空間微膨脹型熱開(kāi)關(guān)傳熱性能試驗(yàn)

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)

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)外航天技術(shù)的不斷發(fā)展，深空探測(cè)和航天器控制領(lǐng)域也得到了較快的進(jìn)步，現(xiàn)階段針對(duì)空間設(shè)備的熱控方式也逐漸不滿于當(dāng)前的需求，為了解決這一問(wèn)題，熱開(kāi)關(guān)概念［1-5］被引入到深空探測(cè)器、空間制冷機(jī)等航天器熱控制領(lǐng)域中，其概念如圖1a所示，相較與其它類型的散熱裝置［6］(LHP平板型環(huán)路熱管、輻射制冷)，具有低功耗、高散熱能力、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也可以作為連接制冷機(jī)的關(guān)鍵部件來(lái)減少非運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備上的寄生熱載，提高制冷機(jī)的效率。

熱開(kāi)關(guān)作為一種能夠根據(jù)需求控制部件之間熱連接關(guān)系的熱控裝置，通過(guò)改變導(dǎo)熱通路熱阻實(shí)現(xiàn)熱量控制以達(dá)到制冷散熱的目的。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(kāi)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［7-8］。美國(guó)JPL及衛(wèi)星系統(tǒng)研究公司基于相變材料設(shè)計(jì)的相變式熱開(kāi)關(guān)［9］，如圖1b所示，保證了探測(cè)器內(nèi)部蓄電池溫度范圍在-20—30℃之間，經(jīng)受住了月球表面晝夜溫差超過(guò)100℃的惡劣環(huán)境;美國(guó)Swales航天中心利用不同材料在不同溫度下的熱膨脹系數(shù)不同研制的一種用于低溫制冷系統(tǒng)的單向微膨脹型熱開(kāi)關(guān)［10］，可在低溫35 K條件閉合并且閉合熱阻達(dá)到了1.2 K/W，斷開(kāi)熱阻可達(dá)1 400 K/W，操作溫度范圍覆蓋4—300 K;中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制的一種用于斯特林制冷機(jī)的多機(jī)并聯(lián)的雙驅(qū)動(dòng)型低溫記憶合金熱開(kāi)關(guān)［11］，導(dǎo)通熱阻為0.97 K/W，斷開(kāi)熱阻為2 456.9 K/W，開(kāi)關(guān)比可達(dá)到2 533。

圖1 熱開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structure diagram of thermal switch

本文針對(duì)空間手眼相機(jī)特定工作環(huán)境下的散熱需求［12］，基于金屬材料的傳熱特性設(shè)計(jì)了一種微膨脹型熱開(kāi)關(guān)，針對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱性能分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M熱開(kāi)關(guān)的工作環(huán)境，測(cè)定不同熱負(fù)載條件下它的工作狀態(tài)，分析熱開(kāi)關(guān)的閉合溫度以及散熱效率，從而針對(duì)大功率空間設(shè)備制冷散熱的研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，主要由冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、隔熱防壓系統(tǒng)4部分系統(tǒng)構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在真空狀態(tài)下完成，以避免對(duì)流換熱所帶來(lái)的影響。其中恒溫水箱與循環(huán)式散熱器構(gòu)成整個(gè)冷卻系統(tǒng)，作為熱沉帶走熱開(kāi)關(guān)在閉合狀態(tài)下冷端的多余熱負(fù)載;聚酰亞胺加熱片作為加熱系統(tǒng)提供不同的功率負(fù)載來(lái)檢測(cè)熱開(kāi)關(guān)的閉合性能;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由安捷倫溫度巡檢儀與固定在熱開(kāi)關(guān)表面的T型熱電偶組成，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置如圖2所示，T1—T3測(cè)量冷端表面溫度，T4—T6測(cè)量冷端外壁溫度，T7—T9和T10—T12分別測(cè)定導(dǎo)熱環(huán)外壁表面溫度，T13—T15測(cè)量導(dǎo)熱環(huán)底面溫度。如圖3所示，按照?qǐng)D2中熱電偶的位置，首先對(duì)熱電偶進(jìn)行溫度標(biāo)定之后布置，通過(guò)安捷倫溫度巡檢儀獲取溫度數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中，由導(dǎo)熱環(huán)底部安裝的加熱片來(lái)提供熱負(fù)載，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓改變輸入功率，模擬熱開(kāi)關(guān)在工作狀態(tài)下所受的功耗條件，設(shè)定功率依次為 0.4、0.9、1.5、2、4、6.6、7.5、10、15、20、30 W，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中熱開(kāi)關(guān)外層用10 mm厚的隔熱材料包裹以防止熱量損失。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保證設(shè)備的密封性能，使得整個(gè)過(guò)程在真空條件下進(jìn)行。其中低溫恒溫槽可冷卻溫度范圍為255—300 K，冷卻過(guò)程中保證熱開(kāi)關(guān)冷端與散熱器底面的良好接觸達(dá)到良好的散熱效果。熱開(kāi)關(guān)底部采用隔熱安裝在鋁塊支撐臺(tái)上，避免相互接觸產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)換熱，并且外部采用防輻射屏來(lái)降低輻射換熱所帶來(lái)的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experiment system

