結(jié)合TEC的泵驅(qū)兩相溫控系統(tǒng)的空間應(yīng)用

王鎮(zhèn)銳，張興斌, 溫世喆，何振輝,3

(1. 中山大學(xué)物理學(xué)院，廣州 510275; 2. 中山大學(xué)物理與天文學(xué)院,珠海 519000; 3. 中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510275)

0 引 言

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所利用天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船(Tianzhou-1 cargo spaceship, T Z1)在軌飛行的機(jī)會(huì)，開(kāi)展微重力流體蒸發(fā)和冷凝實(shí)驗(yàn)，對(duì)冷凝臺(tái)提出了-5～40 ℃(±0.5 ℃)的控溫要求。為滿足實(shí)驗(yàn)的控溫和散熱需求，中山大學(xué)提出采用半導(dǎo)體制冷片(Thermoelectric cooling chip,TEC)對(duì)冷凝臺(tái)進(jìn)行控溫，并用泵驅(qū)兩相回路為TEC熱端散熱的解決方案。

TEC利用半導(dǎo)體PN結(jié)的Peltier效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷。當(dāng)直流電通過(guò)P,N兩種不同摻雜半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，電偶的兩端即可分別吸收和放出熱量。加載正向電流時(shí)，TEC實(shí)現(xiàn)制冷功能；而加載反向電流時(shí)，TEC則實(shí)現(xiàn)加熱功能。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小以及質(zhì)量輕的特點(diǎn)，是一種簡(jiǎn)便的制冷和加熱器件。針對(duì)上述任務(wù)需求，用同一塊TEC實(shí)現(xiàn)加熱和制冷的方法符合航天任務(wù)對(duì)資源制約的苛刻要求。并且TEC在加熱或制冷的過(guò)程中不產(chǎn)生振動(dòng)，因此幾乎不影響蒸發(fā)和冷凝實(shí)驗(yàn)。

TEC的制冷能力不僅取決于加載電流，同時(shí)其熱端的溫度和散熱條件也至關(guān)重要。TZ1貨運(yùn)飛船的科學(xué)載荷安裝于飛船艙內(nèi)，艙內(nèi)無(wú)冷卻水回路，且艙內(nèi)溫度范圍為5～30 ℃。載荷的散熱邊界只能選擇艙內(nèi)空氣。此次基于TEC加熱、制冷控溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于：隨著艙內(nèi)溫度升高，甚至達(dá)到最高溫度30 ℃時(shí)，TEC的制冷能力能否將冷凝臺(tái)制冷至-5 ℃。

為了使冷凝臺(tái)達(dá)到更低的溫度，TEC熱端需要采取高效的散熱方式。風(fēng)扇和散熱翅片的組合是一種比較低效的方法。目前，毛細(xì)力熱管(CPL)[1]和回路熱管(HLP)[2]是最有潛力的解決方案。它們都是無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的被動(dòng)散熱方式，通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的毛細(xì)力，驅(qū)動(dòng)工質(zhì)循環(huán)，帶走熱量。這兩種回路在空間應(yīng)用中已經(jīng)比較成熟[1-2]，但是應(yīng)用過(guò)程中，仍遇到許多的困難，例如：設(shè)計(jì)復(fù)雜、啟動(dòng)過(guò)程復(fù)雜、回路壓頭小等。

泵驅(qū)動(dòng)兩相回路是主動(dòng)式兩相回路，依靠液泵提供回路流動(dòng)動(dòng)力。至本文工作前，空間泵驅(qū)兩相回路的應(yīng)用有以下幾個(gè)：

1) 2011年發(fā)射的AMS02泵驅(qū)兩相回路熱控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是泵驅(qū)兩相回路系統(tǒng)的首次在軌應(yīng)用[3]?；芈饭べ|(zhì)為CO2，其冷凝器散熱方式為輻射。

