周 吉 王振營,2 呂瑋東 劉英軍 張彥虎
(1 北京空間機電研究所,北京 100094)
(2 北華航天工業(yè)學院,廊坊 065000)
(3 浙江大學高分子科學與工程學系,杭州 310063)
(4 江蘇大學機械工程學院,鎮(zhèn)江 212013)
柔性冷鏈作為遙感衛(wèi)星低溫光學相機熱控系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)件,是連接紅外相機探測器組件和制冷部件的唯一橋梁,對紅外相機焦平面低溫保證具有重要意義[1-3]。傳統(tǒng)金屬冷鏈(銅或鋁材質(zhì))的密度大和導熱能力弱,且剛度大而柔性差。應(yīng)用傳統(tǒng)金屬冷鏈,制冷機運行時產(chǎn)生的振動通過冷傳遞到相機成像系統(tǒng),嚴重影響成像質(zhì)量和分辨率[4-6]。因此,亟需發(fā)展具有導熱/減振一體化特性的柔性冷鏈技術(shù),實現(xiàn)高效熱管理的同時,弱化或消除制冷鏈的機械振動及其對衛(wèi)星成像的不利影響,以滿足未來衛(wèi)星對冷鏈輕量化、高柔性、長壽命和大冷量的特殊要求。
在柔性冷鏈研究領(lǐng)域,RAVEX A、WILLIAMS B、KOBAYASHI K和YARIFARD M 等人[4,7-9]針對金屬導熱冷鏈的導熱及剛度要求進行了研究和討論。研究指出,傳統(tǒng)的金屬基導熱冷鏈第一個軸上具有較高的柔性,之后剛度遞增,在連接可調(diào)焦平面時散熱帶的適配性面臨挑戰(zhàn)。TROLLIER等[10]指出金屬基柔性導熱冷鏈冷熱兩端之間的高導熱耦合和低剛度相當重要。同時,應(yīng)許可冷端和探測器之間的不對準和相對動態(tài)位移,從而弱化振動傳遞。另外,輕質(zhì)、小體積和清潔度等要求,在持續(xù)載荷和熱循環(huán)過程中性能不衰退。PLATUS等[11]提出使用負剛度機構(gòu)來減小航天器導熱冷鏈的振動傳遞,用于冷熱部件熱傳導和結(jié)構(gòu)解耦。URQUIZA等[12]開發(fā)了一種雙臂焦平面導熱冷鏈以減少傳遞到焦平面的拉伸及剪切應(yīng)力。魏露露等[13]對金屬銅箔導熱冷鏈研究發(fā)現(xiàn),隨著紫銅箔層數(shù)的增加,層間接觸熱阻增加,致使冷量傳輸損失增加。綜上,現(xiàn)有的導熱冷鏈設(shè)計方面的研究主要是通過實驗驗證預(yù)設(shè)方案是否合理,這種后驗方法對熱力耦合復雜系統(tǒng)主動設(shè)計與隔振施策不利。另外,目前針對導熱冷鏈的性能評價主要集中于金屬基導熱冷鏈和石墨基導熱冷鏈,很少對新一代石墨烯膜導熱帶進行性能評價。鮮見對導熱性和柔性(減振特性)二者的兼容特性的研究報道。此外,已有研究中導熱冷鏈的熱導率普遍偏低,且對其低溫下的熱導率關(guān)注較少。
本文提出一種新型石墨烯冷鏈結(jié)構(gòu),并對其熱導率和整體柔性進行分析和測評。通過自建的冷鏈熱導率測試臺測試熱導率,進一步利用有限元軟件Comsol 進行傳熱特性分析。探明長度、搭接長度、端頭柱子尺寸及數(shù)量因素對導熱冷鏈熱傳遞的影響。同時,開展冷鏈振動傳遞性能探究,明確長度、厚度、寬度對導熱帶振動傳遞的影響,擬為冷鏈選型和設(shè)計提供依據(jù)。
導熱冷鏈由石墨烯膜和純銅端頭組成,根據(jù)設(shè)計需要,對石墨烯膜進行疊層,通過模切將石墨烯膜制成特定形狀和尺寸。為了強化石墨烯膜界面和法向傳熱,采用“離子注入”+“磁控濺射”復合工藝對石墨烯膜表面金屬化處理。對多層石墨烯先采用加壓擴散焊接成型,然后對層疊石墨烯膜與金屬端頭之間填充焊料,減小接觸熱阻并提升面向傳熱效率。采用釬焊方法將中部多層石墨烯膜與端頭焊接一體化成型,最后對多層石墨烯膜和端頭進行包覆。前期加工的底座和蓋板相對較厚,需要對焊接好的導熱冷鏈端頭進行加工打磨等輕量化處理,加工好的導熱冷鏈如圖1(a)所示。
