王　錄　苗建印　張紅星（北京空間飛行器總體設(shè)計部，空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100094）

制冷機(jī)與深冷環(huán)路熱管集成系統(tǒng)傳熱特性試驗研究

王錄苗建印張紅星
（北京空間飛行器總體設(shè)計部，空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100094）

基于紅外探測器光學(xué)敏感元件深低溫?zé)峥匦枨?，開展了脈沖管制冷機(jī)和氮工質(zhì)深冷環(huán)路熱管集成系統(tǒng)的傳熱特性的試驗研究。文章針對單脈沖管制冷機(jī)和單氮工質(zhì)深冷環(huán)路熱管的集成系統(tǒng)（單回路），進(jìn)行了深冷環(huán)路熱管超臨界啟動特性、傳熱能力、漏熱量及隔離機(jī)械振動特性的試驗研究；針對雙脈沖管制冷機(jī)和雙氮工質(zhì)深冷環(huán)路熱管的集成系統(tǒng)（雙回路），進(jìn)行了正常運行模式、無縫切換模式、故障切換模式及共同運行模式的試驗研究。試驗結(jié)果表明，該集成系統(tǒng)可以滿足未來紅外探測載荷光學(xué)敏感元件深低溫?zé)醾鬏敿芭派⒌男枨?，并有效隔離制冷機(jī)機(jī)械振動的影響。

深冷環(huán)路熱管；傳熱特性；超臨界啟動

1　引言

某些采用紅外探測器進(jìn)行目標(biāo)成像的衛(wèi)星，對于被探測對象溫度在200～300 K范圍內(nèi)的目標(biāo)，紅外探測器的光學(xué)敏感元件溫度必須維持在120 K以下，才能消除背景溫度噪聲獲得高的成像質(zhì)量。脈沖管制冷機(jī)可以為紅外探測器光學(xué)敏感元件提供深低溫的工作環(huán)境（溫度在100 K以下）。若脈沖管制冷機(jī)和紅外探測器光學(xué)敏感元件直接耦合，將出現(xiàn)如下技術(shù)難點:①因各自結(jié)構(gòu)的特點，機(jī)械接口設(shè)計困難；②脈沖管制冷機(jī)運動部件壓縮機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械振動，會影響紅外探測器的成像質(zhì)量；③難以采取措施隔離脈沖管制冷機(jī)產(chǎn)生的電磁波對紅外探測器的干擾；④脈沖管制冷機(jī)停止運行時向紅外探測器漏熱；⑤受空間布局所限，紅外探測器敏感元件附近直接布置兩個脈沖管制冷機(jī)較困難，難以設(shè)計冗余以提高紅外探測器的壽命和可靠性。要克服脈沖管制冷機(jī)和紅外探測器直接耦合帶來的問題，必須建立一種“橋梁”，在紅外探測器敏感元件與脈沖管制冷機(jī)之間進(jìn)行高效的熱量收集和傳輸，隔離脈沖管制冷機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械振動和電磁干擾，阻斷脈沖管制冷機(jī)停止工作時向紅外探測器漏熱，方便脈沖管制冷機(jī)布置備份，提高紅外探測器的壽命和可靠性。就目前的技術(shù)水平來講，該“橋梁”最簡單可靠的形式為深冷環(huán)路熱管（CLHP）。其主蒸發(fā)器和冷凝器分別與紅外探測器和脈沖管制冷機(jī)耦合，接口設(shè)計簡單，內(nèi)部兩相流動的特征可以保證在紅外探測器和脈沖管制冷機(jī)間進(jìn)行高效的熱收集和熱傳輸，柔性細(xì)長的管路結(jié)構(gòu)可以有效地減弱脈沖管制冷機(jī)機(jī)械振動對紅外探測器成像質(zhì)量的影響及阻斷脈沖管制冷機(jī)不工作時向紅外探測器的漏熱，將紅外探測器和脈沖管制冷機(jī)從結(jié)構(gòu)布局上分離，方便脈沖管制冷機(jī)布置備份和采取措施隔離脈沖管制冷機(jī)產(chǎn)生的電磁波對紅外探測器的干擾。

