35 K深低溫制冷與熱傳輸集成系統(tǒng)研究

郭元東，周 強(qiáng)，劉欣彤，苗建印，張紅星，林貴平

（1.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院 人機(jī)與環(huán)境工程國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；3.中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所 空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

0 引言

紅外偵查與科學(xué)探測(cè)航天器的三大關(guān)鍵技術(shù)為：紅外探測(cè)技術(shù)、深低溫制冷技術(shù)和深低溫?zé)醾鬏敿夹g(shù)。紅外探測(cè)器是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)捕獲、跟蹤的核心部件，而深低溫制冷和熱傳輸技術(shù)是保證紅外探測(cè)器性能的關(guān)鍵技術(shù)。紅外成像原理決定了探測(cè)器的工作溫度越低，性能越好，可以獲得更高的信噪比、更高的比探測(cè)率、更長(zhǎng)的響應(yīng)波長(zhǎng)以及更短的響應(yīng)時(shí)間。因此，通過(guò)降低探測(cè)器工作溫度可大幅提升紅外探測(cè)器性能。

為了獲得所需的深低溫條件，常用輻射制冷、液氦蒸發(fā)制冷和機(jī)械制冷等。早期任務(wù)多采用輻射制冷或液氦蒸發(fā)制冷，主要因?yàn)樾l(wèi)星大多運(yùn)行在近地軌道，地球輻射的影響較大，外熱流變化較為劇烈，能夠更容易地獲得整體的深低溫環(huán)境。但該方案有明顯的不足，起飛質(zhì)量過(guò)大、工作壽命較短（一般為1～2年）、控溫精度較差以及低溫流體容易泄漏等。近年來(lái)，主動(dòng)制冷或主/被動(dòng)結(jié)合制冷的方案逐漸得到廣泛應(yīng)用，但是需要采用低溫?zé)醾鬏斚到y(tǒng)以實(shí)現(xiàn)冷源與探測(cè)器之間的高效傳熱。

現(xiàn)有的空間低溫?zé)醾鬏斉c熱收集技術(shù)主要包括[4-6]：低溫槽道熱管技術(shù)（Cryogenic Grooved Heat Pipe，CGHP）、低溫柔性熱管技術(shù)（Cryogenic Flexible Heat Pipe，CFHP）、低溫?zé)衢_(kāi)關(guān)技術(shù)（Cryogenic Thermal Switch，CTS）、柔性銅導(dǎo)索技術(shù)（Flexible Thermal Strap，F(xiàn)TS）、低溫脈動(dòng)熱管技術(shù)（Cryogenic Pulsating Heat Pipe，CPHP）以及深冷環(huán)路熱管技術(shù)（Cryogenic Loop Heat Pipe，CLHP）等。其中深冷環(huán)路熱管同時(shí)具備高效熱傳輸、柔韌熱連接以及熱二極管等特性，可有效解決紅外探測(cè)器等精密儀器與低溫制冷機(jī)的分離問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)紅外設(shè)備與低溫制冷系統(tǒng)的有效熱耦合。

深冷環(huán)路熱管的蒸發(fā)器和冷凝器分別與紅外探測(cè)器和深低溫制冷機(jī)連接，接口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，柔性管線可以克服原有機(jī)械連接的缺點(diǎn)。鑒于深冷環(huán)路熱管具有柔性和熱開(kāi)關(guān)的雙重特性，未來(lái)將逐漸替代低效的銅導(dǎo)索和低溫?zé)衢_(kāi)關(guān)。20世紀(jì)末，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)[4，7-8]在80 K液氮溫區(qū)和200 K乙烷溫區(qū)對(duì)CLHP進(jìn)行了飛行搭載驗(yàn)證。同時(shí)，NASA等機(jī)構(gòu)也在20 K液氫溫區(qū)[9-10]以及4 K液氦溫區(qū)[11-12]對(duì)CLHP進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)對(duì)于CLHP的研究?jī)H完成了80 K及以上溫區(qū)的實(shí)驗(yàn)研究和初步理論分析，對(duì)80 K溫區(qū)以下的CLHP還沒(méi)有開(kāi)展相關(guān)研究，熱傳輸機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究與國(guó)外還有較大差距。在工程應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展了80 K以下紅外探測(cè)器的相關(guān)應(yīng)用，但仍采用低溫制冷機(jī)傳統(tǒng)的連接方式對(duì)探測(cè)器進(jìn)行冷卻。