2) 2016年搭載多功能飛船縮比返回艙的高熱流密度散熱泵驅(qū)兩相回路。該回路無(wú)外部散熱熱沉，采用相變材料作為冷凝器的散熱邊界[4]。

泵驅(qū)兩相回路在解決熱量遠(yuǎn)程傳輸、溫度均勻性以及高熱流密度散熱問(wèn)題上具有很大的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)空間應(yīng)用具有相當(dāng)?shù)那熬啊Ｖ猩酱髮W(xué)基于以下幾點(diǎn)考慮選擇泵驅(qū)兩相回路作為該項(xiàng)目的散熱回路：1)發(fā)展空間泵驅(qū)兩相回路的應(yīng)用，更全面驗(yàn)證空間站實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兩相回路關(guān)鍵技術(shù)；2)實(shí)驗(yàn)室從TTCS項(xiàng)目中積累了兩相回路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為該項(xiàng)目提供了技術(shù)支持；3)相對(duì)于CPL和HLP，機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)的兩相回路散熱能力強(qiáng)、回路流量變化相對(duì)靈活(例如工質(zhì)流量與熱流量可獨(dú)立控制)，更能適合TEC加熱和制冷的散熱需求。

本文結(jié)合TEC特性曲線，分別研究了TEC的電功率需求、熱端散熱需求與兩相回路工作溫度的關(guān)系；同時(shí)對(duì)回路冷凝器的散熱能力進(jìn)行測(cè)試和理論研究，以驗(yàn)證回路設(shè)計(jì)的合理性。最后給出平行流換熱器在地面和在軌的換熱測(cè)試結(jié)果，討論重力對(duì)其換熱的影響。

1 回路設(shè)計(jì)

1.1 回路原理

回路原理圖如圖1所示，主要部件有儲(chǔ)液器、液體泵、兩個(gè)小通道換熱器(Evap1, Evap2)、TEC和風(fēng)冷式冷凝器?；芈饭べ|(zhì)為R134a。儲(chǔ)液器在回路中起到控制回路工作點(diǎn)的作用，采用PID閉環(huán)控溫?？紤]液泵運(yùn)行安全以及回路散熱需求，回路工作點(diǎn)設(shè)置一般比環(huán)境溫度大6 ℃。

冷凝實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先啟動(dòng)兩相回路；待回路穩(wěn)定后， TEC通反向電流，開(kāi)始對(duì)冷凝臺(tái)加熱，把冷凝臺(tái)表面冷凝的FC-72工質(zhì)加熱蒸發(fā)；一段時(shí)間后， TEC通正向電流，開(kāi)始對(duì)冷凝臺(tái)制冷，并使用PID閉環(huán)控制方式，將冷凝臺(tái)控溫至目標(biāo)溫度?；芈饭べ|(zhì)在液泵的驅(qū)動(dòng)下經(jīng)過(guò)換熱器，吸收TEC熱端的熱量并蒸發(fā)為兩相狀態(tài)。工質(zhì)接著流經(jīng)箱體外的冷凝器，把熱量排散到艙內(nèi)空氣，冷凝為單相并進(jìn)一步降溫到過(guò)冷狀態(tài)，最后回到液泵入口。

1.2 冷凝臺(tái)與換熱器

冷凝臺(tái)與換熱器組合如圖2所示，冷凝實(shí)驗(yàn)在冷凝臺(tái)圓柱上表面進(jìn)行。冷凝臺(tái)的材料為紫銅，上部為圓柱體，下部設(shè)計(jì)與TEC配合。TEC安裝于換熱器與冷凝臺(tái)之間，其型號(hào)為TEC1-12706(江西納米克公司)。該型號(hào)TEC的重要參數(shù)如表1所示，該表根據(jù)文獻(xiàn)[5]和廠家提供的參數(shù)文件計(jì)算所得。用于TEC散熱的換熱器為平行小通道換熱器，包含22個(gè)小通道。小通道的截面為1×3 mm2，對(duì)應(yīng)水力直徑為1.5 mm。在地面測(cè)試工況中，當(dāng)工質(zhì)流量為47 kg/(m2·s)，出口干度為0.1，換熱器的兩相平均換熱系數(shù)為2540 W/(m2·℃)。該工況為典型的在軌試驗(yàn)工況，所以在后續(xù)的計(jì)算中采用該換熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。三個(gè)部件接觸面用導(dǎo)熱脂粘合。

表1 TEC重要參數(shù)Table 1 Main parameter of TEC

1.3 風(fēng)冷式冷凝器

風(fēng)冷式冷凝器組件的設(shè)計(jì)如圖3所示，包括兩個(gè)電風(fēng)扇，平行流換熱器(見(jiàn)圖4)，風(fēng)入口溫度傳感器以及安裝支架。該組件安裝于實(shí)驗(yàn)箱體外(圖1虛線框外)。

