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1、中国工程热物理学会 传热传质学学术会议 编号:9 9 3 1 1 7 毛细泵环( C P L ) 运行的可靠性分析和实验研究 曲伟申 陈国封* * 侯增棋马同泽 中国 科学院工程热物理研究所( 北京2 7 0 6 信箱，1 0 0 0 8 0 ) * 哈尔滨电站工程有限责任公司 * * 中国 空间技术研究院第五 零一设 计部 摘要 对影响 C P L运行可靠性的 因素进行了分 析。 采用正常和加速两种实 验方法在铝- 氨 C P L - 1 实验台上断续地进行了可 靠性实 验研究。 实验结果表明:在现有的实验条件 下， C P L - 1 在2 3 - 4 0 的温度范围内 共运行了3 0 0
2、 0 小 时左右， 其热量输运性能没有明显 的下降，表现出良好的可靠性， 为将来C P L的 实际长寿命 应用提供了依 据 关 键词:C P L 运行可靠性， 正常和加速，热量输运性能 1 . 前言 毛细泵环( C P L ) 是一种先进的控温装置，它 采取 相变传热方式并应用毛细力来克服 工质循环流动产生的阻力。采用 C P L进行控温的诸多优点特别适应微重力空问中工作 的大型航天器。目 前，各航天大国对C P L的研究可谓 轰轰烈烈， 在大型航天器的 应用 背景下，C P L的可靠性问题不容忽视，而对此问题的研究还未见报道。 影响 C P L可靠性的因素有:管壳材料的强度，蒸发器、冷凝器和
3、储液器的工作机 理，管路中工质的非稳态运行特性，工质和采用材料的相容性等。如果要将 C P L投入 使用， 则必须首先解决前三个因素影响的问题。 因此， 可靠性和寿命问题一般是指制造 材料和工质的相容性问题。 由于C P L 技术相对较新， C P L 系统较庞大、结构 等具有特殊性，即 使有一定 量的 不凝性气体， 它们在系统中的存在也具有位置不确定性。它 们对 C P L性能的 影响 程度 最终也由 不凝性气体的多少和其在环路的 什么位置聚集决定。 不凝性气体可能 在环路中 冷凝器和储液器的 滞留区停留， 也可能被工 质吸收 并在环路中循环， 还可能被壳体 或毛 细芯吸收。 不凝性气体在C
4、 P L工作时可能被蒸汽流带到某 处积聚 起来， 通常认为，一 定量的不凝性气体如果滞留于蒸发器的毛细芯中， 则 会使蒸发器失效。 如果不凝气体的 生成量被回流液带到 气体捕集器， 在相应的压 力下 其容积超过捕集器的空间 时， 就 会形 成气塞，阻断工质的正常循环。 如果无气体捕集器， 较为严重的 情况是 在C P L 运行 时在蒸汽管路中的不 凝性气体将被蒸汽赶到冷凝器， 在那里 蒸汽凝结， 不凝性 气体不凝 结。 如果不凝性气体的量不多， 这种影响不致影响系统运 行; 如果不凝性气体的量较多， 则凝液或者沿冷凝器流道壁面流过气体， 或者凝液在 冷凝器出口 流道中建立 液桥。 后一 种情况
5、会使液体回流管中形成不凝性的气泡， 气泡将随冷凝液向蒸发器移动， 在蒸发器 入口的毛细芯处气泡将阻碍液体的正常回 流而 使蒸发器的正 常运行工况遭破坏。因 此， I V- 1 5 : 3 要想针对C P L 的某一部分进行 相容性研究十分困难， 较可靠的 办法只能是使C P L 在正 常和加速情况下 运行， 通过实验结果来推算可靠性。 目 前， 制造C P L 所采用的 材料和工质与传统空间热管的相似， 即 铝、 不锈钢、 氨。 但C P L蒸发器毛细芯通常还都采用细小的 玻璃球，有时 还在不锈钢丝网 上烧结镍粉。 在C P L 的实际应用之前， 必须研究的问题是: C P L的 可靠性如何，
