面向空間應(yīng)用的單向微膨脹型熱開關(guān)特性分析

馬明朝 郭亮 張旭升 吳清文

(1 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033)(2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

面向空間應(yīng)用的單向微膨脹型熱開關(guān)特性分析

馬明朝1,2郭亮1張旭升1吳清文1

(1 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033)(2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

為了提高探測(cè)器等航天器的溫度控制精度，降低熱波動(dòng)造成的影響,基于金屬的熱脹冷縮原理設(shè)計(jì)了一種單向膨脹型熱開關(guān)，利用二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱原理進(jìn)行建模分析，得到熱開關(guān)熱特性參數(shù)。搭建了試驗(yàn)平臺(tái)模擬熱開關(guān)工作環(huán)境，測(cè)定不同功率條件下熱開關(guān)的工作狀態(tài)以及相關(guān)性能參數(shù)。當(dāng)加熱功率為0.4 W時(shí)開關(guān)斷開熱阻為230.46 K/W；功率為30 W時(shí)開關(guān)的導(dǎo)通熱阻為0.302 2 K/W，開關(guān)控制比為762.6。結(jié)果表明，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)吻合較好，進(jìn)一步說明了熱開關(guān)的結(jié)構(gòu)合理性以及適用性。

熱控制；單向微膨脹型；熱開關(guān)；特性參數(shù)；溫度變化；航天器

1 引言

為了解決航天器在軌運(yùn)行時(shí)由于外熱流變化劇烈以及頻繁工作引起的熱控設(shè)計(jì)問題，一種熱開關(guān)主動(dòng)控制方法[1-3]引起了人們的關(guān)注。熱開關(guān)是一種能夠根據(jù)需求控制部件之間熱連接關(guān)系的熱控裝置，具有節(jié)能、可實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制等特點(diǎn)，早在20世紀(jì)60年代，國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)(如美國(guó)、歐洲航天局)就已經(jīng)開始了對(duì)這種主動(dòng)熱控方法的研究，并且已經(jīng)成功應(yīng)用到航天器設(shè)備當(dāng)中[4]。與傳統(tǒng)的散熱裝置相比，熱開關(guān)能夠更好地疏導(dǎo)空間設(shè)備的散熱路徑，無需外加動(dòng)力，安裝要求相對(duì)較低，可根據(jù)散熱需求定制相應(yīng)的結(jié)構(gòu)類型。

傳統(tǒng)的熱開關(guān)類型主要包括接觸式熱開關(guān)[5]、氣隙液隙式熱開關(guān)[6]、場(chǎng)效應(yīng)式熱開關(guān)[7]，由于其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、可實(shí)現(xiàn)多次開關(guān)等一系列優(yōu)點(diǎn),被應(yīng)用于多種空間設(shè)備。美國(guó)JPL及衛(wèi)星系統(tǒng)研究公司聯(lián)合研制的應(yīng)用于火星探測(cè)器的石蠟型驅(qū)動(dòng)熱開關(guān)[8]，主要用于在火星惡劣熱環(huán)境下保持蓄電池溫度在-20～30℃，其中熱開關(guān)的熱連接段與驅(qū)動(dòng)段之間縫隙為1.0 mm，開關(guān)比接近100。美國(guó)Swales航天中心研制的一種用于低溫制冷系統(tǒng)的單向微膨脹熱開關(guān)[9]，第一代熱開關(guān)的工作溫度區(qū)間為20～300 K，斷開熱阻可達(dá)到1 400 K/W。國(guó)內(nèi)中科院理化所的王美芬等研制的一種用于低溫制冷領(lǐng)域的單向微膨脹熱開關(guān)，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度在20～40 mm之間，熱開關(guān)閉合熱阻小于1.1 K/W，斷開熱阻大于1 400 K/W，開關(guān)比可達(dá)1 281～1 410[10]。以上不同系列的熱開關(guān)針對(duì)相應(yīng)熱環(huán)境設(shè)計(jì)，解決了特定空間設(shè)備的散熱及溫度控制需求。

