航天器环路热管蒸发器毛细驱动压头测试装置及方法

技术领域

本发明属于航天器环路热管制造领域，具体地，涉及一种航天器环路热管蒸发器毛细驱动压头测试装置及方法。

背景技术

环路热管用于航天器大功率设备的热量收集和传输，是依靠毛细力驱动工质循环完成热量传输的两相传热回路系统，相比于其他传热设备，环路热管的传热量大，传输距离远，控温精度高，反重力能力强，已成功应用于多颗卫星和飞船热控系统。

环路热管的驱动力主要来自蒸发器的毛细芯，针对毛细芯的微孔结构部件已有相关成熟的毛细力测试及计算方法，毛细力计算公式为：

ΔP

σ表示工质的表面张力；

θ表示工质与毛细材料的接触角；

r

该公式能计算最大的毛细压头，但是由于实际毛细芯的孔径无法做到完全一致，曲率半径r

另外，针对已安装毛细芯的蒸发器，目前未见针对蒸发器的相关的测试装置及方法。毛细芯与蒸发器壳体采用过盈装配，已安装毛细芯的蒸发器与单独毛细芯的毛细压头不同；毛细芯加工和蒸发器壳体加工存在误差，过盈装配过程中无法保证毛细芯外圆柱壁与蒸发器壳体内圆柱壁完全贴合，存在圆柱面装配误差，配合面有可能存在间隙，较大的间隙导致蒸发器毛细压头会低于毛细芯的毛细压头。在环路热管运行过程中，蒸发器受热，将热量传递至毛细芯外表面，液态工质在毛细芯外表面蒸发，形成过热高压蒸汽，若毛细芯和蒸发器装配精度差，过热的蒸汽会通过配合间隙倒灌至环路热管补偿器，形成蒸发器向补偿器的漏热，严重影响环路热管的传热性能和运行稳定性。因此蒸发器毛细压头影响最终环路热管的性能和运行效果，目前毛细芯的压头无法反映环路热管蒸发器的毛细压头，而蒸发器毛细驱动压头的测试结果能够反映环路热管运行时的毛细驱动力，目前尚无针对蒸发器的毛细驱动压头测试方法。

专利文献CN109342253A提出了一种环路热管毛细芯性能测试装置及其测试方法，其缺点主要有以下几点:

该专利文献只针对平板形环路热管，测量装置装配关系复杂，加热路径长、测温元件不好布置，容易受环境影响，存在测温误差；该专利文献进行的性能测试，测量毛细芯的相变速率及测点温度，并没有给出具体的评判的物理指标，也没有给出通过相变速率和测点温度得到性能优劣的评价方法。

而本发明测量的是整个蒸发器的毛细驱动压头，不单单针对毛细芯，能够表征除毛细芯外的装配精度等综合性能，使用目的不同；以及，本发明能够兼顾圆柱形、平板形环路热管蒸发器的测量，无复杂的装配关系，只需要测量压力即可，误差小，精度高；此外，本发明提出了具体的量化的性能评价指标，即毛细驱动压头，不同类型规格的蒸发器都能够采用此指标表征，具有通用性。以及本发明可根据气泡溢出位置定位蒸发器的薄弱环节，方便问题定位，找出影响环路热管蒸发器的主要缺陷或因素，有利于指导返修或者改进提升。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种航天器环路热管蒸发器毛细驱动压头测试装置及方法。