鑒于深冷環(huán)路熱管在空間深低溫?zé)崾占c熱傳輸應(yīng)用中的獨特優(yōu)勢，世界各國尤其是美國投入大量的精力對深冷環(huán)路熱管進(jìn)行研究。為解決光學(xué)系統(tǒng)的冷卻問題，1998年Dave Glaister［1］提出兩軸交叉萬向節(jié)的深冷環(huán)路熱管概念。隨后各種結(jié)構(gòu)形式的深冷環(huán)路熱管得到迅速的發(fā)展，適用溫度范圍逐漸深入到液氮、液氖、液氫溫區(qū)。針對光學(xué)敏感元件的低溫溫控需求，James Yun等［2］研制了一套乙烷工質(zhì)的深冷環(huán)路熱管冷卻裝置，采用低溫輻射器為熱沉，可以成功地從乙烷的超臨界溫度啟動運行，回路工作在—58℃時對副蒸發(fā)器施加5W功率，主蒸發(fā)器最大傳熱量為50W。D.Bugby等［3］先后研制交叉萬向節(jié)CLHP、短傳輸距離的小型化CLHP和長傳輸距離的小型化CLHP。交叉萬向節(jié)CLHP采用氮為工質(zhì)，工作在80～100 K溫度范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)±45o俯仰角和±180o方位角的二維指向轉(zhuǎn)動，設(shè)計傳熱量為2～20W，溫度穩(wěn)定度為±2℃。短傳輸距離的小型化CLHP采用氖為工質(zhì)，工作在35 K附近，設(shè)計熱載荷為0.3～2.5W，熱傳輸距離大于10cm，關(guān)閉熱阻大于1000K/W，傳熱熱阻小于1K/W。長距離傳輸?shù)男⌒突疌LHP采用氖為工質(zhì)，工作在30～35 K溫度范圍內(nèi)，設(shè)計熱載荷為0.1～1.0W，熱傳輸距離大于250cm。Triem T.Hoang等［4-5］研制了一套氫工質(zhì)深冷環(huán)路熱管，對副蒸發(fā)器施加2.5W功率25 min后主蒸發(fā)器和主儲液器的溫度降低到氫的臨界溫度32K以下，對主蒸發(fā)器施加5W的功率回路可以穩(wěn)定地運行。國內(nèi)對深冷環(huán)路熱管的研究起步較國外晚。2005年中科院理化所莫青等［6］設(shè)計了一套單回路深冷環(huán)路熱管的原理樣機(jī)，氮為工質(zhì)，工作溫度范圍為90～126K，液氮為冷源，最大傳熱量11W。周順濤等［7］研制了一套雙回路的深冷環(huán)路熱管的原理樣機(jī)，熱傳輸距離大于1m，氮為工質(zhì)，副蒸發(fā)器施加5W功率時回路的最大傳熱量30W，具有一定的反重力能力。Yanan Zhao［8］研制了一套氮工質(zhì)深冷環(huán)路熱管，充裝壓力3.2MPa，熱傳輸距離0.48m，采用液氮為熱沉，為減少寄生漏熱，試驗系統(tǒng)真空環(huán)境的溫度為170K，工作在80K時傳熱能力41W。

從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，國外已成功研制出小型化的深冷環(huán)路熱管工程樣機(jī)，并且基于紅外探測器光學(xué)敏感元件深低溫?zé)峥匦枨箝_展了在軌飛行驗證，國內(nèi)仍然處在工程樣機(jī)研制階段，尚未針對在軌應(yīng)用開展深冷環(huán)路熱管與脈沖管制冷機(jī)集成系統(tǒng)的試驗研究。本文正是基于在軌應(yīng)用需求，開展了脈沖管制冷機(jī)和深冷環(huán)路熱管集成系統(tǒng)傳熱特性的試驗研究，可為依靠紅外探測器進(jìn)行目標(biāo)成像衛(wèi)星的光學(xué)敏感元件深低溫?zé)峥匦枨筇峁┘夹g(shù)支撐。