本文基于金屬的熱脹冷縮性質(zhì)設(shè)計(jì)了一種單向微膨脹型熱開關(guān)，針對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱性能分析，通過試驗(yàn)?zāi)M熱開關(guān)的工作環(huán)境，測(cè)定了同等試驗(yàn)條件下的工作狀態(tài)，分析熱開關(guān)的重要性能參數(shù)指標(biāo)。試驗(yàn)表明理論分析的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

2 熱開關(guān)傳熱性能分析

2.1 建模分析

圖1 熱開關(guān)示意

基于微膨脹型熱開關(guān)的工作原理，分析其傳熱特性是設(shè)計(jì)該熱控裝置的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的熱開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由冷端、導(dǎo)熱環(huán)、支撐柱三部分組成，其中冷端與熱沉軟連接，導(dǎo)熱環(huán)底部與散熱部件連接。熱開關(guān)工作時(shí)，導(dǎo)熱環(huán)由于受到設(shè)備溫度升高影響，發(fā)生線性膨脹與冷端閉合，形成低熱阻導(dǎo)熱通路，從而解決設(shè)備散熱問題。當(dāng)設(shè)備溫度降低，導(dǎo)熱環(huán)與冷端斷開，熱開關(guān)整體熱阻變大，阻礙設(shè)備散熱，起到保溫作用。依據(jù)二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱原理分析熱開關(guān)傳熱性能，一般條件下為了獲得導(dǎo)熱物體溫度場(chǎng)，根據(jù)能量守恒以及傅里葉定律來建立物體中的溫度場(chǎng)分布。針對(duì)微元體，按照能量守恒以及任意時(shí)間段內(nèi)的熱平衡可以得到三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程

(1)

結(jié)合設(shè)計(jì)的熱開關(guān)結(jié)構(gòu)特性，在熱端起始段、導(dǎo)熱環(huán)及冷端起始段中，導(dǎo)熱過程可簡(jiǎn)化為沿軸向的一維導(dǎo)熱模型；由于各安裝面之間存在接觸熱阻，其余部分均采用二維導(dǎo)熱模型。故該二維穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源的導(dǎo)熱微分方程為

(2)

式中r為熱開關(guān)的直徑；T為熱開關(guān)內(nèi)部溫度變化。邊界條件如下：

(3)

式中l(wèi)為熱開關(guān)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度；T0為熱開關(guān)熱端初始溫度；T1為導(dǎo)熱環(huán)與冷端接觸溫度。通過建立熱開關(guān)傳熱模型來分析在非穩(wěn)態(tài)情況下，熱開關(guān)內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化的分布情況，最終確定相應(yīng)時(shí)間和溫度條件下，熱開關(guān)的工作狀態(tài)及特性參數(shù)。

2.2 熱阻計(jì)算

對(duì)熱開關(guān)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化來計(jì)算熱阻分布，如圖2所示。中間支柱的熱阻用Rm,s來表示；Rc,n2-d為冷端與導(dǎo)熱環(huán)的接觸熱阻；Rm,n1-w、Rm,d、Rm,n2-w分別為熱端、導(dǎo)熱環(huán)、冷端的熱阻。由于熱開關(guān)中間支柱與冷端和導(dǎo)熱環(huán)通過螺紋固定，因此在支柱與熱端、冷端都存在一定的接觸熱阻，分別為Rc,s-n1和Rc,s-n2。中間支撐柱的底部熱阻以及與導(dǎo)熱環(huán)相接觸部分的熱阻分別為Rm,n1、Rc,s-n3、Rc,n1。

圖2 熱阻分布示意

(4)

對(duì)熱開關(guān)的熱阻模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化得到圖3中各熱阻的串并聯(lián)關(guān)系，推導(dǎo)出導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)下熱開關(guān)的導(dǎo)通熱阻Ron和切斷熱阻Roff：

(5)

(6)

圖3 熱開關(guān)一維傳熱熱阻模型

基于以上各式，結(jié)合熱開關(guān)各結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)a=2.5 mm，b=25 mm，c=15 mm，d=50 mm，e=10 mm，f=10 mm分別計(jì)算各部分熱阻，所得結(jié)果如表1所示。