根據(jù)天基紅外探測(cè)系統(tǒng)的工作壽命和探測(cè)需求，深低溫紅外探測(cè)器需要長(zhǎng)時(shí)間在軌工作。為了確保紅外探測(cè)器的不間斷運(yùn)行，工程應(yīng)用中常常進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，即至少兩套熱控系統(tǒng)共同為一個(gè)對(duì)象散熱，互為備份，實(shí)現(xiàn)不同的工作模式[13-14]。結(jié)合團(tuán)隊(duì)在80 K氮工質(zhì)深冷環(huán)路熱管冗余設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)研制一種基于脈沖管制冷機(jī)和深冷環(huán)路熱管的集成系統(tǒng)，采用兩臺(tái)35 K脈沖管制冷機(jī)，分別作為兩套35 K氖工質(zhì)深冷環(huán)路熱管的熱沉，熱管蒸發(fā)器可以為同一個(gè)探測(cè)器耦合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的備份冗余設(shè)計(jì)。同時(shí)為了減小系統(tǒng)傳熱熱阻以及環(huán)境漏熱，設(shè)計(jì)一體式冷凝器和低溫冷屏，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

針對(duì)紅外探測(cè)器的散熱需求，一般設(shè)置兩套深低溫獲取和熱傳輸系統(tǒng)，如圖1所示，主要包括互為備份的“低溫制冷機(jī)+深冷環(huán)路熱管”，其中制冷機(jī)的熱端及壓縮機(jī)散熱通過(guò)槽道熱管傳輸至輻射器，深冷環(huán)路熱管的蒸發(fā)器通過(guò)機(jī)械連接或焊接的方式耦合，共同與紅外載荷連接，實(shí)現(xiàn)深低溫?zé)崃總鬏敗?/p>

圖1 基于深冷環(huán)路熱管的多制冷機(jī)冗余系統(tǒng)Fig.1 Redundancy system based on CLHPs and coolers

基于上述設(shè)計(jì)思路和前期研究基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)PTC和CLHP的多制冷機(jī)冗余系統(tǒng)，如圖2所示。從圖中可知，系統(tǒng)由三臺(tái)脈沖管制冷機(jī)和兩套深冷環(huán)路熱管組成。PTC 1#和CLHP 1#構(gòu)成第一套協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫系統(tǒng)，PTC 2#和CLHP 2#構(gòu)成另一套系統(tǒng)。兩個(gè)系統(tǒng)相互備份，可以獨(dú)立地冷卻同一個(gè)對(duì)象（主蒸發(fā)器鞍座）。CLHP采用傳統(tǒng)的輔助回路法實(shí)現(xiàn)超臨界啟動(dòng)，蒸發(fā)器為圓柱形，冷凝器采用螺旋盤管式冷凝器，選擇氖為工作介質(zhì)。PTC包含壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣室、熱端和冷指。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，CLHP的冷凝器采用機(jī)械連接和熱界面材料的方式，安裝在PTC的冷頭上，不可避免地產(chǎn)生一定的界面接觸熱阻。本文通過(guò)一體化成型設(shè)計(jì)，協(xié)同設(shè)計(jì)制冷機(jī)冷頭和CLHP冷凝器，在冷頭上留出螺旋槽道，將CLHP的冷凝器通過(guò)釬焊的方式與冷頭集成，減小了CLHP與PTC之間的界面熱阻。同時(shí)為了減小室溫環(huán)境對(duì)深低溫系統(tǒng)的漏熱影響，采用了低溫冷屏、儲(chǔ)氣室小管徑連接線、小直徑測(cè)溫加熱導(dǎo)線以及導(dǎo)線預(yù)冷等多重措施，以保證CLHP較大的傳熱能力。圓柱形冷屏覆蓋兩個(gè)冷指和除儲(chǔ)氣室外的所有CLHP部件，冷屏通過(guò)PTC 3#冷卻到100 K以下。三個(gè)壓縮機(jī)通過(guò)鋁制鞍座固定在安裝板上，鋁制鞍座的另一個(gè)作用是將壓縮機(jī)的廢熱輸送到安裝板，再由防凍液冷板散熱。PTC熱端的廢熱也可以通過(guò)防凍液冷板帶走。