平行流換熱器是典型的釬焊鋁平行流換熱器，被廣泛應(yīng)用在汽車空調(diào)中。本文工作之前尚未發(fā)現(xiàn)其空間應(yīng)用。換熱器有兩程通道：入口程和出口程，分別由8條和3條扁平管組成(見(jiàn)圖4)。每條扁平通道長(zhǎng)270 mm，內(nèi)部分為9個(gè)平行小通道，小通道的截面積為1.5×1.3 mm2。該換熱器空氣側(cè)為百葉窗結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5和表2所示。

2 計(jì)算以及驗(yàn)證測(cè)試

2.1 TEC與兩相回路換熱原理

為更好理解冷凝臺(tái)TEC、兩相回路和箱外空氣的熱交換過(guò)程，兩相回路系統(tǒng)原理圖簡(jiǎn)化為圖6。當(dāng)TEC加載一定正向電流時(shí)，冷凝臺(tái)開(kāi)始降溫。一段時(shí)間后，冷凝臺(tái)溫度趨于穩(wěn)定。此時(shí)，TEC冷端溫度為Tc，熱端溫度為Th，制冷量為Qc。TEC的制冷量Qc不僅為冷凝臺(tái)表面工質(zhì)冷凝提供冷凝焓，而且為冷凝臺(tái)的漏熱提供冷量。根據(jù)正樣件實(shí)驗(yàn)測(cè)量和計(jì)算得到，當(dāng)環(huán)境溫度為30 ℃且冷凝臺(tái)溫度為-5 ℃時(shí)， TEC需要為冷凝臺(tái)提供冷量為19.1 W。

TEC傳遞到Evap1的熱量等于TEC電功率與制冷量的和，用式(1)表示：

Q=Qc+UI

(1)

式中:U為TEC兩端電壓,I為TEC的電流。

回路工質(zhì)吸收熱量，由單相蒸發(fā)為兩相。此時(shí)換熱器出口溫度為兩相飽和溫度Tsat。TEC熱端溫度與兩相飽和溫度的關(guān)系如下所示：

Q=he(Th-Tsat)S

(2)

式中:he為換熱器平均換熱系數(shù),S為換熱面積,換熱器材質(zhì)為紫銅，故忽略金屬熱阻。

吸收了TEC熱端熱量的工質(zhì)在泵驅(qū)動(dòng)下，流往實(shí)驗(yàn)箱外的冷凝器。在箱外電風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流的作用下，熱量傳遞到艙內(nèi)空氣。飽和工質(zhì)冷凝為過(guò)冷液體并回到泵入口。

2.2 TEC制冷能力計(jì)算

TEC的制冷能力與其熱端溫度Th和電流密切相關(guān)。為了獲取更低冷端溫度和更大制冷量，TEC對(duì)電功率和熱端散熱需求越高。現(xiàn)假設(shè)TEC冷端的溫度為-7 ℃(考慮冷凝臺(tái)熱阻以及余量)，制冷量為19.1 W，以計(jì)算TEC的電功率需求、熱端散熱需求與兩相回路工作溫度的關(guān)系。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，TEC冷端制冷量用下式計(jì)算：

(3)

式中:α為TEC平均塞貝克系數(shù),K為TEC冷熱端平均熱傳導(dǎo)率,R為TEC平均電阻。

根據(jù)式(3)和式(1)，可計(jì)算在滿足制冷要求的情況下，TEC電功率、熱端散熱需求與熱端溫度的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果如圖7所示，當(dāng)熱端溫度達(dá)40 ℃，且保證冷端溫度以及制冷量時(shí)，TEC所需電功率需大于56 W。

TEC的散熱邊界為兩相回路的換熱器。當(dāng)換熱器為兩相工況時(shí)，換熱器內(nèi)工質(zhì)溫度等于回路工作點(diǎn)溫度，且基本不變。根據(jù)式(2)可以獲得TEC電功率,熱端散熱需求與回路工作點(diǎn)的關(guān)系，結(jié)果如圖8所示。

2.3 冷凝器散熱能力

平行流換熱器具有輕便，高效的特點(diǎn)。以往對(duì)于平行流換熱器的研究都已經(jīng)非常成熟，見(jiàn)文獻(xiàn)[6-8]。研究多關(guān)注扁平通道之間的流量分布、平行小通道工質(zhì)側(cè)冷凝換熱以及通道外表面翅片的優(yōu)化。