表1 熱開關(guān)各部分熱阻

通過對(duì)熱開關(guān)的熱模型分析，可以得出熱開關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)下的熱阻Ron=0.232 K/W，切斷狀態(tài)下熱阻Roff=293.2 K/W，開關(guān)的控制比達(dá)到了1 273，開關(guān)比能夠很好地反映熱開關(guān)的總體性能，是熱開關(guān)重要的特性參數(shù)，控制比越大表明熱開關(guān)能夠達(dá)到大的斷開熱阻以及小的閉合熱阻，其性能也就越好。為了進(jìn)一步驗(yàn)證熱開關(guān)的特性，設(shè)計(jì)一套試驗(yàn)方案來測(cè)試和檢驗(yàn)熱開關(guān)的性能，將得到的試驗(yàn)參數(shù)與理論數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析。

3 試驗(yàn)性能評(píng)估

3.1 試驗(yàn)原理及方法

微膨脹型熱開關(guān)主要由冷端、導(dǎo)熱環(huán)、支撐柱三部分組成，其中冷端和導(dǎo)熱環(huán)都采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的1 100鋁合金材料，支撐柱則采用線脹系數(shù)較低并且導(dǎo)熱系數(shù)較小的銦鋼。如圖4所示，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由加熱、數(shù)據(jù)采集、冷卻、隔熱四部分構(gòu)成。熱開關(guān)主要工作狀態(tài)分為以下兩個(gè)階段：保溫狀態(tài)下，熱開關(guān)底部導(dǎo)熱環(huán)受熱負(fù)載較小，開關(guān)處于切斷狀態(tài)；散熱狀態(tài)下，隨著加熱功率增大導(dǎo)熱環(huán)受到溫度發(fā)生線性膨脹，當(dāng)導(dǎo)熱環(huán)的線脹程度大于支撐柱時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通形成散熱通路，熱量通過散熱器和恒溫水箱所構(gòu)成的冷卻系統(tǒng)散失，當(dāng)導(dǎo)熱環(huán)溫度下降到一定溫度后，開關(guān)自動(dòng)斷開恢復(fù)到節(jié)能保溫狀態(tài)。

為了測(cè)定熱開關(guān)在不同負(fù)載條件下的工作狀態(tài)，通過改變聚酰亞胺加熱片兩端的電壓值來分別設(shè)定了0.4～30W之間的11個(gè)加熱功耗，檢測(cè)不同工況條件下熱開關(guān)的熱特性，分析其傳熱性能。為了減小試驗(yàn)過程中的熱量流失，熱開關(guān)表面包覆一層10mm厚的隔熱材料，試驗(yàn)結(jié)果表明熱損失為5%。整個(gè)試驗(yàn)過程中熱開關(guān)表面的溫度狀態(tài)主要通過粘貼在其表面的T型熱電偶測(cè)得，具體各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置狀態(tài)如圖4所示，熱電偶1～3測(cè)量冷端表面溫度，4～6測(cè)量冷端外壁溫度，7～9和10～12分別測(cè)定導(dǎo)熱環(huán)外壁表面溫度，13～15測(cè)量導(dǎo)熱環(huán)底面溫度。

圖4 試驗(yàn)平臺(tái)

3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)漏熱及效率分析

為了保證試驗(yàn)的有效性，以得到熱開關(guān)最佳的性能指標(biāo)，需要對(duì)試驗(yàn)過程中存在的漏熱以及加熱效率進(jìn)行分析計(jì)算。圖5反映了在實(shí)際功率條件下熱開關(guān)表面溫度隨負(fù)載增大的變化情況，其中ΔT為測(cè)點(diǎn)4與測(cè)點(diǎn)11的溫度差。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)過程中由于無法做到完全隔熱導(dǎo)致實(shí)際加熱功率小于理論的加熱負(fù)載，具體的效率曲線如圖6所示。其中小功率條件下熱量散失較少，負(fù)載為0.4W時(shí)其加熱效率可達(dá)98.90%；隨著溫度升高，加熱效率逐漸下降，當(dāng)加熱功率為30W時(shí)，整個(gè)加熱回路的效率為89.16%，實(shí)際的加熱功率為26.75W。