6、在 一定的 运行时 间 内 能不能产生对C P L的正常 运行产生影响的 不凝性气体。 广义上讲，环路热管 ( L H P ) 也属于 C P L .俄罗斯 对 L H P的不凝性 气体影响实验说 明， 不凝性气体的影响不大。例如1 1 ， 某个小型的L H P内 部容积为6 5 0 毫升，充入 约 2 5 0 克氨，在 1 5 年的设计寿 命中，由于铝 和氨间 发生的电化学反 应而 产生不凝性 气体 的量是 1 . 4 X 1 0 - 3 克。实验时如 果加入不 凝性气体的 量比 上述不凝性气 体的 量大一个 数 量级，L H P的热量输运性能也无明显下降。但是，L HP 必定是小型的，结构
7、与 C P L不 尽相同，而且俄罗斯的 镍毛细芯制造水平也比较高，因此不能将对L H P的 研究结果 直 接应用于C P L ， 必须对C P L 的 可靠性进行 研究。 本文的研究目的 是对C P L的 可靠性进行分析和实 验研究，通过正常 和加速等运行 实验来间 接检验C P L 管路材料、 毛细芯材料与工质的相容性。 主要看能 不能产生对C P L 的运行产生严重影响的 足够量不 凝性 气体，为将来C P L的 长寿命应用提供依据。 度一川习习刁 解一决一一落一门口 溶一墉-一灌一一涯- 的-遏一一拐一一活一 质一催一一打二引1 工质、毛细芯 和管材的选择 不凝性气体 的产生速率 工质的
8、纯净度 毛细芯和管壁 面的清洗效果 不凝性气体的 量及所处位置 相容性 制造因素 管材 的强度 可靠性 图1 影响C P L 相容性、 可靠性的因素分析示意图 2 . 材料与工质的相容性分析 根据对传统热管相容性的研究报道，可能 导致不凝性气体产生的因素有:壳体和 毛细芯的清洁性，工质的纯度和对不凝性气体的 溶解度，制造工艺水平， 工质和壳体、 毛细芯间的 ( 电 ) 化学反 应，管 材壳体的强度和抗腐蚀能力以 及运行条 件等。 传统的空间热管实 验已 经验 证了铝、不锈钢、镍等材料与氨工质的相容性。 例如， 在恒定和可变热导热管中， 铝一 氨热管已 经有了 无数成功应用多年的范 例; 镍为航
9、天热 管中 较新采用的材料， 前苏联制造的铝一 镍一 氨环路热管( L H P ) 在工作几年后也没有产生 异常现象。 C P L - 1 实 验台 采用铝 材管路， 工质采用氨， 毛细芯材料采用不锈钢 丝网和细小的玻 璃球。现在对 目前已有的铝、不锈钢和氨等的相容性研究结果进行综述: 引起材料与工质不相容的一种情况是因电化学过程而产生了不凝性气体，于是导 W一 1 5 4 致传热元件的 性能衰退; 另一种情况是工 质与 毛细芯或管材直接发生化学反应而产生了 不凝性气体: 再一种情况是腐蚀: 毛细芯受到 腐蚀会引 起渗透率、 有效毛细孔径和孔隙 率的变化， 从而影响了 蒸发器的 性能。 管壁受
10、到腐蚀后， 强度下降， 严重时会引 起腐蚀 穿孔， 引 起泄 漏， 使传热元件运行完全失效。 图I 总结了 影响C P L 相容性的常见因 素。 对 铝 或 铝 合 金 一 氨 热 管， 寿命 实 验 表 明 其 性 能 没 有 衰 退 2 ,5 1 。 实 验 用 的 铝 或 铝合 金 有 L 2 , L F 2 , L F 2 1 、 美国牌号为6 0 6 1 , 6 0 6 3 ( 相当于L D 1 , L D 2 ) 等， 实验温度为2 0 到6 0 。前西德M u n z e l 等对 铝一 氨热管进行的 寿命实验时间长达2 . 5 年，发 现有少量不凝性 气体产生，这是由于氨中含有
11、水分的缘故。 铝与水长时间缓慢反应产生了氢气， 但热管 性能无明显变化。美国的C e w i s 研究中心的研究者进行了 氨一 铝 热管加 水实 验: 先将一 定量的水故意加 入工质， 让热管在高a, 重力 状态下运行一段时间， 足以 使表面钝化后 将工 质放掉后，再次充装氨工质进行实验，结 果表明工 业用氨经蒸馏之后充入铝( L 2 , L F 2 ) 槽管内， 在2 0 C - 4 0 的条件下运行了数千小时，并无不 凝气体产 生的 迹象。 制造 过 程时不进行 烘烤( 去 掉水分) 的热管中气体的产生速率小于进行过烘烤过的热管中气 体的产生速率，这是因为水的存在促进了铝表面的钝化，有利于