圖1 導熱石墨烯膜冷鏈及其結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.1 Graphene film cold chain and structure model
石墨烯冷鏈模型的界面剖視圖如圖1(b)所示。其中,ΔT—兩端溫差,L—石墨烯長度,L1—石墨烯膜搭接長度,d—石墨烯膜寬度,Q—加熱功率,h—石墨烯膜總厚度=單層膜厚度×層數(shù),A—有效傳熱面積=d×h。
在仿真過程中,冷鏈端頭材料設(shè)定為銅,80 K下熱導率為500 W/(m·K),石墨烯膜x方向和y方向(面內(nèi))設(shè)置熱導率為1 100 W/(m·K),z方向(法向)根據(jù)界面優(yōu)化后的數(shù)值將熱導率設(shè)置為10 W/(m·K)。未特殊說明時,石墨烯膜層間填充的金屬焊料80 K下熱導率為450 W/(m·K),單側(cè)鍍層厚度為7 μm。石墨烯膜與端頭間的焊料80 K下熱導率設(shè)置為450 W/(m·K),焊料填充厚度設(shè)為2 mm。
導熱冷鏈熱導率總體包括兩部分:一部分是端頭的熱導率;一部分是冷鏈中間石墨烯膜的熱導率。在冷量傳遞過程中,由于石墨烯膜的法向熱導率比較低,絕大多數(shù)的冷量會通過端頭側(cè)壁傳導到石墨烯膜。然后,通過石墨烯膜面內(nèi)方向熱傳導最終到達導熱帶熱端。因此,多層石墨烯膜側(cè)壁與端頭側(cè)壁之間的熱通路十分重要。由于多層石墨烯膜材料本身以及加工方式等因素限制,制作好的多層膜的側(cè)壁粗糙度相對較大。同時,安裝時多層膜與端頭的側(cè)壁之間壓力極小,導致外壁的實際接觸面積并不充分。為了減小界面熱阻和增加熱導率,需要在多層膜與端頭之間填充焊料。通常在兩者中建立一個橋梁,使得冷量可以很好進行傳輸。鑒于此,在導熱帶改進時考慮兩種改進界面熱阻的方案:一是通過對單層石墨烯膜端頭兩側(cè)進行氣相沉積熱導率大的金屬,從而提高石墨烯膜的法向傳熱;二是通過對端頭與多層石墨烯膜之間進行焊料填充,進而減小界面熱阻。分別研究兩種界面熱阻改進方法對導熱帶熱導率的影響,利用Comsol對模型的接觸熱阻進行設(shè)置來模擬不同界面接觸的設(shè)置。界面改進前,膜與膜之間沒有金屬層,法向熱導率為5 W/(m·K)。多層膜與端頭側(cè)壁之間也僅僅是幾何接觸,界面改進后石墨烯膜與膜之間有一層金屬膜,端頭側(cè)壁與多層膜之間有一層焊料。在此,利用仿真手段對比分析了三種預(yù)設(shè)熱阻工況對導熱帶性能的影響,如圖2所示。
圖2 不同區(qū)域熱阻改變對冷鏈熱導率性能的影響Fig.2 Influence of thermal resistance in different regions on thermal conductivity of cold chain
結(jié)果顯示,端頭側(cè)壁與多層石墨烯之間填充焊料對導熱帶熱導率的影響遠遠高于石墨烯膜鍍金屬對導熱帶的影響。同時,焊料以及金屬層熱導率的提高對導熱帶的總體熱導率影響不大。
由于石墨烯膜具有各向異性熱導率,法向熱導率極低。為了驗證在某相機的工作環(huán)境下石墨烯膜導熱帶的導熱性能,對不同溫度下石墨烯膜、銅基和鋁基材料的導熱帶進行熱學仿真。根據(jù)仿真結(jié)果做出如圖3所示的不同材料不同溫度下熱導率關(guān)系圖。