為了防止熱量流失，整個(gè)熱開關(guān)表面包覆導(dǎo)熱系數(shù)為0.06的隔熱材料，由于隔熱材料外表面接觸空氣，會(huì)產(chǎn)生一定的對(duì)流換熱，整個(gè)熱開關(guān)表面積A=0.013 m2，空氣散失的熱量

(7)

式中A為換熱面；h為對(duì)流換熱系數(shù)，空間自然對(duì)流情況下一般為2～10；ΔT為固體表面與空氣間的平均溫差，最大為20℃。通過計(jì)算可知通過對(duì)流散失熱量為Φ=2.6 W。實(shí)際加熱功率為27.4W，基本與試驗(yàn)測(cè)定的加熱功率26.75W相符。因此，熱損失對(duì)整個(gè)試驗(yàn)造成的影響較小。

圖5 熱開關(guān)表面測(cè)點(diǎn)4和11的溫度變化

圖6 不同熱負(fù)載下熱開關(guān)的加熱效率

3.3 熱特性結(jié)果分析

熱開關(guān)作為一種傳導(dǎo)式的主動(dòng)熱控制方法，當(dāng)設(shè)備的發(fā)熱量較大或者熱沉溫度變化較大時(shí)，相應(yīng)改變熱傳導(dǎo)的熱阻，從而將被控設(shè)備的溫度控制在要求的范圍之內(nèi)，其中閉合熱阻、斷開熱阻、開關(guān)比是整個(gè)熱開關(guān)的重要特性參數(shù)，是能夠評(píng)定其性能和可靠性的主要依據(jù)。熱開關(guān)在整個(gè)工作過程中隨著熱負(fù)載發(fā)熱量的增大，開關(guān)整體傳導(dǎo)通路熱阻減小，熱量由導(dǎo)熱環(huán)傳導(dǎo)到冷端，增加了熱排散量，使整個(gè)熱源的溫度升高得以控制。反之，在熱源的發(fā)熱量減小時(shí)切斷導(dǎo)熱通路，通路熱阻變大散熱量減小，從而使整個(gè)裝置進(jìn)入保溫狀態(tài)。

為了測(cè)定熱開關(guān)的特性，模擬熱開關(guān)實(shí)際工作環(huán)境，設(shè)定不同的加熱負(fù)載以得到熱開關(guān)導(dǎo)熱環(huán)底部各測(cè)點(diǎn)的平均溫度與熱開關(guān)整體熱阻的變化關(guān)系，具體如表2所示。與導(dǎo)熱環(huán)底部相連的加熱片加熱功率從0.4W逐漸增大到30W，熱開關(guān)整體熱阻值也隨著熱負(fù)載增大而逐漸減小，整個(gè)試驗(yàn)過程中，熱開關(guān)狀態(tài)完成了由切斷、切斷/導(dǎo)通、導(dǎo)通的轉(zhuǎn)化。當(dāng)熱負(fù)載為Q=0.4 W時(shí)，熱電偶測(cè)得導(dǎo)熱環(huán)底部溫度為8.323℃，熱開關(guān)整體熱阻達(dá)到R=230.46 K/W，此時(shí)熱開關(guān)由于溫度無法達(dá)到其閉合條件，所以整體處于切斷狀態(tài)。隨著熱通量增加到Q=10 W時(shí)，熱開關(guān)熱阻逐漸減小到R=1.866 4 K/W，導(dǎo)熱環(huán)隨著溫度的增加自身也發(fā)生線脹，此時(shí)熱開關(guān)導(dǎo)熱環(huán)端面與冷端端面接近貼合狀態(tài)，開關(guān)還未發(fā)生完全導(dǎo)通。當(dāng)作為模擬被控設(shè)備溫度的加熱片加熱功率達(dá)到Q=30 W時(shí)，熱開關(guān)隨著熱源功耗增大發(fā)生導(dǎo)通，導(dǎo)通熱阻為R=0.302 2 K/W。

