關(guān)于一種高純鋁冷鏈傳熱性能的試驗研究

田大成 練敏隆 葉 翔 孫立達 劉欣彤 王莉娟 王乃亮 趙密廣

(1 北京空間機電研究所 北京 100094)

(2 上海衛(wèi)星工程研究所 上海 201109)

(3 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所,中國科學(xué)院空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點實驗室 北京 100091)

1 引 言

制冷機作為航天遙感領(lǐng)域的關(guān)鍵部件,廣泛應(yīng)用于紅外焦面、低溫鏡筒,為其提供持久穩(wěn)定的冷量傳輸[1]。對于某些結(jié)構(gòu)緊湊的遙感相機,制冷機的位置有時會遠離被冷卻部件。此時通常采用冷鏈的方式將制冷機的冷量傳遞給待冷卻組件。柔性冷鏈能夠更加靈活地分配冷量、隔絕振動,釋放耦合應(yīng)力[2-3]。同時,由于制冷機中存在運動部件,因此工作過程中不可避免地會產(chǎn)生振動[4]。該振源是衛(wèi)星在軌狀態(tài)下影響光學(xué)遙感器成像品質(zhì)的重要振動源之一[5],會引起相機光學(xué)元件產(chǎn)生剛體位移和面形變化[6],而柔性冷鏈可很好得降低微振動對紅外探測器的影響。常見的冷鏈材料包括銅、鋁、石墨等,不同溫度下最佳柔性冷鏈材料是不同的,比如80 K 溫區(qū)無氧銅的熱導(dǎo)率最大,其次是石墨材料,鋁的熱導(dǎo)率最低[7]。同時考慮冷鏈本身的重量,以熱導(dǎo)率比密度值作為衡量標(biāo)準(zhǔn),熱導(dǎo)率比密度值石墨最大,鋁其次,銅最差。在40 K 以下溫區(qū),通常采用無氧銅或者高純銅作為柔性冷鏈材料,但對于一些相機遠離制冷機的應(yīng)用場合,銅冷鏈長度長,其重量大,對于力學(xué)強度產(chǎn)生很大影響,因此本研究探索用鋁做冷鏈材料鋁重量僅為銅的1/3,在40 K 以下溫區(qū)具有廣闊應(yīng)用前景。

2 冷鏈設(shè)計

某相機探測器距離制冷機冷頭布置較遠,探測器工作在40 K,采用深低溫脈沖管制冷機作為冷源,如圖1 所示,冷鏈需要L 型布置,總長度在310 mm,如果采用常規(guī)銅材料制作冷鏈總重量超過1.5 kg,這對冷指力學(xué)強度不利,本研究采用鋁材料制作冷鏈重量僅為500 g,大大減輕冷指負擔(dān)。

AS(Absolut System)公司對不同純度的鋁材料熱導(dǎo)率進行了測量,鋁純度越高,其熱導(dǎo)率越大[8],鋁冷鏈采用5 N 鋁(純度99.999%)作為冷鏈材料,該材料在40 K 熱導(dǎo)率超過1 000 W/(m·K),按照此熱導(dǎo)率對冷鏈的傳熱性能進行模擬,如圖2 所示,在冷鏈末端1 W 負載時,兩端溫差0.47 K。為了驗證實際鋁冷鏈產(chǎn)品的性能,采用多片0.05 mm 厚的鋁皮進行疊加,鋁皮如圖3 所示,兩側(cè)端頭通過真空擴散焊方式進行焊接,該焊接是在一定溫度和壓力下,使接觸面之間的原子相互擴散形成聯(lián)結(jié)的焊接方法,該焊接方式可以有效降低片層之間的溫差,增加強度,焊接后冷鏈如圖4 所示。

圖2 冷鏈數(shù)值模擬(1 W 負載)Fig.2 Numerical simulation of cold chain (1 W load)

圖3 制做鋁冷鏈的材料Fig.3 Material used to make aluminum cold chain

圖4 真空擴散焊的冷鏈Fig.4 Vacuum diffusion welded cold chain

3 高純鋁冷鏈傳熱性能測試

為了測試高純5 N 鋁冷鏈的傳熱性能,搭建了測試系統(tǒng),如圖5 所示,由脈沖管制冷機提供冷源,該制冷機是中國科學(xué)院理化所脈沖管中心研制,其40 K 溫區(qū)可以獲得3 W 以上制冷量[9],將高純鋁冷鏈與冷指冷頭連接,將溫度計布置在冷鏈兩端,溫度計測量精度0.1 K,同時在冷鏈末端粘貼模擬負載。

圖5 鋁冷鏈傳熱性能測試系統(tǒng)Fig.5 Test System for heat transfer performance of aluminum cold chain

熱導(dǎo)率和溫差關(guān)系表示成一維穩(wěn)態(tài)熱導(dǎo)率公式,即測試?yán)滏渻啥藴夭詈湍M負載后既可以計算得到熱導(dǎo)率。

式中:K為熱導(dǎo)率,W/(m·K);A為冷鏈橫截面積,m2;L為冷鏈長度,m;ΔQ為加熱量,W;ΔT為冷鏈兩端溫差,K。

測試結(jié)果如圖6 所示,高純5 N 鋁冷鏈在40K 溫區(qū)熱導(dǎo)率可以達到950 W/(m·K),接近鋁材料本身熱導(dǎo)率,達到使用效果。

圖6 鋁冷鏈熱導(dǎo)率測試Fig.6 Thermal conductivity test for aluminum cold chain

4 振動驗證

為了驗證鋁冷鏈的力學(xué)強度,本研究做了12.8 g隨機力學(xué)和6 g 正弦量級試驗驗證,振動現(xiàn)場圖如圖7所示,冷鏈一端與制冷機冷指連接,另一端采用支撐固定,振動曲線如圖8 和圖9 所示,CH1 傳感器安裝到振動底板上,為振動量級輸入位置,CH2 傳感器安裝在冷指工裝安處,CH3 傳感器安裝在冷頭與冷鏈耦合處。從振動響應(yīng)看,在100 Hz 以內(nèi)無放大,冷鏈處最大響應(yīng)19.7 g,冷鏈在振動后檢查外觀無任何破損,傳熱性能復(fù)測后與振動前一致,滿足力學(xué)強度要求。

圖7 振動試驗安裝圖Fig.7 Installation diagram of vibration test

圖8 隨機振動試驗結(jié)果Fig.8 Results of random vibration test

圖9 正弦振動試驗結(jié)果Fig.9 Results of sinusoidal vibration test

5 結(jié) 論

本研究設(shè)計了高純5 N 鋁材料冷鏈,采用真空擴散焊接將鋁皮層間焊接,減小層間漏熱,對該冷鏈傳熱性能進行測試,在40 K 溫區(qū)熱導(dǎo)率達到950 W/m·K,具有良好導(dǎo)熱特性,重量僅為銅材料的1/3,冷鏈通過12.8 g 隨機振動和6 g 正弦振動試驗,力學(xué)強度高,適用于40 K 溫區(qū)探測器遠離制冷機的應(yīng)用場合。