2　試驗件及試驗系統(tǒng)介紹

圖1為本文研制的兩套脈沖管制冷機(jī)與深冷環(huán)路熱管耦合的熱傳輸回路集成系統(tǒng)。深冷環(huán)路熱管主冷凝器和副冷凝器通過真空銀釬焊與冷凝柱體連接，冷凝柱體材料為紫銅，深冷環(huán)路熱管熱傳輸距離0.6m，工質(zhì)為氮，工作溫度范圍為80～100K。脈沖管制冷機(jī)工作在80K時最大制冷量為5W。深冷環(huán)路熱管通過薄圓筒冷凝柱與脈沖管制冷機(jī)冷指通過釬焊耦合，減小兩者間的接觸熱阻。兩套深冷環(huán)路熱管的主蒸發(fā)器通過鞍座耦合，銅鞍座與紅外探測器光學(xué)敏感元件耦合，鞍座材質(zhì)為紫銅，主蒸發(fā)器與鞍座間通過釬焊連接減小接觸熱阻，如圖2所示。聚酰亞胺薄膜電加熱器通過硅橡膠粘貼在銅鞍座上，模擬紅外探測器光學(xué)敏感元件的熱耗。兩套深冷環(huán)路熱管副蒸發(fā)器上通過硅橡膠粘貼聚酰亞胺薄膜電加熱器作為輔助載荷。通過3臺直流穩(wěn)壓電源向聚酰亞胺薄膜電加熱器提供電功率。集成系統(tǒng)共布置12個鉑電阻傳感器，每套氮工質(zhì)深冷環(huán)路熱管布置6個溫度測點，其中測點T1～T6布置在1#回路的冷凝柱體、副儲液器、副蒸發(fā)器、主儲液器、主蒸發(fā)器、銅鞍座上，測點T7～T12布置在2#回路的冷凝柱體（熱沉）、副儲液器、副蒸發(fā)器、主儲液器、主蒸發(fā)器、銅鞍座（熱源）上。測點TC6、TC12的粘貼位置見圖2，通過溫度采集設(shè)備實時采集溫度數(shù)據(jù)。采用雙面鍍鋁薄膜和滌綸網(wǎng)制作的15單元多層隔熱組件包覆在深冷環(huán)路熱管的管路上減小寄生漏熱。試驗系統(tǒng)如圖3所示，由真空模擬室、抽真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)，溫度采集系統(tǒng)及工質(zhì)充裝系統(tǒng)等組成。

圖1　脈沖管制冷機(jī)與深冷環(huán)路熱管集成系統(tǒng)Fig.1　Schematic of the integrated system of pulse tube coolers and cryogenic loop heat pipes

圖2　銅鞍座三維結(jié)構(gòu)Fig.2　Three-dimensional model of copper saddle

圖3　試驗測試系統(tǒng)Fig.3　Experimental setup

3　集成系統(tǒng)傳熱特性試驗研究

脈沖管制冷機(jī)和氮工質(zhì)深冷環(huán)路熱管集成系統(tǒng)傳熱特性的試驗研究內(nèi)容包括:單脈沖管制冷機(jī)和單氮工質(zhì)深冷環(huán)路熱管系統(tǒng)（單回路）的超臨界啟動特性、傳熱能力、漏熱量及振動隔離特性及雙脈沖管制冷機(jī)和雙氮工質(zhì)深冷環(huán)路熱管集成系統(tǒng)工作模式。

3.1單回路集成系統(tǒng)傳熱性能測試

圖4為單脈沖管制冷機(jī)與單深冷環(huán)路熱管集成系統(tǒng)的超臨界啟動過程。初始0時刻啟動脈沖管制冷機(jī)，此時，熱沉、副儲液器和副蒸發(fā)器溫度迅速下降，主儲液器、主蒸發(fā)器及熱源溫度緩慢降低。30min后副蒸發(fā)器和副儲液器的溫度降低到氮的臨界溫度以下，開始冷凝為液體。58min時副蒸發(fā)器中充滿液體，對副蒸發(fā)器施加1.5W的功率，副回路啟動運行，推動冷凝器中的液態(tài)工質(zhì)沿主液體管路向主蒸發(fā)器和主儲液器中流動，主儲液器、主蒸發(fā)器及熱源溫度開始迅速降低。208min時主蒸發(fā)器和主儲液器中充滿液體，將副蒸發(fā)器的功率減小為0.5W，同時對熱源施加2.5W的功率，主回路啟動且穩(wěn)定運行，深冷環(huán)路熱管實現(xiàn)超臨界啟動。

圖4　集成系統(tǒng)超臨界啟動過程（1#回路）Fig.4　Supercritical startup of integrated system of Loop 1#

圖5、圖6分別為兩套脈沖管制冷機(jī)與深冷環(huán)路熱管集成系統(tǒng)單獨運行過程中溫度隨時間的變化曲線。從圖5中看出對1#回路的副蒸發(fā)器施加0.5W的功率，熱源施加4W功率回路可以穩(wěn)定運行，對熱源施加5W功率，熱源、主蒸發(fā)器及主儲液器溫度迅速上升，回路失效，其極限傳熱能力為4W。從圖6中看出對2#回路副蒸發(fā)器施加0.5W的功率，熱源施加3 W功率回路可以穩(wěn)定運行，對熱源施加4W功率，熱源、主蒸發(fā)器及主儲液器溫度迅速上升，回路失效，其極限傳熱能力為3W。