表2 熱開關(guān)導(dǎo)熱環(huán)溫度及整體熱阻

為了進(jìn)一步完成熱開關(guān)的性能測(cè)試，完成并分析了各功率條件下熱開關(guān)表面溫度狀態(tài)，圖7給出了當(dāng)熱源負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，熱開關(guān)表面各測(cè)點(diǎn)溫度的變化情況，其中測(cè)點(diǎn)(熱電偶)1～15分別測(cè)定各時(shí)刻條件下熱開關(guān)冷端、導(dǎo)熱環(huán)表面溫度。隨著功率負(fù)載增大。1～6測(cè)溫點(diǎn)的溫度上升趨勢(shì)較為緩慢，主要是因?yàn)楹銣厮鄣臏囟仍O(shè)定為0.5℃，冷端熱量通過散熱器內(nèi)部循環(huán)水將多余熱量散失。7～15測(cè)點(diǎn)溫度隨著導(dǎo)熱環(huán)受熱負(fù)載增大也逐漸升高，其中測(cè)點(diǎn)1～6和7～15的溫度變化相對(duì)平穩(wěn)，而測(cè)點(diǎn)6和7之間的溫度是非連續(xù)平穩(wěn)的，是由于冷端與導(dǎo)熱環(huán)之間存在0.02mm的縫隙導(dǎo)致的溫度波動(dòng)不平穩(wěn)，主要用來分析熱開關(guān)的斷開和導(dǎo)通狀態(tài)，隨著功率增加，熱開關(guān)整體溫度上升，當(dāng)達(dá)到10W和15W時(shí)，熱開關(guān)有比較明顯的熱啟動(dòng)趨勢(shì)，當(dāng)功率達(dá)到20W和30W時(shí)，開關(guān)發(fā)生熱啟動(dòng)。

試驗(yàn)過程中，衡量熱開關(guān)特性的一個(gè)關(guān)鍵因素就是熱阻，熱阻能夠很好地反映熱開關(guān)的工作狀態(tài)，為了能夠更好地分析熱阻變化情況，在試驗(yàn)測(cè)定時(shí)主要是通過熱源負(fù)載，測(cè)定不同功率條件下導(dǎo)熱環(huán)與冷端的溫度波動(dòng)，當(dāng)熱開關(guān)功耗達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)記錄溫度值。利用R=ΔT/Q計(jì)算在不同功率下的熱阻變化情況，圖8所示的熱開關(guān)整體的熱阻變化情況，表明了熱開關(guān)隨著溫度的變化自身熱阻逐漸減小，在溫度達(dá)到40℃時(shí)熱阻值基本達(dá)到最小，開關(guān)達(dá)到了導(dǎo)通的狀態(tài)。

圖7 不同熱負(fù)載下熱開關(guān)的各測(cè)點(diǎn)溫度

圖8 熱開關(guān)在閉合/斷開狀態(tài)下的熱阻

熱開關(guān)的單次動(dòng)作過程如圖9所示，檢測(cè)過程中循環(huán)水與熱源負(fù)載同時(shí)加載，冷端溫度由于在循環(huán)水持續(xù)作用下溫度一直保持在5℃左右，其中導(dǎo)熱環(huán)熱端和中間段的溫度隨著加熱功率的增大平穩(wěn)上升，當(dāng)溫度達(dá)到熱開關(guān)的閉合溫度時(shí)，熱開關(guān)發(fā)生熱啟動(dòng)導(dǎo)通，此時(shí)的閉合溫度為40℃左右，導(dǎo)熱環(huán)上端面與冷端貼合發(fā)生導(dǎo)通，導(dǎo)致整個(gè)傳熱路徑的熱阻減小，熱端溫度和導(dǎo)熱環(huán)中間段溫度都會(huì)相應(yīng)的下降達(dá)到冷端溫度范圍，大約200min之后熱開關(guān)斷開，熱端與冷端的溫度都會(huì)相應(yīng)升高，由于在斷開狀態(tài)下的熱阻相對(duì)較大，熱端溫度相比冷端升高速率快。通過熱開關(guān)的單次循環(huán)可以看出當(dāng)熱開關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，熱端溫度下降速率比冷端要大，溫度下降較快；關(guān)斷狀態(tài)下，通路熱阻較大，冷端的溫度升高速率要低于熱端。