圖3 熱開(kāi)關(guān)表面熱電偶分布Fig.3 Arrangement of thermocouples on thermal switch surface

熱啟動(dòng)與冷斷開(kāi)是反應(yīng)熱開(kāi)關(guān)良好性能的關(guān)鍵特性，能夠評(píng)定其可靠性和穩(wěn)定性。熱開(kāi)關(guān)工作過(guò)程可分為預(yù)受熱階段、閉合階段、斷開(kāi)階段，其中預(yù)受熱階段，由于導(dǎo)熱環(huán)自身受到熱負(fù)載影響產(chǎn)生線性膨脹，當(dāng)負(fù)載達(dá)到一定程度時(shí)，導(dǎo)熱環(huán)與冷端部分貼合進(jìn)入啟動(dòng)閉合階段，在此過(guò)程中熱開(kāi)關(guān)整體熱阻減小，負(fù)載與熱沉之間形成熱通路，達(dá)到散熱的目的。隨著導(dǎo)熱通路的形成，熱開(kāi)關(guān)整體溫度梯度降低，達(dá)到某一溫度時(shí)刻斷開(kāi)進(jìn)入斷開(kāi)階段，切斷負(fù)載與熱沉導(dǎo)熱通路，整個(gè)裝置進(jìn)入保溫工作狀態(tài)。

表1反應(yīng)了在不同功率條件下熱開(kāi)關(guān)表面平均溫度與熱阻的變化關(guān)系，從表中可以看出隨著熱端加熱功率的不斷增大，熱開(kāi)關(guān)的整體熱阻也隨之變化，從0.4—30 W的加熱功率之間，經(jīng)歷了從斷開(kāi)、斷開(kāi)/閉合、閉合3個(gè)狀態(tài)的過(guò)程。其中在加熱功率為0.4 W時(shí)，熱開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，實(shí)際測(cè)得的斷開(kāi)熱阻值為230.46 K/W，這與理論設(shè)計(jì)的斷開(kāi)熱阻293 K/W存在一定的誤差，造成這種情況的主要原因就在于熱開(kāi)關(guān)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于隔熱材料無(wú)法做到完全隔熱導(dǎo)致有一部分的熱量流失，造成實(shí)際在測(cè)定過(guò)程中的誤差。

表1 熱開(kāi)關(guān)熱端溫度及熱阻Table 1 Temperatures and thermal conductance of thermal switch

為了進(jìn)一步了解熱開(kāi)關(guān)的性能，通過(guò)測(cè)定不同熱負(fù)載條件下各個(gè)表面的溫度狀態(tài)來(lái)分析其傳熱特性，如圖4所示，在不同的熱負(fù)載下熱開(kāi)關(guān)表面測(cè)點(diǎn)T1—T15的溫度曲線。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了能夠讓冷端在熱開(kāi)關(guān)發(fā)生熱啟動(dòng)閉合時(shí)帶走導(dǎo)熱環(huán)底部熱量，設(shè)定與冷端相接觸散熱器的溫度為0.5℃，隨著功率增大，熱開(kāi)關(guān)表面溫度也逐漸升高，其中冷端部分的測(cè)溫點(diǎn)T1—T6溫度上升較熱端導(dǎo)熱環(huán)部分較為緩慢T7—T15，而且T6和T7之間曲線非連續(xù)平穩(wěn)的，這是因?yàn)樗鼈冎g有一定的輻射換熱影響存在，當(dāng)熱負(fù)載為20 W時(shí)，冷端與導(dǎo)熱環(huán)之間發(fā)生熱啟動(dòng)閉合時(shí)，T6和T7之間的溫度變化更加明顯。所以可以分出結(jié)論是隨著功率增加，熱開(kāi)關(guān)整體溫度上升，當(dāng)達(dá)到10 W和15 W時(shí)，熱開(kāi)關(guān)有比較明顯的熱啟動(dòng)趨勢(shì)，當(dāng)功率達(dá)到20 W和30 W時(shí)，開(kāi)關(guān)發(fā)生熱啟動(dòng)。

圖4 不同熱負(fù)載下熱開(kāi)關(guān)的各測(cè)點(diǎn)溫度Fig.4 Temperatures of thermocouples at different heat load