根据本发明提供的一种航天器环路热管蒸发器毛细驱动压头测试装置，包括：加压模块100、浸润装置200、观察模块300、环路热管蒸发器7；

所述浸润装置200包括浸润槽5、蒸发器固定架11、浸润液态工质6，浸润槽5中充有浸润液态工质6；

所述观察模块300包括光纤探头8；

所述浸润装置200用于浸润环路热管蒸发器7，使毛细芯吸满液态工质，获得毛细驱动力，环路热管蒸发器7置于浸润槽5中的蒸发器固定架11上；

环路热管蒸发器7毛细芯充有蒸汽的一侧设置有开口与加压模块100相连接，环路热管蒸发器7毛细芯充有液体的一端与浸润液态工质6接触以浸润；

光纤探头8伸入环路热管蒸发器7毛细芯内腔。

优选地，加压模块100包括：气源1、减压阀2、压力传感器3、气体管道4；

气源1、减压阀2、压力传感器3依次通过气体管道4连接，压力传感器3设置于环路热管蒸发器7与减压阀2之间，气体管道4穿过浸润槽5设置；

所述加压模块100通过气源1实现气体加压，采用气体加压，调节加压压力；

气源1通过减压阀2调节输出气压的大小，通过压力传感器3显示减压后的气压大小。

优选地，浸润装置200还包括：液位计10；液位计10位于浸润槽5外壁侧。

优选地，观察模块300还包括：显示屏幕9；显示屏幕9实时显示光纤探头8获取的视频画面，用于观察环路热管蒸发器7的毛细芯内孔气泡溢出生成情况。

优选地，所述气源1采用氮气，并配有过滤器，以保证氮气洁净、干燥；

所述压力传感器3量程选择100Kpa，控制施加的气压；

气体管道4采用不锈钢波纹管、聚氨酯气管。

优选地，所述浸润槽5选用与浸润液态工质6兼容的材质，使用透明材质液位计10，优选的，液位计10也采用电容式或者超声波式数字液位计。

优选地，所述浸润液态工质6选用易挥发的工质，便于毛细芯后续干燥处理。

优选地，所述光纤探头8具备不低于IP68的防水等级，直径不大于3mm，是柔性纤细的，以便于伸入毛细芯内腔进行实时观察。

根据本发明提供的一种航天器环路热管蒸发器毛细驱动压头测试方法，采用所述的航天器环路热管蒸发器毛细驱动压头测试装置，包括：

步骤S1：将环路热管蒸发器7放入浸润装置200的工质液面以下，使环路热管蒸发器7毛细芯吸满浸润液态工质6；

步骤S2：将环路热管蒸发器7的气路端，即充入蒸汽的一侧的端口，连接加压模块100；

步骤S3：使用加压模块100对环路热管蒸发器7气侧充气加压；

步骤S4：使用观测模块300对环路热管蒸发器7的毛细芯内腔的气泡生成情况进行观测，如果发现大量气泡逸出，减小加压模块100的气压，直到无气泡溢出，毛细压头与气压达到一个临界平衡点，则环路热管蒸发器7的驱动压头与充气加压一侧压力达到平衡，记录此时的充气加压压力P

步骤S5：记录浸润装置200液面高度H和环路热管蒸发器中心线高度h

步骤S6：计算环路热管蒸发器7毛细驱动压头；

P

式中，P

步骤S7：将环路热管蒸发器7放入真空烘箱烘干。

优选地，对环路热管蒸发器气侧缓慢充气加压，缓慢充气加压以保证气压平衡，保证通过气泡生成找到压力的临界平衡点。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、在浸润状态进行测试，能够通过观察气泡是否溢出、溢出位置、气泡溢出量多少准确地调整压力至平衡状态，测试更加准确，根据溢出位置判定蒸发器的薄弱环节，提出针对性的改进措施；例如，在毛细芯上某处溢出，且平衡压力较低，则毛细芯存在裂纹或其他缺陷，若在毛细芯与壳体装配处溢出，且平衡压力较低，则毛细芯与蒸发器壳体装配存在间隙不合格。

2、在浸润状态进行测试，能够进行反复测试多次，能够避免气体击穿时，造成吸液芯工质充填不充分，需要重新充填工质；

3、本发明可以有效、准确地测量蒸发器的实际毛细驱动压头，能够真实反映环路热管工作状态的毛细压头，初步评估环路热管的性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为航天器环路热管蒸发器毛细驱动压头测试装置原理图；

图2为航天器环路热管蒸发器毛细驱动压头测试装置的浸润装置示意图；

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1、图2所示，本发明实施例提供了一种航天器环路热管蒸发器毛细驱动压头测试装置，包括加压模块100、浸润装置200、观察模块300。

所述加压模块100包括气源1、减压阀2、压力传感器3、气体管道4；

所述浸润装置200包括浸润槽5、液位计10、蒸发器固定架11、浸润液态工质6；

所述观察模块300包括光纤探头8、显示屏幕9；

所述浸润装置200用于浸润环路热管蒸发器7，使毛细芯吸满浸润液态工质6，获得毛细驱动力，具体地，环路热管蒸发器7置于设置于浸润槽5的蒸发器固定架11上，液位计10设置于浸润槽5外壁侧(超声波和电容式的液位计设置在浸润槽内部)。