圖3 不同材料質(zhì)冷鏈的熱導率隨溫度變化情況Fig.3 The thermal conductivity of cold chain of different material varies with temperature
結(jié)果顯示,當溫度在80~293 K時,石墨烯膜導熱冷鏈的熱導率遠高于銅基和鋁基導熱冷鏈。表明,石墨烯膜導熱帶具有優(yōu)異的熱學性能。因此,選擇石墨烯膜作為導熱冷鏈基體是合理而可行的。
為了研究石墨烯膜長度與端頭搭接長度對冷鏈熱導率的影響,建立不同幾何構(gòu)型的石墨烯膜三維模型。將構(gòu)建好的模型導入到仿真軟件中進行熱學仿真分析。膜的總長度L為107、127、147和167 mm,對應(yīng)的搭接長度L1分別為14、17、20、23 和26 mm。石墨烯膜寬度為17 mm,厚度5 mm。設(shè)定搭接長度L1與石墨烯膜長L比值為β。
仿真得到導熱帶冷熱兩端的溫度差,根據(jù)傅里葉傳熱公式求得不同條件下的熱導率。采用無量綱的值β作為x軸,得到不同搭接長度與不同膜長比下的熱導率關(guān)系圖(圖4)。在石墨烯膜總長度L確定的情況下,隨著搭接長度的增加即β的增加,熱導率呈線性增加。從圖中可以看出,四條直線斜率基本一致。此外,在石墨烯膜尺寸一定的情況下,增加與端頭的搭接長度,相應(yīng)的導熱帶總的熱導率增加。究其原因,增大搭接長度即增大搭接面積,搭接面積增加不僅增加了石墨烯膜的法向傳熱面積;同時,增加了多層膜與端頭側(cè)壁之間的接觸面積,從而增加冷量傳輸效率,進而提升了導熱帶的總體熱導率。
圖4 冷鏈搭接長度與膜長比值對熱導率的影響Fig.4 Effect of the ratio of cold chain overlap length and film length on heat conductivity
導熱帶中的多層石墨烯膜通過端頭底座上的立柱進行安裝定位,底座中立柱尺寸及數(shù)量對冷鏈的熱導率有一定的影響,需要進行立柱與導熱冷鏈的熱學仿真。設(shè)置立柱主要有利于石墨烯膜搭接段的固定,有利于釬料的灌注和焊接,有利于導熱帶的制作。相比熱導率的提高,立柱對石墨烯膜搭接段的固定作用更重要。為此,分別建立柱子數(shù)為0、1、2、3、4,圓柱直徑為2、3和4 mm的冷鏈三維仿真模型。立柱與多層石墨烯膜之間采用等效薄熱阻層接觸,層熱導率設(shè)置為400 W/(m·K),層厚度為2 mm,仿真結(jié)果如圖5所示。
圖5 不同端部立柱個數(shù)及尺寸對冷鏈熱導率的影響Fig.5 Influence of number and size of end columns on thermal conductivity of cold chain
隨著立柱數(shù)量及直徑的增加,導熱冷鏈的熱導率也隨之增加。在相同直徑大小下,4個立柱與1個圓柱時的熱導率相差未超過25 W/(m·K)。立柱數(shù)量的增加可以在熱傳遞過程中一定程度上減小石墨烯膜法向熱導率不足的缺點,同時減小了熱傳遞路徑,可以更快地將冷量傳遞到冷鏈的安裝面上。但是隨著立柱數(shù)量的增加熱導率提升不是很明顯,同時考慮到加工成本的問題,立柱數(shù)量可以根據(jù)情況進行考慮。此外,在立柱數(shù)量確定的情況下,隨著立柱直徑的增加,熱導率也增大。立柱直徑的增加,端頭處石墨烯膜傳熱占比下降。又因為石墨烯膜在法向的熱導率極小,增加立柱直徑一定程度上強化了端頭法向傳熱能力。綜上,整體熱導率隨著法向傳熱的增加而得以提升。
由于端頭立柱數(shù)量及尺寸之間存在一定關(guān)系,因此研究當端頭柱子的截面面積一定,改變立柱數(shù)量,對導熱帶的熱導率的影響。立柱總截面積為12.56 mm2,將立柱數(shù)量分別設(shè)置為1~4個,其他條件不變,得到如表1所示的數(shù)據(jù)。