熱開(kāi)關(guān)的性能通過(guò)多次的加熱與冷卻過(guò)程來(lái)進(jìn)行分析檢測(cè)，圖5表示了熱開(kāi)關(guān)的單個(gè)循環(huán)過(guò)程，通過(guò)對(duì)熱端提供持續(xù)的熱負(fù)載觀察冷端的閉合溫度。加熱片的功率加大直到熱開(kāi)關(guān)在大約40℃時(shí)閉合，由于熱開(kāi)關(guān)發(fā)生熱啟動(dòng)整體閉合，熱端溫度會(huì)迅速下降達(dá)到冷端的溫度范圍，大約200 min之后熱開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，熱端與冷端的溫度都會(huì)有相應(yīng)的升高，由于在斷開(kāi)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(guò)熱開(kāi)關(guān)的單次循環(huán)可以看出當(dāng)熱開(kāi)關(guān)在閉合狀態(tài)時(shí)，熱端溫度下降速率比冷端要大，溫度下降較快;斷開(kāi)狀態(tài)下，由于斷開(kāi)熱阻的關(guān)系，冷端的溫度升高速率要低于熱端。

衡量熱開(kāi)關(guān)的性能的一個(gè)關(guān)鍵因素就是熱阻，熱阻能夠很好的反映熱開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)，為了能夠更好的掌握熱阻變化情況，在實(shí)驗(yàn)測(cè)定的時(shí)主要是通過(guò)設(shè)定加熱端不同的加熱功率，測(cè)定不同功率條件下熱開(kāi)關(guān)熱端與冷端的溫度，當(dāng)熱開(kāi)關(guān)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，如圖6所示具體通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M所測(cè)得的熱阻變化情況，說(shuō)明了熱開(kāi)關(guān)隨著溫度的變化自身熱阻逐漸的減小，在溫度達(dá)到40℃時(shí)熱阻值基本達(dá)到最小，也說(shuō)明了開(kāi)關(guān)達(dá)到了閉合的狀態(tài)。

圖5 熱開(kāi)關(guān)單次循環(huán)過(guò)程Fig.5 One cycle of heat switch in actuation

圖6 熱開(kāi)關(guān)在閉合/斷開(kāi)狀態(tài)下的熱阻Fig.6 Thermal resistance of heat switch at on-and off-state

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨著加熱端的溫度升高，相應(yīng)的熱開(kāi)關(guān)的整體溫度都會(huì)有不同幅度的提升，當(dāng)加熱功率達(dá)到一定程度時(shí)，由于導(dǎo)熱環(huán)膨脹伸縮導(dǎo)致熱開(kāi)關(guān)在經(jīng)歷了大約150 min的時(shí)候發(fā)生閉合，閉合的溫度可以達(dá)到40℃左右，這與理論設(shè)計(jì)的閉合溫度相差很小，很好的貼合了理論設(shè)計(jì)的閉合溫度值，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以看出熱開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)間較長(zhǎng)，造成這一結(jié)果的因素是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所做的隔熱措施并未完全隔熱而導(dǎo)致加熱片所加功耗流失，加熱功耗與實(shí)際加熱功耗存在一定的偏差，使得熱開(kāi)關(guān)在發(fā)生閉合動(dòng)作時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)，而且熱開(kāi)關(guān)在整個(gè)閉合、斷開(kāi)溫度循環(huán)過(guò)程中熱阻也相應(yīng)發(fā)生了一定程度的改變，實(shí)驗(yàn)數(shù)值與理論值相比相差較小。如圖7所示，針對(duì)熱開(kāi)關(guān)的可靠性進(jìn)行了多次的循環(huán)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熱開(kāi)關(guān)性能并未發(fā)生退化，相應(yīng)的閉合溫度依然能夠達(dá)到40℃左右，良好的維持了其熱啟動(dòng)特性。

圖7 熱開(kāi)關(guān)多次循環(huán)過(guò)程Fig.7 Several cycle of heat switch in actuation conductance

4 結(jié)論

綜上所述，本文針對(duì)空間環(huán)境下的設(shè)備散熱問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于熱脹冷縮原理的微膨脹型熱開(kāi)關(guān)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了熱開(kāi)關(guān)的熱啟動(dòng)閉合、關(guān)斷性能，主要結(jié)論如下:

(1)熱開(kāi)關(guān)能夠達(dá)到預(yù)期的閉合溫度，閉合溫度為40℃左右，同時(shí)具備較小的閉合熱阻，閉合熱阻可達(dá)到0.302 2 K/W，整體開(kāi)關(guān)比達(dá)到762.6。

(2)通過(guò)多次循環(huán)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中熱開(kāi)關(guān)性能未發(fā)生顯著的退化，表明其具有較高的可靠性與穩(wěn)定性。

(3)熱開(kāi)關(guān)作為一種新型、高效的熱控方式，在以后飛行器設(shè)備中有良好的應(yīng)用前景，但就目前來(lái)說(shuō)，仍然處于原理樣機(jī)的研究階段并未有在軌運(yùn)行的實(shí)例，為了實(shí)現(xiàn)熱開(kāi)關(guān)的實(shí)用化還需進(jìn)一步的研究提高它的性能和工作可靠性，使其真正應(yīng)用到空間熱控系統(tǒng)中。

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