換熱器的熱阻主要分為換熱器內(nèi)部工質(zhì)側(cè)的換熱熱阻、金屬熱阻和空氣側(cè)的換熱，可以用下式計(jì)算：

(4)

式中：hc為換熱器基于換熱器扁平通道外表面面積的換熱系數(shù)，ha為基于扁平通道外表面積空氣側(cè)換熱系數(shù)，hw為工質(zhì)側(cè)換熱系數(shù)；忽略金屬熱阻。扁平通道外表面面積與工質(zhì)側(cè)表面積的比Aa/Aw=0.638。

考慮泵驅(qū)動(dòng)兩相回路，泵入口需要一定的過(guò)冷度，以保證回路正常運(yùn)行。因此工質(zhì)側(cè)換熱需分別考慮液相換熱和冷凝換熱。下文分別對(duì)空氣側(cè)換熱、工質(zhì)側(cè)液相和冷凝換熱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究。由于TEC的額定功率有限，第2.3節(jié)的測(cè)試中，回路熱載由陶瓷加熱片提供。

2.3.1空氣側(cè)換熱

對(duì)于空氣側(cè)的換熱，Chang等[9]和Kim等[10]的j因子關(guān)聯(lián)式應(yīng)用較為成熟,其中Chang關(guān)聯(lián)式的使用范圍為100

(5)

其中，ηa為空氣側(cè)翅化效率，按下式計(jì)算：

(6)

其中，ηf,a為空氣側(cè)翅片效率，按下式計(jì)算：

(7)

2.3.2液相換熱測(cè)量

關(guān)于液相換熱的研究已經(jīng)有非常多，但仍有歧義。Lee等在文獻(xiàn)[11]中總結(jié)了前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并提供了許多液相層流的參考模型；Kays等[12]認(rèn)為液相層流的換熱只與通道的形狀相關(guān)，與無(wú)量綱常數(shù)Re無(wú)關(guān)；在Choi等[13]的研究中，其測(cè)試工況的雷諾數(shù)更低，接近20，并提出了自己的關(guān)聯(lián)式：

Nu=0.000972Re1.17Pr1/3

(8)

Owhaib等[14]用R134a作為測(cè)試工質(zhì)，將結(jié)果與Sieder和Tate所提供的關(guān)聯(lián)式子作比較，發(fā)現(xiàn)在層流區(qū)域有較好的吻合[15]。Choi與Sieder提出的換熱系數(shù)與雷諾數(shù)Re有關(guān)聯(lián)性，與Kays的觀點(diǎn)不同[15]。

測(cè)試工況中，平行流換熱器的流量屬于低流量工況，需要對(duì)液相的換熱進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量過(guò)程中，儲(chǔ)液器先加熱，并設(shè)置為一個(gè)比較高的溫度(45 ℃)；待儲(chǔ)液器溫度穩(wěn)定后，開(kāi)啟液泵等必要的器件，并啟動(dòng)回路熱載。回路流量為1～4 g/s，對(duì)應(yīng)平行流換熱器的流量范圍為7～76 kg/(m2·s)。

液相工況換熱器平均換熱系數(shù)用下式計(jì)算：

(9)

式中：Hio為換熱器進(jìn)出口工質(zhì)的焓差,ΔT為工質(zhì)與空氣的算術(shù)平均溫差。

測(cè)量結(jié)果如圖9所示，并與幾種預(yù)測(cè)模型進(jìn)行對(duì)比。預(yù)測(cè)模型使用式(4)計(jì)算。其中，換熱器風(fēng)側(cè)的換熱系數(shù)ha使用Chang關(guān)聯(lián)式得到；工質(zhì)側(cè)換熱系數(shù)hw分別使用Kays,Choi和Sieder得到。

從圖9可以看出，換熱器的平均換熱系數(shù)隨著流量的增加而增大。換熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Choi關(guān)聯(lián)式有很好的吻合，然而Sieder關(guān)聯(lián)式子對(duì)換熱的預(yù)測(cè)大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.3.3冷凝換熱