表1 不同立柱數(shù)量對應(yīng)的冷鏈熱導率Tab.1 Thermal conductivity of cold chains with different numbers of columns
仿真結(jié)果顯示當柱子的截面面積一定的情況下,導熱帶的熱導率無明顯變化。由于柱子截面積占總的端頭底部面積不變,端頭立柱數(shù)量及尺寸的影響可歸于立柱總的截面積對熱導率的影響。截面積越大導熱效果越好,但對熱導率的影響相對較小。
制冷機的振動是空間相機在運行過程中唯一的振動源,振動會對相機成像精度和穩(wěn)定性極其不利。參照制冷機的型號規(guī)格,制冷機的頻率范圍為20~100 Hz,不同型號制冷機是指產(chǎn)生的幅值大小不同,研究幅值分別為20、40、60、80和100 N時冷鏈對制冷機振動的抑制效果。石墨烯膜的長度為167 mm,厚度為3 mm,寬度為27 mm,在垂直于冷鏈的冷端安裝面上分別添加幅值為20、40、60、80 和100 N 的正弦載荷激勵,即F(t)=Asin(2πft)中的A,頻率范圍f設(shè)置為0~200 Hz來模擬制冷機產(chǎn)生的力,導熱帶兩端添加綁定約束,研究在不同幅值不同頻率下導熱帶的減振情況。對模型進行網(wǎng)格劃分并分析計算,得到不同幅值不同頻率下導熱帶熱端表面的加速度響應(yīng)值如圖6所示。
圖6 不同頻率幅值下的響應(yīng)幅值Fig.6 Response amplitude at different frequency amplitude
為了得到減振效果好的導熱冷鏈,對冷鏈中石墨烯膜的不同層數(shù),即冷鏈厚度進行了分析,研究了當石墨烯膜的長度為167 mm,寬度為20 mm,制冷機給的外界激勵幅值為60 N,石墨烯膜的總厚度分別為2、3、4、5 和6 mm 時導熱冷鏈的減振情況,其他約束條件不變,根據(jù)仿真分析得到了如圖7所示不同厚度下的熱端加速度幅值。
圖7 不同厚度下的振動加速度響應(yīng)幅值Fig.7 Response amplitude of vibration acceleration at different thicknesses
結(jié)果顯示,在10~100 Hz 的頻率范圍內(nèi),制冷機頻率的增加引起冷鏈熱端加速度幅值上升;同時,熱端的加速度幅值隨著厚度的增加而減小。根據(jù)厚度對減振的影響,在振動傳遞的過程中,石墨烯膜厚度增加,石墨烯膜的柔性才更利于抑制振動傳遞。
對冷鏈中石墨烯膜的不同寬度進行分析,制冷機外界激勵幅值為60 N。石墨烯膜長度和厚度分別為167和4 mm,寬度分別為13、20、27、34和41 mm。根據(jù)仿真分析,不同寬度下的熱端加速度幅值如圖8所示。從熱端幅值來看,制冷機頻率的增加,冷鏈熱端加速度幅值也在增加,同時導熱帶熱端的加速度幅值隨著寬度的增加而增加。頻率在10~100 Hz內(nèi),隨著制冷機頻率的增加,熱端加速度幅值增加,但是石墨烯膜寬度從13 mm增加到41 mm,導熱帶的熱端加速度幅值不斷增大。在設(shè)計導熱帶時,石墨烯膜的寬度盡量要窄。
圖8 不同寬度對應(yīng)的末端加速度響應(yīng)幅值Fig.8 The amplitude of terminal acceleration response corresponding to different widths