圖2 協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫集成系統(tǒng)Fig.2 Co-designed cryogenic integrated system

Bugby等[14]提出了利用低溫二極管實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離熱傳輸?shù)娜哂嘣O(shè)計(jì)，但是受限于傳輸距離和系統(tǒng)剛性，熱開(kāi)關(guān)傳輸距離僅為71 mm，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。本系統(tǒng)的最大傳輸距離為510 mm，且深冷環(huán)路熱管的柔性傳輸管線能有效隔絕制冷機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)。相對(duì)于Bugby的方案，本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新點(diǎn)主要集中于兩方面：（1）進(jìn)行了PTC和CLHP的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)；（2）采取了較為嚴(yán)格的漏熱控制措施。由于整個(gè)系統(tǒng)在低溫下工作，因此系統(tǒng)設(shè)置了與PTC 3#相連的低溫冷屏，減小系統(tǒng)的輻射漏熱，冷屏溫度可以通過(guò)控制PTC的輸入功率來(lái)調(diào)節(jié)，其冷卻能力為9 W@75.1 K。采用內(nèi)徑1 mm的管線作為儲(chǔ)氣室的連接線，減小常溫儲(chǔ)氣室對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的導(dǎo)熱漏熱。采用0.18 mm的康銅絲作為系統(tǒng)中的溫度傳感器和加熱器的導(dǎo)線，同時(shí)將導(dǎo)線固定在冷屏上進(jìn)行預(yù)冷，減小導(dǎo)線的導(dǎo)熱漏熱。

寄生熱泄漏會(huì)顯著影響CLHP的超臨界啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)熱性能，因此應(yīng)盡可能減少熱泄漏。利用Thermal Desktop軟件建立了包括一個(gè)銅質(zhì)冷屏、兩個(gè)冷頭和兩組CLHP的系統(tǒng)仿真模型，對(duì)其熱效率進(jìn)行分析。采用有限差分法求解模型方程，考慮不同部件之間的熱輻射和金屬導(dǎo)線的熱傳導(dǎo)，可以計(jì)算穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的寄生漏熱。

圖3為在不同冷屏溫度下系統(tǒng)中由熱輻射和熱傳導(dǎo)引起的寄生熱泄漏。隨著冷屏溫度的升高，漏熱量急劇增加，主要是輻射漏熱的增加。輻射熱泄漏包括蒸氣管線（VL）、液體管線（LL）、蒸發(fā)器（EV）和冷頭的熱載荷。蒸發(fā)器和冷頭的漏熱量最大，占總數(shù)的59.75%。屏蔽溫度為300 K時(shí)的總漏熱約為0.385 W，超過(guò)PTC冷卻能力的10%。

圖3 不同冷屏溫度下系統(tǒng)的寄生漏熱變化Fig.3 Parasitic heat leakage variation of the system at different shield temperatures

系統(tǒng)的熱實(shí)驗(yàn)在真空室中進(jìn)行，壓力小于1×10-3Pa，對(duì)流產(chǎn)生的漏熱可以忽略不計(jì)。施加到蒸發(fā)器的熱載荷由直接連接到外表面的薄膜電阻加熱器提供。實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)CLHP的主蒸發(fā)器分開(kāi)，以便獨(dú)立驗(yàn)證和測(cè)試每個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)的熱性能。兩個(gè)主EV在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)相互備份以實(shí)現(xiàn)熱冗余，即PTC和CLHP的一個(gè)組合用于冷卻傳感器，另一個(gè)組合關(guān)閉。

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)與實(shí)驗(yàn)件

氖氣CLHP示意圖及測(cè)點(diǎn)分布如圖4所示。實(shí)驗(yàn)所用溫度計(jì)為中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所標(biāo)定的鉑電阻溫度計(jì)，精度±0.1 K。

圖4 CLHP實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.4 Distribution of experimental CLHP measurement points