12、降低气体的生产速率。 因此，铝一 氨这一组合是能长期相容的，但需注意控制工质中的水。 虽然不锈钢一 氨的 相容性已被很多实验所证实， 但一些研究者在进行氨一 铝一 不锈钢热 管的 相容性实 验时发 现了问题。前西德的M u n z e l 等用6 0 6 1 铝合金作管壳， 用3 0 4 不 锈钢作管芯，工 作温度为 6 0 C ， 数天之后很快 产生了 不凝性气体。即 使将这段气体放 掉， 很快又 会产生出 新的不凝性气体， 气体产 生的 速率随时 间而下降， 但并 不停止 研 究者认为这是由 于在不同的金属之间产生了电化学作用， 在 有很少量水的 情况下也会产 生氢气， 产生的 氢气量取决
13、于水的初始含 量。恩奈格的实验表明，在温 度为 4 9 时， 铝6 0 6 1 一 不锈钢3 0 4 - 氨这一组合产生的 氢气的 速率比 完全采用铝管的情形大， 但在温度 超过 8 0 时两种情形产生的不凝性气体的量 相差 不多，而且不 凝性气体的 量均很小， 对热管性能无大的影响。Wa t e r s 在温度为2 0 时进行了铝一 不锈钢一 氨热管的寿命实验， 结论是此两种材料和工 质的组 合能长期工作， 但温度较高时， 可能会 产生 气体， 运行条 件不同的 实验可能会导致不同的结果。 综上所述， 现有的相容性研究结果只能为选取工 质、 材料 组合提供参考。 至于C P L 工质与材料是
14、否相容必须由C P L的可靠性实验来证明。 3 . C P L - I 的可靠性影响因素分析 在管材强 度、 启 动、 非稳态等其它问 题解决后， C P L 的可靠 性主要 取决于 所选材料 与工质的 相容 性。 检查 相容性的可靠性实验必须首先保证C P L - 1 在 环路 制造 过程中 不出 现问 题， 然后才能在正常 和加速等条件下进行C P L - 1 的长期测试。 根据图1 中 对影响C P L的可靠性因素进行分析， 制造C P L - 1 与常规 航天热 管的 制 造材料相似， 采用的 工质相同， 因此对毛细芯、 管壳等的清洗和处理步 骤采用与航天热 管相同的 制造工艺。 这种
15、制造工艺是比 较完善和成熟的: ( 1 )工 质: C P L - 1 所采用的工质为高纯蒸馏氨，工 质中没有溶解的不凝性气体和其 它杂质成分，含水量可以忽略，纯净度能够得到保证。 W一 土 j .j ( 2 )蒸发器的 毛细芯和管 材: C P L - 1 蒸发器的毛细芯采用2 0 0目 和3 5 0 目 两种 不锈 钢丝网 和细小的玻璃球， 清洁 度同样能得到保证。蒸发器和其它环路的管壳材料采用 L 2铝，其内 表面经过碱水的 严格清洗，内表面不 会有沉积 状杂质。 另外，管壳材 料和 焊接点都是 足够厚的， 强度条件能 够得 到保证， 整个环路能经 得起一定的振 动和加速度 冲击。 (
16、3 ) 制 造工 艺 ， 蒸 发 器 是C P L的 关 键部 件 ， 毛细 材 料 的 填 充 应 保 证外 层 不 锈 钢 丝 网 与蒸发器 壁槽顶贴紧 不松动; 管路焊接由高级焊工来完成， 焊缝质量相当 好: 对C P L 充装工质前 对其进行高 度抽真空 内 部压力为Pa 左右) ， 可以 认为制造完成时C P L - I 内 不凝气体的含量是微乎 其微的; 对 C P L充装工质的量经过 精确 计算，可以 保证 C P L - 1 的控 温要求: 对环路充入工 质的 位置在蒸发器的入口、 隔离器处， 保证了 毛细芯中 不存 在微量不凝性气体， 充装完工质后采用冷焊工艺来密封系统。 ( 4 ) 运行工况:为检验工质与管壳、 毛细芯的 相容性， 工质必须与管壳、 毛细芯不 发生 反应， 应进行正常和加速两种实验。 根据以前的分析， 相容性受温度和热流密度的 影响也较大。 一 般来说， 工质 对
