Le dispositif de test de gestion thermique des métaux liquides dans le domaine des tests de technologie aérospatiale a été développé par l'Institut de technologie physique et chimique de l'Académie chinoise des sciences et installé dans l'armoire de test de base aérospatiale du module expérimental Mengtian de la station spatiale. Il utilise un métal à base de bismuth avec un point de fusion bas, une biosécurité élevée et des propriétés chimiques stables. Effectuer des recherches caractéristiques et une vérification expérimentale de la technologie de dissipation thermique par flux et de contrôle de la température par changement de phase dans un environnement de microgravité spatiale.
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L'emplacement du dispositif de test de gestion thermique du métal liquide dans l'armoire de test de base aérospatiale
PARTIE 1
Qu’est-ce que le métal liquide ? Quels sont les principes impliqués dans les tests ?
Le métal liquide est un métal liquide amorphe et fluide. Il s'agit d'un terme général désignant une série de métaux et d'alliages à bas point de fusion. Il est liquide à température ambiante ou à température de chauffage inférieure et présente une fluidité. Il a une forte conductivité électrique et conductivité thermique. Il présente les caractéristiques d'un rendement élevé, d'une faible viscosité et d'une large plage de température du liquide. Cette expérience a principalement utilisé deux principes de dissipation thermique du métal liquide, à savoir le transfert de chaleur par convection et le contrôle thermique par changement de phase solide-liquide.
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métal liquide
Le transfert de chaleur par convection signifie que le métal liquide circule à travers une surface chauffante, absorbe la chaleur de surface et maintient la température de la surface chauffante à une certaine valeur appropriée. La chaleur absorbant le métal liquide chauffera, transférera la chaleur à l'environnement dans un certain dispositif de dissipation thermique, puis récupérera. à la température initiale, circulant ainsi à nouveau à travers la surface chauffante pour obtenir un écoulement circulaire ;
Le contrôle thermique à changement de phase solide-liquide est un dissipateur thermique à changement de phase installé sur la surface chauffante qui fond après avoir absorbé la chaleur et passe du solide au liquide. Le processus de fusion absorbe la chaleur mais la température ne change pas, contrôlant ainsi la surface chauffante à une certaine température appropriée. Lorsque la surface chauffante ne fonctionne plus, le métal liquide se solidifie progressivement pour devenir solide. Pendant le processus de solidification, la température reste inchangée mais de la chaleur est dégagée. Cette chaleur se dissipe progressivement dans l'environnement. Le métal complètement solidifié est prêt pour le prochain travail de la surface chauffante. L'état solide Les matériaux métalliques utilisés pour le contrôle thermique à changement de phase liquide ont un point de fusion bas, généralement inférieur à 100 degrés, et peuvent être ajustés en fonction des besoins.
PARTIE 2
Quels résultats l’essai a-t-il permis d’obtenir ?
Dans ce test en orbite, le module de test de dissipation thermique par convection a obtenu les caractéristiques de variation du coefficient de transfert thermique en fonction du débit, ce qui est principalement destiné aux applications à faible débit de petits circuits de fluide. Avant cela, il n'existait aucune donnée fiable sur les caractéristiques du coefficient de transfert de chaleur à laquelle les concepteurs pouvaient se référer dans le domaine des faibles débits sur lequel se concentrait ce projet de test. Les résultats de ce test ont comblé cette lacune ;
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Le module de contrôle de température à changement de phase obtient la courbe de changement de température du processus de fusion des matériaux métalliques avec le temps. La répartition de la température du matériau pendant le processus de fusion est considérablement affectée par la gravité. En présence de gravité, la différence de densité provoquée par les différentes températures du fluide déclenchera un écoulement naturel. Ce flux fera en sorte que la température interne du métal liquide s'uniformise plus rapidement ; bien que la gravité de l'environnement spatial soit extrêmement faible, la différence de densité ne provoquera pas d'écoulement naturel et la répartition de la température à l'intérieur du métal liquide sera relativement inégale. Ce test est équipé d'un changement de phase métallique. Une structure de transfert de chaleur améliorée est mise en place dans la cavité du matériau, qui peut transférer rapidement la chaleur à l'intérieur du matériau métallique, le faisant fondre plus uniformément, ce qui entraîne une température plus uniforme. Les résultats des tests de vérification sont conformes aux attentes.
En plus de vérifier la technologie de transfert de chaleur par convection et de contrôle de la température par changement de phase, ce test a également vérifié des technologies clés telles que la fusion contrôlée, le tampon d'expansion et la conduction thermique d'interface du métal à base de bismuth dans un environnement de microgravité spatiale.
Postes clés sur la connaissance de la terminologie technique
Fusion contrôlée : fait référence à la fusion contrôlée de métaux en séquence selon des positions et des séquences prédéfinies.
Tampon d'expansion : fait référence à la mise en tampon du changement de volume lorsque le liquide solide métallique change. Pour un circuit fermé, si ce changement de volume n’est pas tamponné, le pipeline éclatera.
Conductivité thermique de l'interface : fait référence aux minuscules espaces qui apparaîtront lorsque deux surfaces solides sont en contact. L'air restant dans ces espaces gênera le transfert de chaleur entre les deux surfaces solides. Par conséquent, les espaces doivent être remplis de matériaux d’interface thermique, tels que du métal liquide. Ce remplissage La conductivité thermique du matériau est bien supérieure à celle de l'air, permettant un transfert de chaleur entre deux surfaces solides avec une faible différence de température.
PARTIE.3
Quelles sont les implications du test pour la recherche ?
Ce projet est la première fois au monde à utiliser un alliage à base de bismuth à bas point de fusion et à haute biosécurité pour effectuer des tests en orbite et la vérification de technologies clés pour la gestion thermique de l'espace à métaux liquides. Les résultats pertinents peuvent être utilisés pour les futures alimentations nucléaires spatiales, l'avionique à haute densité de puissance et les applications civiles de haute puissance. Fournir un support technique clé pour les applications d'ingénierie ou industrielles qui nécessitent un transfert et une dissipation thermique efficaces, telles que les appareils.
PARTIE.4
Dans quels domaines espérez-vous voir des applications à l’avenir ?
Les réalisations obtenues par ce projet en matière de dissipation thermique par convection de métal liquide et de contrôle de température par changement de phase visent principalement à répondre aux besoins techniques de contrôle thermique tels que le chauffage continu ou le chauffage intermittent à forte charge de dispositifs électroniques à haute densité de flux thermique. Avec le développement de la technologie de l'intelligence artificielle, de la technologie de réalité virtuelle et du haut débit. Avec le développement continu de la technologie de traitement d'image de flux et d'autres domaines, la densité de puissance des équipements électriques dotés de ces fonctions continue d'augmenter. Afin de garantir les performances de fonctionnement des composants électriques dans des conditions de charge élevée, il est nécessaire d'adopter une technologie de dissipation thermique plus efficace, simple et fiable. Ce projet Les deux technologies de dissipation thermique par métal liquide impliquées sont des vérifications expérimentales réalisées en réponse à cette demande industrielle, et devraient jouer un rôle majeur dans de nombreux domaines.
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Source du contenu : China Manned Spaceflight Auteur : Liu Guilin, Institut de physique et de chimie, Académie chinoise des sciences