CLHP基本參數(shù)如表1所列，與帶輔助回路的傳統(tǒng)CLHP相同，CLHP由主蒸發(fā)器（EV1）、次蒸發(fā)器（EV2）、主冷凝器、次冷凝器、主蒸氣管線、次蒸氣管線、主儲(chǔ)液器（CC1）、次儲(chǔ)液器（CC2）、主液體管線、次液體管線和儲(chǔ)氣室組成，冷凝器進(jìn)出口分別定為Con_i和Con_o。Qpe和Qse分別為施加到主蒸發(fā)器（EV1）和次蒸發(fā)器（EV2）的熱載荷。由于空間布局的限制，兩個(gè)低溫系統(tǒng)之間的唯一區(qū)別是傳輸管線的長(zhǎng)度。1#協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫系統(tǒng)的蒸氣管線比2#系統(tǒng)長(zhǎng)，導(dǎo)致相對(duì)較大的流動(dòng)阻力，從而降低系統(tǒng)的最大傳熱能力。

表1 CLHP實(shí)驗(yàn)件基本參數(shù)Tab.1 Parameters of experimental CLHP components

2 研究結(jié)果與討論

2.1 超臨界啟動(dòng)測(cè)試

每個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫系統(tǒng)由一個(gè)PCT和一個(gè)CLHP組成，它們通過(guò)共用一個(gè)多功能換熱器相連。主要運(yùn)行參數(shù)是不同熱載荷下CLHP的溫度。CLHP的工作流體是氖氣，常溫下處于超臨界狀態(tài)，導(dǎo)致CLHP正常運(yùn)行需要經(jīng)歷超臨界啟動(dòng)過(guò)程。圖5～8為兩套協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫系統(tǒng)的熱性能，包括超臨界啟動(dòng)測(cè)試和最大傳熱能力測(cè)試。在長(zhǎng)期運(yùn)行條件下，冷屏溫度可穩(wěn)定在58～65 K。圖中Sink表示熱沉溫度。

圖5和圖6是1#和2#協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫系統(tǒng)的超臨界啟動(dòng)過(guò)程，兩套系統(tǒng)均能完成從300 K到35 K的超臨界啟動(dòng)過(guò)程。其工作原理在參考文獻(xiàn)[15]有詳細(xì)討論和研究。本文僅說(shuō)明兩套系統(tǒng)工作過(guò)程之間的差異。

實(shí)驗(yàn)前確保真空室壓力小于1×10-3Pa，設(shè)置水冷板溫度為273 K，整套系統(tǒng)水平倒立安裝于真空室內(nèi)，保證制冷機(jī)具有較高的制冷效率。兩套系統(tǒng)的充裝壓力分別為2.30 MPa和2.15 MPa。三臺(tái)PTC同時(shí)開(kāi)啟時(shí)主蒸發(fā)器溫度會(huì)緩慢降溫，這主要是因?yàn)镻TC 3#不斷使冷屏降溫，從而導(dǎo)致主蒸發(fā)器在輻射換熱的作用下緩慢降溫。當(dāng)次蒸發(fā)器降溫至兩相溫區(qū)并維持穩(wěn)定后，由于存在一定的傳輸距離，CLHP體現(xiàn)出良好的阻斷特性，主蒸發(fā)器溫度仍然較高。隨后對(duì)次蒸發(fā)器施加輔助載荷以加速主蒸發(fā)器降溫過(guò)程，但是當(dāng)輔助載荷為0.4 W時(shí)，主蒸發(fā)器降溫速率不變，繼續(xù)增大輔助載荷為0.5 W和0.6 W，主蒸發(fā)器溫度快速降低并完成了超臨界啟動(dòng)過(guò)程。從圖5、圖6可以看出，兩套系統(tǒng)降溫速率幾乎一致，最小啟動(dòng)載荷均為0.5 W。

圖5 1#協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫系統(tǒng)超臨界啟動(dòng)過(guò)程Fig.5 Supercritical start-up process of 1#co-designed cryogenic system

圖6 2#協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫系統(tǒng)超臨界啟動(dòng)過(guò)程Fig.6 Supercritical start-up process of 2#co-designedcryogenic system