如圖10所示，針對(duì)熱開關(guān)的可靠性和一致性進(jìn)行了多次的循環(huán)試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)過程中熱開關(guān)性能并未發(fā)生退化，開關(guān)的閉合溫度依然能夠達(dá)到40℃左右，能夠良好地維持其熱啟動(dòng)特性。通過對(duì)所設(shè)計(jì)熱開關(guān)的理論分析與試驗(yàn)測(cè)試，得到了熱開關(guān)整體的特性參數(shù)，具體的性能參數(shù)如表 3所示，其中試驗(yàn)測(cè)定熱阻與設(shè)計(jì)熱阻存在一定誤差是因?yàn)楹雎粤溯椛鋼Q熱的影響以及無法做到完全隔熱。最后，理論與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明此裝置能夠較好地達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)需求。

圖9 熱開關(guān)單次循環(huán)過程

圖10 熱開關(guān)多次循環(huán)過程

表3 理論設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

Tab.3Resultscomparisonoftheoreticaldesignandexperiment

項(xiàng)目閉合溫度/℃斷開熱阻/(K·W-1)閉合熱阻/(K·W-1)開關(guān)比閉合時(shí)間/min設(shè)計(jì)性能37293.20.2321273-試驗(yàn)性能40230.460.3022762.6150要求性能20～60盡可能大≤1≥1000盡可能短

4 結(jié)束語

綜上所述，本文針對(duì)空間設(shè)備的散熱需求以及溫度控制問題，基于材料的線脹系數(shù)不同設(shè)計(jì)了一種單向膨脹型熱開關(guān)，它能夠根據(jù)需要自動(dòng)切斷和導(dǎo)通傳熱通路，可解決頻繁機(jī)動(dòng)或外部環(huán)境變化劇烈的航天器熱控設(shè)計(jì)難題，提高空間設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性，同時(shí)具備結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。模型分析與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，熱開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)閉合與斷開動(dòng)作，并且能夠達(dá)到預(yù)期的閉合溫度40℃，當(dāng)加熱負(fù)載為30W時(shí)熱開關(guān)的閉合熱阻為0.302 2 K/W，開關(guān)比為762.6，開關(guān)比越大表明性能更好。最后，一系列的循環(huán)試驗(yàn)表明，熱開關(guān)性能在多次試驗(yàn)條件下具有較高的一致性和穩(wěn)定性。

未來需要對(duì)熱開關(guān)技術(shù)進(jìn)行更進(jìn)一步的研究來提高它的性能，使其真正應(yīng)用到空間熱控制系統(tǒng)中。

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(編輯：高珍)

Characteristics Analysis of a One-way Micro Expansion Type Heat Switch for Space Application

MA Mingchao1,2GUO Liang1ZHANG Xusheng1WU Qingwen1

(1 Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and physics,Chinese Academy of Science, Changchun 130033)(2 Graduate University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049)

In order to improve the temperature control precision of the detector and otherspacecraft and reduce the temperature fluctuation accuracy, a one-way micro expansion type heat switch was designed based on thermal expansion and contraction of metal.The characterization parameter was get to analysis the two-dimensional steady-state thermal modeling.Then, an experimental setup was designed to simulate the actual working conditions of thermal switch,and switch operating status and related performance parameters were measured under different heat power. When the power is up to 0.4 W, disconnected resistance is 230.46 K/W.The power is up to 30 W, the closed thermal resistance of switch is 0.302 2 K/W,and switch ratio is 762.6. The results shown the experiment data are in good agreement with the theoretical calculations.

Thermal control; One-way micro-expansion;Heat switch; Characterization parameters;Temperature change;Spacecraft

中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)資助項(xiàng)目

2015-04-28。收修改稿日期：2015-07-24

10.3780/j.issn.1000-758X.2015.06.006

馬明朝 1991年生，2013年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)為中科院長(zhǎng)春光機(jī)所機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)碩士研究生。研究方向?yàn)榭臻g遙感器熱控制技術(shù)。