工質(zhì)側(cè)的兩相冷凝換熱參考Thome提出的換熱模型[16]。根據(jù)Thome的研究，冷凝換熱與管道內(nèi)流型相關(guān)。當(dāng)流型為環(huán)狀流、塞狀流或者是霧狀流時(shí)，冷凝換熱以對(duì)流換熱為主，用下式計(jì)算。

(10)

在微重力環(huán)境下，管道內(nèi)只有三種基本的流型：包括環(huán)狀流、塞狀流和霧狀流。因此工質(zhì)側(cè)冷凝換熱用式(10)計(jì)算。

2.3.4冷凝器散熱能力預(yù)測(cè)

根據(jù)式(4)，可以分別計(jì)算得到工質(zhì)側(cè)為液相和兩相時(shí)，換熱器的平均換熱系數(shù)。其中空氣側(cè)的換熱仍用Chang關(guān)聯(lián)式計(jì)算；工質(zhì)側(cè)液相換熱采用與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近的Chio模型；工質(zhì)側(cè)冷凝換熱用式(10)計(jì)算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為了保證回路的正常運(yùn)行，以及液泵的安全，泵入口的過(guò)冷度需要大于3 ℃。于是建立圖10所示的平行流換熱器散熱模型，計(jì)算不同工況下冷凝器的換熱功率。模型中，A為平行流換熱器的總換熱面積。

根據(jù)圖10模型得到的冷凝器散熱功率計(jì)算結(jié)果如圖11所示。冷凝器的散熱能力隨著回路工作點(diǎn)與環(huán)境的溫差的增加而增加。當(dāng)回路的流量為2 g/s時(shí)，冷凝器的散熱能力約為41 W/℃。

2.4 TEC制冷能力與回路散熱能力評(píng)估

兩相回路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于：當(dāng)飛船艙內(nèi)的溫度較高(達(dá)到30 ℃)時(shí)，TEC是否能夠滿足制冷需求。當(dāng)環(huán)境溫度提高，回路需要相應(yīng)的提高工作點(diǎn)，進(jìn)而影響到TEC的熱端溫度，導(dǎo)致TEC需要更大的電功率，以滿足制冷需求；與此同時(shí)，TEC熱端的熱量也相應(yīng)增大。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的合理性需要進(jìn)行測(cè)試和理論計(jì)算驗(yàn)證。

考慮環(huán)境溫度為30 ℃工況，并假設(shè)回路流量為2 g/s。如圖12所示，實(shí)線表示在滿足冷凝臺(tái)-5 ℃的制冷溫度和19.1 W制冷量的前提下，不同回路工作溫度與TEC熱端散熱要求的關(guān)系。虛線由第2.3節(jié)計(jì)算所得，表示不同工作溫度與冷凝器散熱能力關(guān)系。從圖12可以看出，為了實(shí)現(xiàn)冷凝臺(tái)-5 ℃的制冷要求，回路的工作溫度設(shè)置至少為36 ℃，此時(shí)回路散熱能力為90 W。

3 地面驗(yàn)證與在軌運(yùn)行情況

3.1 地面驗(yàn)證

前文結(jié)合Thome冷凝換熱關(guān)聯(lián)式、Chang風(fēng)側(cè)換熱關(guān)聯(lián)式以及Choi液相換熱公式，得到冷凝器散熱能力與工作溫度關(guān)系。圖12通過(guò)比較TEC散熱需求與冷凝器散熱能力，初步通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證圖12計(jì)算結(jié)果，試驗(yàn)件進(jìn)行了冷凝器散熱能力測(cè)試。試驗(yàn)件中，回路的熱載由陶瓷加熱片提供。圖13為地面關(guān)于冷凝器散熱能力的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試過(guò)程中，環(huán)境溫度為25.0 ℃，工作點(diǎn)設(shè)置為30.0 ℃，回路流量為2.0 g/s。換熱器出口飽和溫度與環(huán)境溫度的溫差為5.0 ℃時(shí)，回路從換熱器到冷凝器入口的漏熱為2.8 W。冷凝器散熱量與回路熱載的關(guān)系用下式計(jì)算。

(11)

如圖13所示，泵入口過(guò)冷度隨著散熱量增加而降低，最低過(guò)冷度為2.7 ℃。將測(cè)試結(jié)果與預(yù)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷凝器出口過(guò)冷度小于3.4 ℃時(shí)，預(yù)測(cè)模型小于實(shí)驗(yàn)值結(jié)果，并且隨著出口過(guò)冷度降低，偏差增大。