圖5　傳熱能力測試（1#回路）Fig.5　Heat transport capability of Loop 1#

圖6　傳熱能力測試（2#回路）Fig.6　Heat transport capability of Loop 2#

對于1#回路，當(dāng)主蒸發(fā)器傳遞熱量為4W時，銅鞍座測點6#和12#的溫度值分別為89.6 K和85.6K，冷凝柱體測點1#的溫度值為82.1K，其傳熱熱阻（銅鞍座與冷凝柱體溫度的差值除以主蒸發(fā)器傳遞熱量）為1.38K/W；對于2#回路，當(dāng)主蒸發(fā)器傳遞的熱量為3W時，銅鞍座上測點6#和12#的溫度值分別為92.3K和87.9K，冷凝柱體7#的溫度值為85.6K，其傳熱熱阻1.50K/W。1#回路工作、2#回路冷備份時，2#回路冷凝器溫度為298K，銅鞍座溫度小于95K，保守取95K，冷凝器和蒸發(fā)器間漏熱量約0.05W，熱阻4060K/W，表明深冷環(huán)路熱管柔性管路具有良好的熱隔離特性。

3.2單回路集成系統(tǒng)振動隔離特性測試

將脈沖管制冷機(jī)和深冷環(huán)路熱管集成系統(tǒng)放置在振動測試平臺上，如圖7所示。在脈沖管制冷機(jī)的壓縮機(jī)、冷指及深冷環(huán)路熱管的主蒸發(fā)器上布置加速度感應(yīng)器，3個測點加速度峰值如圖8所示，從圖8中可知經(jīng)過深冷環(huán)路熱管的柔性細(xì)長管路，脈沖管制冷機(jī)的機(jī)械振動被有效地隔離。

圖7　深冷環(huán)路熱管振動隔離測試Fig.7　Vibration-isolating test

圖8　深冷環(huán)路熱管振動隔離測試結(jié)果Fig.8　Result of vibration-isolation test

3.3集成系統(tǒng)工作模式

針對雙脈沖管制冷機(jī)和雙深冷環(huán)路熱管的集成系統(tǒng)，對其工作模式進(jìn)行試驗研究，包括:正常工作模式（1套回路正常工作、另一套回路冷備份）、無縫切換運行模式（1#回路穩(wěn)定運行過程中2#回路超臨界啟動運行，當(dāng)2#回路穩(wěn)定運行后，關(guān)閉1#回路，2#回路可以維持穩(wěn)定運行）、故障切換運行模式（1#回路在運行過程中發(fā)生故障，停止運行，一段時間后2#回路啟動且穩(wěn)定運行）及共同工作模式（兩套回路共同啟動和穩(wěn)定運行）。

集成系統(tǒng)的正常運行模式如圖5、6所示，兩套熱傳輸回路均能夠單獨的超臨界啟動和穩(wěn)定運行。集成系統(tǒng)的無縫切換運行模式如圖9、10所示。1#回路副蒸發(fā)器施加0.5W功率，熱源施加2.5W功率回路可以穩(wěn)定運行；317min時2#回路脈沖管制冷機(jī)開始啟動，342min時2#回路副蒸發(fā)器中充滿液體，對副蒸發(fā)器施加0.5W功率，2#回路開始穩(wěn)定運行；352min時關(guān)閉1#回路的脈沖管制冷機(jī)和停止對副蒸發(fā)器加熱，1#回路的副蒸發(fā)器、副儲液器溫度迅速升高，回路停止運行，2#回路可以穩(wěn)定運行，集成系統(tǒng)實現(xiàn)無縫切換運行模式。

圖9　集成系統(tǒng)無縫切換運行模式（1#回路）Fig.9　Normal switch operation mode of Loop 1

圖10　集成系統(tǒng)無縫切換運行模式（2#回路）Fig.10　Normal switch operation mode of Loop 2

圖11、12為集成系統(tǒng)故障切換運行模式。1#回路運行過程中于252min時關(guān)閉脈沖管制冷機(jī)和停止對副蒸發(fā)器、熱源加熱，主蒸發(fā)器、副蒸發(fā)器溫度升高，1#回路停止運行。275min時啟動2#回路的脈沖管制冷機(jī)，2#回路副蒸發(fā)器、副儲液器溫度開始迅速下降，320min時2#回路的副蒸發(fā)器中充滿液體，對其施加1.5 W功率啟動2#回路的副回路運行，主蒸發(fā)器和主儲液器溫度開始降低，377min時將副蒸發(fā)器功率減小為1W，對熱源施加2 W功率，2#回路可以穩(wěn)定運行，集成系統(tǒng)實現(xiàn)故障切換運行模式。