所述环路热管蒸发器7毛细芯充有蒸汽的一侧设置有端口与加压模块100相连接，环路热管蒸发器7毛细芯充有液体的一端与浸润液态工质6接触以浸润；

所述光纤探头8伸入环路热管蒸发器7毛细芯内腔；

所述的观察模块300配备的显示屏幕9，可以实时显示光纤探头8获取的视频画面，用于观察环路热管蒸发器7的毛细芯内孔气泡溢出生成情况。

所述加压模块100的气源1与减压阀2、压力传感器3依次通过气体管道4相连接，压力传感器3设置于环路热管蒸发器7与减压阀2之间，气体管道4穿过浸润槽5设置；加压模块100通过气源1实现气体加压，采用气体加压，能够精确调节加压压力；

本发明提供所述航天器环路热管蒸发器为毛细驱动压头测试装置，该装置模拟环路热管传热过程中蒸发器气侧高压状态，能够测试蒸发器的实际毛细驱动压头；即：所述航天器环路热管蒸发器毛细驱动压头测试装置和方法同环路热管工作状态模拟一致，正常工作时环路热管蒸发器7毛细芯充有蒸汽的一侧的蒸汽压力与毛细芯提供的驱动力相等，在传热能力达到极限时，蒸汽侧压力大于毛细芯毛细驱动力，环路热管蒸汽逆向击穿停止运行。

所述气源1采用高压高纯氮气，配有过滤器，以保证氮气洁净、干燥，气源1通过减压阀2调节输出气压的大小，通过压力传感器3显示减压后的气压大小。

所述压力传感器3量程可选择100Kpa，并选用高精度量级，用于精确控制施加的气压，确保测量结果精度。

气体管道4采用不锈钢波纹管、耐高压聚氨酯气管，材料具有耐压、防腐蚀的特点。

浸润槽5选用与浸润液态工质兼容的材质，可以使用玻璃这种透明材质，便于观察；液位计10可采用电容式、超声波式数字液位计；

浸润液态工质6选用易挥发的工质，如水、无水乙醇，便于毛细芯后续干燥处理；

所述光纤探头8，具备不低于IP68的防水等级，直径不大于3mm，是柔性纤细的，以便于伸入毛细性内腔进行实时观察。

本发明提供一种航天器环路热管蒸发器毛细驱动压头测试方法，运用上述环路热管蒸发器毛细驱动压头测试装置执行如下步骤：

步骤S1：将环路热管蒸发器7放入浸润装置200的工质液面以下，使环路热管蒸发器7毛细芯吸满浸润液态工质6。

步骤S2：将环路热管蒸发器7的气路端，即充入蒸汽的一侧的端口，连接加压模块100。

步骤S3：使用加压模块100对环路热管蒸发器气侧缓慢充气加压，缓慢充气加压以保证气压平衡，保证通过气泡生成找到压力的临界平衡点。

步骤S4：使用观测模块300对环路热管蒸发器7的毛细芯内腔的气泡生成情况进行观测。如果发现大量气泡逸出，减小加压模块100的气压，直到无气泡溢出，毛细压头与气压达到一个临界平衡点，则环路热管蒸发器7的驱动压头与充气加压一侧压力达到平衡，记录此时的充气加压压力P

步骤S5：记录浸润装置200液面高度H和环路热管蒸发器中心线高度h(通过支架高度h

步骤S6：计算环路热管蒸发器7毛细驱动压头。

P

式中，P

步骤S7：将环路热管蒸发器7放入真空烘箱烘干。

综上所述，本发明提供的一种航天器环路热管蒸发器毛细压头测试方法和装置，能够用于环路热管制造过程中的检测，验证毛细芯与蒸发器装配是否合格，识别定位影响蒸发器毛细驱动压头的薄弱点，提早剔除不合格的蒸发器，降低研制成本。

下面给出几个具体实施例：

实施例一

根据本发明提供的一种航天器环路热管蒸发器毛细驱动压头测试装置，包括加压模块100、浸润装置200、观察模块300。

加压模块100用于给蒸汽通入一侧蒸汽口处充气加压。气源1采用高压高纯氮气，通过气体管道4给蒸发器提供气压和洁净、干燥的气体。减压阀2用于根据光纤探头8观测情况，调节气源1的输出压力。压力传感器3安装在减压阀2和环路热管蒸发器7之间的管道上，管道位于环路热管蒸发器7蒸汽充入一侧，压力传感器3用于显示环路热管蒸发器7蒸汽口一侧的加压压力，根据环路热管蒸发器7毛细压头的范围，压力传感器3量程可选择100Kpa，气体管道4采用不锈钢波纹管、耐高压聚氨酯气管。