3.2 對(duì)比平行流換熱器天地?fù)Q熱情況

與試驗(yàn)件不同，正樣件回路的熱載由TEC提供。TEC熱端熱量是根據(jù)式(1)、式(3)獲得。由于正樣件功率以及實(shí)驗(yàn)時(shí)間限制，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，固定液泵轉(zhuǎn)速(流量3.0 mL/s)，并給TEC加載固定占空比(認(rèn)為穩(wěn)定后，TEC電功率不變，55±2 W)。對(duì)比冷凝器出口過(guò)冷度來(lái)比較重力對(duì)冷凝器換熱的影響。天地對(duì)比結(jié)果如圖15所示。其中預(yù)測(cè)模型的計(jì)算過(guò)程如圖14所示。

在軌與地面測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)回路熱載相同時(shí)(即TEC占空比相同)，冷凝器出口過(guò)冷度差異基本都在0.3 ℃以內(nèi)(見(jiàn)圖15)。而預(yù)測(cè)模型計(jì)算得到出口過(guò)冷度偏小，說(shuō)明該模型低估了冷凝器的換熱，與圖13的計(jì)算結(jié)果相似。

從天地對(duì)比結(jié)果可以看出，重力對(duì)冷凝器換熱的影響不大。這可以從以下幾點(diǎn)解釋：1)冷凝器的換熱器為平行通道換熱器，內(nèi)部通道尺寸為1.5×1.3 mm，屬于小通道，重力對(duì)冷凝換熱的影響有限。2)平行通道換熱器分液相區(qū)域和兩相冷凝換熱區(qū)域，由于換熱器入口干度低(小于0.05)，兩相冷凝換熱在換熱器平均散熱所占的比例較小。3)從式(4)可以看出，換熱器的熱阻包括工質(zhì)側(cè)熱阻和空氣側(cè)熱阻。而空氣側(cè)均有兩個(gè)電風(fēng)扇強(qiáng)化對(duì)流，因此空氣測(cè)熱阻在天地工況中基本一致，進(jìn)而減少熱阻差異。

3.3 系統(tǒng)控溫性能在軌運(yùn)行情況

在軌的實(shí)際艙溫較低(約10～14 ℃)，TEC的制冷能力以及冷凝器的散熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足實(shí)驗(yàn)需求。圖16為冷凝臺(tái)在軌的控溫曲線。

冷凝實(shí)驗(yàn)時(shí)，先啟動(dòng)儲(chǔ)液器預(yù)熱；待儲(chǔ)液器控溫穩(wěn)定后啟動(dòng)液泵；冷凝臺(tái)TEC先加載反向電流，加熱冷凝臺(tái)，分別控制溫度為30 ℃，40 ℃；加熱一段時(shí)間后，TEC加載正向電流，開(kāi)始對(duì)冷凝臺(tái)制冷和控溫，控溫溫度分別為10 ℃，5 ℃，0 ℃以及-5 ℃。穩(wěn)定時(shí)控溫精度可達(dá)±0.2 ℃。從蒸發(fā)器出口溫度可看出，穩(wěn)定時(shí)TEC為回路提供的熱載還未能使得換熱器出口工質(zhì)成為兩相。

4 結(jié) 論

本文介紹了TEC與泵驅(qū)兩相回路結(jié)合的控溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。結(jié)合TEC特性曲線，分別研究了TEC的電功率需求、熱端散熱需求與兩相回路工作溫度的關(guān)系；同時(shí)對(duì)回路冷凝器的散熱能力進(jìn)行測(cè)試和理論研究，驗(yàn)證回路設(shè)計(jì)的合理性。該系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)首個(gè)執(zhí)行空間任務(wù)的泵驅(qū)R134a兩相回路系統(tǒng)，為空間站實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的兩相回路設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，拓展泵驅(qū)兩相回路的空間應(yīng)用。回路首次在空間任務(wù)中使用釬焊鋁平行流換熱器，為該類型換熱器的空間使用提供參考。同時(shí)通過(guò)天地?cái)?shù)據(jù)對(duì)比以及研究討論，驗(yàn)證了重力對(duì)平行流換熱器的平均換熱的影響幾乎可以忽略。