步提高温控能力。分析结果表明,与无热开关的温控方式相比,过冷相变热开关温控使电池在5C高倍率放电结束时的最终温度下降了1.61℃,在外界环境温度-20℃时,过冷性相变热开关温控使电池温度管理时间延长了660 s。

极低温绝热去磁制冷系统中的热开关

热开关是极低温绝热去磁制冷系统的关键部件。介绍了极低温绝热去磁制冷系统中热开关的作用和性能参数、常用类型及工作原理、典型应用,最后简要讨论了热开关的未来发展方向。

航天器用记忆合金热开关的设计与理论分析

介绍了一种航天器热控制用记忆合金热开关的设计与分析。该热开关以形状记忆合金弹簧作为感温和驱动元件,当温度超过记忆合金材料的奥氏体相变点时,驱动元件开始变形并推动热开关闭合;温度低于记忆合金材料的马氏体相变点时,偏置弹簧将克服记忆合金元件的弹力,推动热开关使之断开。热开关结构为圆柱体,长度32mm,直径23mm。对热开关的力学参数、传热性能进行了分析计算,表明该热开关的闭合热阻为2.69K/W,断开热阻大于352.64K/W,闭合时间小于30min。