圖11　集成系統(tǒng)故障切換運行模式（1#回路）Fig.11　Failover switch operation mode of Loop 1

圖12　集成系統(tǒng)故障切換運行模式（2#回路）Fig.12　Failover switch operation mode of Loop 2

圖13、14為集成系統(tǒng)共同運行模式。0min時同時啟動兩套回路的脈沖管制冷機(jī)，兩套回路的副蒸發(fā)器和副儲液器溫度同時迅速降低，56min時兩套回路的副蒸發(fā)器充滿液體，對兩套回路的副蒸發(fā)器分別施加1.5W功率，啟動副回路運行，主蒸發(fā)器、主儲液器溫度開始迅速降低，106min時將副蒸發(fā)器功率調(diào)整為1W，118min時主蒸發(fā)器中充滿液體，對熱源施加2.5W功率，兩套回路均可以穩(wěn)定地運行，集成系統(tǒng)實現(xiàn)共同運行模式。

圖13　集成系統(tǒng)共同工作模式（1#回路）Fig.13　Cooperation mode of Loop 1

圖14　集成系統(tǒng)共同工作模式（2#回路）Fig.14　Cooperation mode of Loop 2

4　結(jié)論

本文對脈沖管制冷機(jī)與深冷環(huán)路熱管集成系統(tǒng)的傳熱特性進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明:

（1）以脈沖管制冷機(jī)為熱沉?xí)r，副蒸發(fā)器施加0.5W功率主蒸發(fā)器的極限傳熱能力為3W，CLHP可以在脈沖管制冷機(jī)和紅外探測器光學(xué)敏感元件間進(jìn)行高熱的熱量收集和傳輸，可滿足紅外探測器光學(xué)敏感元件熱耗不超過2W、溫度低于120K的工作需求。

（2）深冷環(huán)路熱管柔性細(xì)長的管路，可以有效地隔離脈沖管制冷機(jī)的機(jī)械振動對紅外探測器光學(xué)敏感元件成像的影響，同時隔離脈沖管制冷機(jī)停止工作時，會向紅外探測器光學(xué)敏感元件漏熱。

（3）集成系統(tǒng)可以實現(xiàn)正常運行、無縫切換運行、故障切換運行及共同運行等多種工作模式，通過脈沖管制冷機(jī)布置備份，以及備份與主份間的切換運行，可以顯著提高紅外探測器的壽命和可靠性。

（References）

［1］Dave Glaister.Potential solutions for a cryogenic thermal link across a two axis gimbal for optics cooling，AIAA-98-5205［R］.Washington D.C.:AIAA，1998

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［5］Triem T Hoang，Tamara A，O Connell，et al.Design optimization of a hydrogen advanced loop heat pipe for space-based ir sensor and detector cryocooling［C］// Proceedings of SPIE Cryogenic Optical Systems and Instruments X.Belling ham:SPIE，2003:86-96

［6］莫青，蔡京輝，梁驚濤.液氮溫區(qū)低溫回路熱管的實驗研究［J］.真空與低溫，2005，11（3）:162-169 Mo Qing，Cai Jinghui，Liang Jingtao.Experimental study of a cryogenic loop heat pipe at the temperature of liquid nitrogen［J］.Vacuum and Cryogenics，2005，11 （3）:162-169（in Chinese）

［7］周順濤.深冷環(huán)路熱管超臨界啟動及穩(wěn)態(tài)運行特性研究［D］.北京:中國空間技術(shù)研究院，2010 Zhou Shuntao.The study on the characteristic of the supercritical startup and stable operation of a cryogenic loop heat pipe［D］.Beijing:CAST，2010（in Chinese）

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（編輯：張小琳）

Investigation on Thermal Characteristic of Integrated System of Pulse Tube Coolers with Cryogenic Loop Heat Pipes

WANG Lu MIAO Jianyin ZHANG Hongxing
（Beijing Key Laboratory of Space Thermal Control Technology，Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

Based on the cryogenic thermal control requirement of infrared optical sensors of space detector，heat transfer performance of an integrated system of pulse tube coolers with cryogenic loop heat pipes has been investigated.The supercritical startup，heat transport capability，heat leakage and vibration isolation of a single loop have been investigated.The normal operation mode，normal switch operation mode，failover switch operation mode and cooperation mode of a double loops have been investigated.The results reveal that the integrated system can meet the requirement for cryogenic thermal control of the future space infrared detector.

cryogenic loop heat pipe；heat transfer performance；supercritical startup

V476.2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.010

2016-04-27；

2016-05-16

國家自然科學(xué)基金（51406009）

王錄，男，工程師，研究方向為航天器熱控制、兩相流動及傳熱技術(shù)。Email：wanglulkdd@163.com。