航空宇宙技術試験分野における液体金属熱管理試験装置は、中国科学院物理化学技術研究所によって開発され、宇宙ステーションの蒙天実験モジュールの航空宇宙基本試験キャビネットに設置されました。 融点が低く、生体安全性が高く、化学的性質が安定しているビスマス系金属を使用しています。 宇宙微小重力環境における流動放熱・相変化温度制御技術の特性研究と実験検証を実施します。
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航空宇宙基礎試験キャビネット内の液体金属熱管理試験装置の位置
パート1
液体金属とは何ですか? テストにはどのような原則が関係していますか?
液体金属は、非晶質で流動性のある液体金属です。 一連の低融点金属および合金材料の総称です。 室温以下の加熱温度では液体であり、流動性を有する。 強い電気伝導性と熱伝導性を持っています。 高効率、低粘度、広い液温範囲という特徴を持っています。 この実験では主に、液体金属の 2 つの熱放散原理、つまり対流熱伝達と固液相変化熱制御を使用しました。
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液体金属
対流熱伝達とは、液体金属が加熱面を通って流れ、表面熱を吸収し、加熱面の温度を特定の適切な値に維持することを意味します。 熱を吸収した液体金属は加熱され、特定の放熱装置内で環境に熱を伝達し、その後回復します。 初期温度まで上昇し、再び加熱面を通って流れて循環流が得られます。
固液相変化熱制御は、加熱面に設置された相変化ヒートシンクが熱を吸収して溶融し、固体から液体に変化します。 溶融の過程で熱を吸収しますが温度は変化せず、伝熱面を一定の適切な温度に制御します。 加熱面が機能しなくなると、液体金属は徐々に凝固して固体状態になります。 凝固プロセス中、温度は変化しませんが、熱が放出されます。 この熱は徐々に環境中に放散されます。 完全に凝固した金属は、加熱面の次の作業の準備が整います。 固体状態 液相変化の熱制御に使用される金属材料は融点が低く、一般に 100 度未満であり、必要に応じて調整できます。
パート2
試験ではどのような結果が得られましたか?
この軌道上試験では、対流放熱試験モジュールにより、主に小型流体回路の低流量用途を目的とした、流量に応じた熱伝達率の変化特性が得られました。 これまでは、この試験プロジェクトが焦点を当てた低流量領域において、設計者が参照できる信頼できる熱伝達係数特性データは存在しませんでした。 このテストの結果は、このギャップを埋めました。
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相変化温度制御モジュールは、金属材料の溶融プロセスの時間経過に伴う温度変化曲線を取得します。 溶解プロセス中の材料の温度分布は重力の影響を大きく受けます。 重力がある場合、流体温度の違いによって生じる密度差により自然な流れが生じます。 この流れにより、液体金属の内部温度がより早く均一になります。 宇宙環境の重力は非常に弱いため、密度差により自然な流れが生じず、液体金属内の温度分布は比較的不均一になります。 このテストには金属相変化が装備されています。強化された熱伝達構造が材料のキャビティ内に設置されており、熱を金属材料の内部に素早く伝達することができ、金属材料をより均一に溶解し、その結果、より均一な温度が得られます。 テスト検証結果は期待どおりでした。
この試験では、対流熱伝達と相変化の温度制御技術の検証に加え、宇宙微小重力環境におけるビスマス系金属の溶融制御、膨張緩衝、界面熱伝導などの主要技術も検証した。
主要な技術用語のナレッジ投稿
制御された溶解: 事前に設定された位置と順序に従って順番に金属を制御して溶解することを指します。
膨張緩衝：金属固体液体が変化する際の体積変化を緩衝することを指す。 閉回路の場合、このボリュームの変化がバッファされないと、パイプラインがバーストします。
界面熱伝導率: 2 つの固体表面が接触したときに現れる小さなギャップを指します。 これらの隙間に空気が残っていると、2 つの固体表面間の熱の伝達が妨げられます。 したがって、ギャップは液体金属などのサーマルインターフェースマテリアルで埋める必要があります。 この充填材の熱伝導率は空気の熱伝導率よりもはるかに高く、小さな温度差で 2 つの固体表面間で熱を伝達できます。
PART.3
このテストの研究への影響は何ですか?
このプロジェクトは、生体安全性の高い低融点ビスマス系合金を用いて、液体金属宇宙の熱管理の主要技術を軌道上で試験・検証する世界初のプロジェクトです。 関連する結果は、将来の宇宙用原子力電源、高出力密度アビオニクス、民生用高出力に使用できます。デバイスなど、効率的な熱伝達と放散を必要とするエンジニアリングまたは産業用途に重要な技術サポートを提供します。
パート4
将来的にはどのような分野での応用が期待されますか?
液体金属の対流放熱と相変化の温度制御においてこのプロジェクトによって達成された成果は、主に、高熱流束密度の電子デバイスの連続加熱または断続的高負荷加熱などのエンジニアリング熱制御ニーズを目的としています。 人工知能技術、仮想現実技術、高速フラックス画像処理技術やその他の分野の継続的な発展に伴い、これらの機能を備えた電気機器の電力密度は増加し続けています。 高負荷条件下で電気部品の動作性能を確保するには、より効率的でシンプルかつ信頼性の高い放熱技術を採用する必要があります。 今回の2つの液体金属放熱技術は、こうした産業界の需要に応えて実験検証されたものであり、さまざまな分野で大きな役割を担うことが期待されています。
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コンテンツソース: China Manned Spaceflight 著者: Liu Guilin、中国科学院物理化学研究所