2.2 穩(wěn)態(tài)傳熱性能測(cè)試

2.2.1 最大傳熱能力

圖7和圖8為兩套協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的性能測(cè)試曲線。如圖7所示，在1#系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，主蒸發(fā)器熱載荷從0 W增加到2.0 W，同時(shí)相應(yīng)地減小次蒸發(fā)器輔助載荷。隨著熱載荷的增加，主蒸發(fā)器工作溫度在臨界溫度以下逐漸升高，冷凝器和冷頭溫度也隨之升高，說(shuō)明冷凝器不斷打開(kāi)。系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行在主/次蒸發(fā)器熱載荷1.9 W/0.2 W工況，蒸發(fā)器殼體溫度約為43 K；當(dāng)熱載荷增加到2.0 W/0.1 W時(shí)，蒸發(fā)器殼體溫度急劇上升，冷凝器溫度降低，表明系統(tǒng)運(yùn)行失效，此時(shí)1#系統(tǒng)達(dá)到的最大傳熱能力約為1.9 W/0.2 W。

圖7 1#協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫系統(tǒng)的傳熱能力Fig.7 Heat transfer capacity of 1#co-designed cryogenic system

如圖8所示，在相同的環(huán)境工況下，2#協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫系統(tǒng)在輔助熱載荷0 W的情況下可以獲得2.05 W的最大傳熱能力。通過(guò)分析兩套系統(tǒng)的傳熱溫差，可以計(jì)算得到系統(tǒng)有效導(dǎo)熱系數(shù)，分別為13 881 W/（m·K）和8 390 W/（m·K）。不過(guò)值得注意的是，在兩套系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，主蒸發(fā)器與冷頭之間的傳熱溫差仍然較大，分別為7.43 K和9.34 K，這是深冷環(huán)路熱管后續(xù)研究中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

圖8 2#協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫系統(tǒng)的傳熱能力Fig.8 Heat transfer capacity of 2#co-designed cryogenic system

2.2.2 長(zhǎng)期運(yùn)行溫度穩(wěn)定度

圖9和圖10為兩套系統(tǒng)在主蒸發(fā)器熱載荷恒定為1.3 W時(shí)的溫度曲線，系統(tǒng)可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行1 000 min以上，通過(guò)分析系統(tǒng)的傳熱溫差以及蒸發(fā)器溫度波動(dòng)幅度，可以獲得系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行特性，圖中CC2表示次儲(chǔ)液器溫度。圖9為1#協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫系統(tǒng)的工作曲線，可以看出冷凝器入口的溫度較高，約為70 K，CLHP其他部件溫度均在30～40 K之間，系統(tǒng)主蒸發(fā)器和冷頭之間的平均工作溫差約為4.65 K，系統(tǒng)熱阻為3.577 K/W。在穩(wěn)定運(yùn)行的15 min內(nèi)，1#系統(tǒng)運(yùn)行溫度穩(wěn)定度為0.035 K/min。從圖10可以看出，2#協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行800 min以上，與圖9不同的是，2#系統(tǒng)的冷凝器入口溫度較低，僅為38 K左右。可能原因有兩個(gè)：1#系統(tǒng)氣體管線的流動(dòng)阻力相對(duì)較大，工質(zhì)升溫較高；測(cè)點(diǎn)位置離冷凝器較遠(yuǎn)，受環(huán)境影響相對(duì)較大；2#系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行平均溫差為8.10 K，系統(tǒng)等效熱阻為6.23 K/W，處于較高的水平，這也是后續(xù)研究中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)分析穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)，2#協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行的15 min內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行溫度穩(wěn)定度為0.038 K/min。

圖9 1#協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行曲線Fig.9 1#co-designed cryogenic system under long operation

圖10 2#協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行曲線Fig.10 2#co-designed cryogenic system under long operation

3 結(jié)論

本文針對(duì)35 K深低溫制冷與熱傳輸系統(tǒng)開(kāi)展了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)2臺(tái)35 K PTC和2套CLHP分別組成低溫獲取和傳輸系統(tǒng)，并彼此形成冗余備份設(shè)計(jì)，其中脈沖管制冷機(jī)與深冷環(huán)路熱管系統(tǒng)設(shè)計(jì)形成集成系統(tǒng)，同時(shí)采取了有效的隔熱措施。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，協(xié)同設(shè)計(jì)深低溫系統(tǒng)可以在水平姿態(tài)下順利實(shí)現(xiàn)超臨界啟動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)1.9 W和2.05 W的最大傳熱能力。在后續(xù)研究中需要重點(diǎn)減小系統(tǒng)溫差，以推動(dòng)深低溫制冷與熱傳輸系統(tǒng)的工程應(yīng)用。