馬明朝 郭 亮 張旭升 吳清文

(1中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 長春 130033)

(2中國科學院大學 北京 100049)

1 引言

隨著國內外航天技術的不斷發(fā)展，深空探測和航天器控制領域也得到了較快的進步，現(xiàn)階段針對空間設備的熱控方式也逐漸不滿于當前的需求，為了解決這一問題，熱開關概念［1-5］被引入到深空探測器、空間制冷機等航天器熱控制領域中，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、質量輕等優(yōu)點，同時也可以作為連接制冷機的關鍵部件來減少非運轉設備上的寄生熱載，提高制冷機的效率。

熱開關作為一種能夠根據(jù)需求控制部件之間熱連接關系的熱控裝置，通過改變導熱通路熱阻實現(xiàn)熱量控制以達到制冷散熱的目的。早在20世紀60年代，國內外很多研究機構(如美國、歐洲航天局)就已經(jīng)開始了對這種主動熱控方法的研究并且已經(jīng)成功應用到航天器設備當中［7-8］。美國JPL及衛(wèi)星系統(tǒng)研究公司基于相變材料設計的相變式熱開關［9］，如圖1b所示，保證了探測器內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100℃的惡劣環(huán)境;美國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關［10］，可在低溫35 K條件閉合并且閉合熱阻達到了1.2 K/W，斷開熱阻可達1 400 K/W，操作溫度范圍覆蓋4—300 K;中國科學院上海技術物理研究所研制的一種用于斯特林制冷機的多機并聯(lián)的雙驅動型低溫記憶合金熱開關［11］，導通熱阻為0.97 K/W，斷開熱阻為2 456.9 K/W，開關比可達到2 533。

圖1 熱開關結構原理圖Fig.1 Structure diagram of thermal switch

本文針對空間手眼相機特定工作環(huán)境下的散熱需求［12］，基于金屬材料的傳熱特性設計了一種微膨脹型熱開關，針對其結構進行傳熱性能分析，通過實驗模擬熱開關的工作環(huán)境，測定不同熱負載條件下它的工作狀態(tài)，分析熱開關的閉合溫度以及散熱效率，從而針對大功率空間設備制冷散熱的研究提供一定的理論基礎。

2 實驗系統(tǒng)及方法

實驗平臺如圖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)構成，整個系統(tǒng)實驗在真空狀態(tài)下完成，以避免對流換熱所帶來的影響。其中恒溫水箱與循環(huán)式散熱器構成整個冷卻系統(tǒng)，作為熱沉帶走熱開關在閉合狀態(tài)下冷端的多余熱負載;聚酰亞胺加熱片作為加熱系統(tǒng)提供不同的功率負載來檢測熱開關的閉合性能;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由安捷倫溫度巡檢儀與固定在熱開關表面的T型熱電偶組成，各個測點的位置如圖2所示，T1—T3測量冷端表面溫度，T4—T6測量冷端外壁溫度，T7—T9和T10—T12分別測定導熱環(huán)外壁表面溫度，T13—T15測量導熱環(huán)底面溫度。如圖3所示，按照圖2中熱電偶的位置，首先對熱電偶進行溫度標定之后布置，通過安捷倫溫度巡檢儀獲取溫度數(shù)據(jù)。試驗過程中，由導熱環(huán)底部安裝的加熱片來提供熱負載，通過調節(jié)電壓改變輸入功率，模擬熱開關在工作狀態(tài)下所受的功耗條件，設定功率依次為 0.4、0.9、1.5、2、4、6.6、7.5、10、15、20、30 W，實驗過程中熱開關外層用10 mm厚的隔熱材料包裹以防止熱量損失。

實驗過程中保證設備的密封性能，使得整個過程在真空條件下進行。其中低溫恒溫槽可冷卻溫度范圍為255—300 K，冷卻過程中保證熱開關冷端與散熱器底面的良好接觸達到良好的散熱效果。熱開關底部采用隔熱安裝在鋁塊支撐臺上，避免相互接觸產(chǎn)生的熱傳導換熱，并且外部采用防輻射屏來降低輻射換熱所帶來的影響。

3 實驗結果及分析

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experiment system

圖3 熱開關表面熱電偶分布Fig.3 Arrangement of thermocouples on thermal switch surface

熱啟動與冷斷開是反應熱開關良好性能的關鍵特性，能夠評定其可靠性和穩(wěn)定性。熱開關工作過程可分為預受熱階段、閉合階段、斷開階段，其中預受熱階段，由于導熱環(huán)自身受到熱負載影響產(chǎn)生線性膨脹，當負載達到一定程度時，導熱環(huán)與冷端部分貼合進入啟動閉合階段，在此過程中熱開關整體熱阻減小，負載與熱沉之間形成熱通路，達到散熱的目的。隨著導熱通路的形成，熱開關整體溫度梯度降低，達到某一溫度時刻斷開進入斷開階段，切斷負載與熱沉導熱通路，整個裝置進入保溫工作狀態(tài)。

表1反應了在不同功率條件下熱開關表面平均溫度與熱阻的變化關系，從表中可以看出隨著熱端加熱功率的不斷增大，熱開關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、斷開/閉合、閉合3個狀態(tài)的過程。其中在加熱功率為0.4 W時，熱開關處于斷開狀態(tài)，實際測得的斷開熱阻值為230.46 K/W，這與理論設計的斷開熱阻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關在實驗過程中，由于隔熱材料無法做到完全隔熱導致有一部分的熱量流失，造成實際在測定過程中的誤差。