浸润装置200用于将环路热管蒸发器7浸润，并使内部的毛细芯吸满液态工质。浸润装置200通过浸润槽5盛装浸润液态工质6，浸润槽5内部清洁，浸润槽5可采用透明的玻璃、塑料材质，便于观察。浸润液态工质6选择易挥发液态工质，例如无水乙醇，便于完成测试后对环路热管蒸发器7烘干。观察浸润槽5内部放置蒸发器固定架11，蒸发器固定架11可放置3个及以上的蒸发器，测试过程中需要将环路热管蒸发器水平置于蒸发器固定架11上，停放蒸发器固定架11高度为h。浸润槽5设置一个液位计10，用于指示浸润液态工6质的液位高度，液位高度记为H，液位计10可采用其他高精度数字式液位计，如电容液位计、超声波液位计等。浸润装置200设置多套气体转接管路和接头，可用于同时测量多个环路热管蒸发器7的毛细驱动压力，一端用于连接环路热管蒸发器蒸汽口端，另一端连接气压输入管路，接头能够保证连接的良好密封性。

观察模块300用于观察蒸发器毛细芯内孔气泡溢出生成情况，采用带有纤细光纤探头8的内窥镜从环路热管蒸发器充有液体一侧伸入毛细芯内腔观测，光线探头8直径不大于3mm，便于伸入环路热管蒸发器7毛细芯内腔进行实时观察，内窥镜光纤探头8具备不低于IP68的防水等级。

提供一种航天器环路热管蒸发器毛细驱动压头测试方法，采用上述实施例一环路热管蒸发器毛细驱动压头测试装置，测试方法包括如下步骤：

步骤S1：将环路热管蒸发器7蒸汽出口连接至浸润装置200的气体转接管接头上，管路连接至加压模块300。

步骤S2：将环路热管蒸发器7放入浸润装置200的浸润液态工质6液面以下，并放置在环路热管蒸发器固定架11上，排空环路热管蒸发器7毛细芯内空气，使环路热管蒸发器7毛细芯吸满浸润液态工质6，放置约10min。

步骤S3：打开减压阀2使用加压模块100对环路热管蒸发器7气侧缓慢充气加压。

步骤S4：使用观测模块300对环路热管蒸发器7毛细芯内腔的气泡生成情况进行实时观测。先调节减压阀2增大气压，直到通过观测模块300中可看到大量气泡从环路热管蒸发器7毛细芯内腔逸出，然后调节减压阀2，减小加压模块100的气压，直到无气泡溢出，环路热管蒸发器7毛细压头与加压模块100的气压达到一个临界平衡点，则环路热管蒸发器7的驱动压头与气侧压力达到平衡，记录气侧加压压力为P

步骤S5：记录浸润装置200液面高度H和环路热管蒸发器7中心线高度h

步骤S6：计算环路热管蒸发器7毛细驱动压头P，根据测试得到的驱动压头，判断该环路热管蒸发器7是否合格。

P

式中，P

步骤S7：将环路热管蒸发器7放入真空烘箱烘干，使吸附在环路热管蒸发器7毛细芯内的浸润液态工质6完全挥发。

实施例二

在实施例一的基础上，设置一个自动测量模块，自动测量模块使用图像识别算法识别观测模块300中传输图像中气泡生成的大小和速率，控制加压模块100的减压阀2的开度大小，自动调节气压与环路热管蒸发器7的毛细芯毛细压头至临界平衡状态。例如当观测模块300传输图像中无气泡生成时，自动控制模块向加压模块100的减压阀2传输按一定速率打开的指令，直到观测模块300中出现小气泡溢出，自动控制模块停止减压阀2开启动作，并以小于前一时段的速度控制减压阀2减小开度，直至无气泡溢出，此时加压模块100的气压与环路热管蒸发器7毛细驱动压力处于临界平衡状态，自动控制模块通过采集压力传感器3的数据，结合预先输入的环路热管蒸发器固定架11、环路热管蒸发器7外径、浸润液态工质6的液位高度H、浸润液态工质密度ρ等数据，自动计算环路热管毛细驱动压头的大小，实现环路热管蒸发器毛细驱动压头的自动测试。

综上所述，本发明提供的一种航天器环路热管蒸发器毛细压头测试方法和装置，能够用于环路热管制造过程中的检测，验证毛细芯与环路热管蒸发器7装配是否合格，识别定位影响环路热管蒸发器7毛细驱动压头的薄弱点，提早剔除不合格的环路热管蒸发器7，降低研制成本。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。