表1 熱開關熱端溫度及熱阻Table 1 Temperatures and thermal conductance of thermal switch

為了進一步了解熱開關的性能，通過測定不同熱負載條件下各個表面的溫度狀態(tài)來分析其傳熱特性，如圖4所示，在不同的熱負載下熱開關表面測點T1—T15的溫度曲線。實驗過程中，為了能夠讓冷端在熱開關發(fā)生熱啟動閉合時帶走導熱環(huán)底部熱量，設定與冷端相接觸散熱器的溫度為0.5℃，隨著功率增大，熱開關表面溫度也逐漸升高，其中冷端部分的測溫點T1—T6溫度上升較熱端導熱環(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，這是因為它們之間有一定的輻射換熱影響存在，當熱負載為20 W時，冷端與導熱環(huán)之間發(fā)生熱啟動閉合時，T6和T7之間的溫度變化更加明顯。所以可以分出結論是隨著功率增加，熱開關整體溫度上升，當達到10 W和15 W時，熱開關有比較明顯的熱啟動趨勢，當功率達到20 W和30 W時，開關發(fā)生熱啟動。

圖4 不同熱負載下熱開關的各測點溫度Fig.4 Temperatures of thermocouples at different heat load

熱開關的性能通過多次的加熱與冷卻過程來進行分析檢測，圖5表示了熱開關的單個循環(huán)過程，通過對熱端提供持續(xù)的熱負載觀察冷端的閉合溫度。加熱片的功率加大直到熱開關在大約40℃時閉合，由于熱開關發(fā)生熱啟動整體閉合，熱端溫度會迅速下降達到冷端的溫度范圍，大約200 min之后熱開關斷開，熱端與冷端的溫度都會有相應的升高，由于在斷開狀態(tài)下的熱阻相對較大，熱端溫度相比冷端升高速率快。通過熱開關的單次循環(huán)可以看出當熱開關在閉合狀態(tài)時，熱端溫度下降速率比冷端要大，溫度下降較快;斷開狀態(tài)下，由于斷開熱阻的關系，冷端的溫度升高速率要低于熱端。

衡量熱開關的性能的一個關鍵因素就是熱阻，熱阻能夠很好的反映熱開關的工作狀態(tài)，為了能夠更好的掌握熱阻變化情況，在實驗測定的時主要是通過設定加熱端不同的加熱功率，測定不同功率條件下熱開關熱端與冷端的溫度，當熱開關達到平衡狀態(tài)時記錄溫度值。利用R=ΔT/Q計算在不同功率下的熱阻變化情況，如圖6所示具體通過實驗模擬所測得的熱阻變化情況，說明了熱開關隨著溫度的變化自身熱阻逐漸的減小，在溫度達到40℃時熱阻值基本達到最小，也說明了開關達到了閉合的狀態(tài)。

圖5 熱開關單次循環(huán)過程Fig.5 One cycle of heat switch in actuation

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

在實驗過程中隨著加熱端的溫度升高，相應的熱開關的整體溫度都會有不同幅度的提升，當加熱功率達到一定程度時，由于導熱環(huán)膨脹伸縮導致熱開關在經(jīng)歷了大約150 min的時候發(fā)生閉合，閉合的溫度可以達到40℃左右，這與理論設計的閉合溫度相差很小，很好的貼合了理論設計的閉合溫度值，在整個實驗過程中可以看出熱開關的閉合時間較長，造成這一結果的因素是由于實驗過程中所做的隔熱措施并未完全隔熱而導致加熱片所加功耗流失，加熱功耗與實際加熱功耗存在一定的偏差，使得熱開關在發(fā)生閉合動作時時間較長，而且熱開關在整個閉合、斷開溫度循環(huán)過程中熱阻也相應發(fā)生了一定程度的改變，實驗數(shù)值與理論值相比相差較小。如圖7所示，針對熱開關的可靠性進行了多次的循環(huán)實驗，發(fā)現(xiàn)熱開關性能并未發(fā)生退化，相應的閉合溫度依然能夠達到40℃左右，良好的維持了其熱啟動特性。

圖7 熱開關多次循環(huán)過程Fig.7 Several cycle of heat switch in actuation conductance

4 結論

綜上所述，本文針對空間環(huán)境下的設備散熱問題，設計了一種基于熱脹冷縮原理的微膨脹型熱開關，并通過實驗分析了熱開關的熱啟動閉合、關斷性能，主要結論如下:

(1)熱開關能夠達到預期的閉合溫度，閉合溫度為40℃左右，同時具備較小的閉合熱阻，閉合熱阻可達到0.302 2 K/W，整體開關比達到762.6。

(2)通過多次循環(huán)實驗發(fā)現(xiàn)實驗過程中熱開關性能未發(fā)生顯著的退化，表明其具有較高的可靠性與穩(wěn)定性。

(3)熱開關作為一種新型、高效的熱控方式，在以后飛行器設備中有良好的應用前景，但就目前來說，仍然處于原理樣機的研究階段并未有在軌運行的實例，為了實現(xiàn)熱開關的實用化還需進一步的研究提高它的性能和工作可靠性，使其真正應用到空間熱控系統(tǒng)中。

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