石墨烯膜導熱冷鏈具有很高的柔性,還能夠做到三維隨形設(shè)計,同時空間相機的多數(shù)零部件在設(shè)計時具有確定的空間位置關(guān)系,所以石墨烯膜導熱冷鏈一般作為相機零部件中最后的設(shè)計,此時導熱帶長度尺寸及端頭位置已經(jīng)確定,只需確定石墨烯膜的寬度和厚度。當導熱帶中石墨烯膜的傳熱面積為80 mm2時滿足空間相機的制冷要求,即石墨烯膜的寬度與石墨烯膜總厚度的乘積為80 mm2。厚度與寬度的乘積為石墨烯膜的傳熱面積。改變多層石墨烯膜的寬度和厚度會引起多層膜與端頭底座的搭接面積、多層膜與端頭側(cè)壁之間的接觸面積、層間接觸熱阻等相應(yīng)的邊界熱阻的改變。所以需考慮相同傳熱面積下,改變寬度與厚度對導熱帶是否有影響。選取總的石墨烯膜傳熱面積A為80 mm2,分別建立石墨烯膜總厚度為2、3、4、5、6和7 mm的三維模型,對應(yīng)的石墨烯膜寬度為40、80/3、20、16、40/3和80/7 mm,輸入材料屬性,建立邊界條件,輸入溫度場及載荷,求得導熱帶兩端的溫差。
仿真得到導熱帶兩端溫差并根據(jù)式傅里葉傳熱公式計算出不同尺寸下導熱冷鏈的熱導率,熱導率結(jié)果如圖9所示。由圖可知,在總的傳熱面積不變的情況下,不同溫度下不同厚度寬度比對熱導率的影響有限。因此,改變寬厚比對多層膜與端頭底座的搭接面積、多層膜與端頭側(cè)壁之間的接觸面積、層間接觸熱阻等因素的影響可以忽略。
圖9 不同溫度下厚度與寬度比與熱導率的關(guān)系Fig.9 Relationship between thickness vs.width and thermal conductivity at different temperatures
在上述研究中,確定了石墨烯膜的傳熱面積為80 mm2,改變其寬度與厚度的比值,對熱導率影響有限。不同尺寸下的導熱冷鏈減振效果不同,需要通過振動分析不同尺寸下的減振效果,從而得到最優(yōu)的石墨烯膜導熱帶。當制冷機振動幅值為60 N,頻率為10~100 Hz 的外界激勵,相同長度130 mm,相同石墨烯膜傳熱截面積80 mm2。進一步地改變導熱帶厚度與寬度,分析石墨烯膜導熱帶的振動傳遞情況。寬厚比分別為20、8.9、5、3.2 和2.2 時,頻率在10~100 Hz 下導熱帶熱端安裝面的加速度響應(yīng)幅值如圖10 所示。由圖可知,在相同的石墨烯膜截面積的條件下(設(shè)定石墨烯膜截面積為厚度和寬度乘積),改變膜的厚度,隨著厚度與寬度的比值增大,導熱帶的減振效果越好。
圖10 不同寬厚導熱帶的加速度響應(yīng)幅值Fig.10 Acceleration response amplitude of thermal conduction belt with different widths and thicknesses
綜合導熱冷鏈的熱力學性能并進行協(xié)同性設(shè)計,得到最優(yōu)的冷鏈尺寸。冷鏈的端頭立柱采用兩個,直徑為3 mm,石墨烯膜長度確定為130 mm,只需確定石墨烯膜的厚度及寬度。根據(jù)熱仿真,確定石墨烯膜的傳熱面積為80 mm2。由于厚度與寬度的改變對熱導率影響不大,結(jié)合導熱帶的振動傳遞關(guān)系,當冷鏈的厚度為7 mm、寬度為11.43 mm時熱端加速度幅值最小,減振效果最好,從而得到理論極優(yōu)的冷鏈形式。
熱導率作為導熱冷鏈最重要的參數(shù),需要對冷鏈熱導率進行測試。實驗室擁有導熱帶熱導率性能測試試驗系統(tǒng),其可測量80 K 溫區(qū)以上導熱帶熱導率。圖11 是導熱率測試示意圖,低溫導熱測試平臺是由制冷機做冷源的低溫物性測量系統(tǒng)。由主加熱器、小屏、熱沉、防輻射屏、真空室、溫度計、測試控制系統(tǒng)等部分組成。將導熱冷鏈產(chǎn)品一端尼龍線懸掛于固定端平臺上,并貼上加熱片。另一端直接與制冷機冷指相連,固定端平臺與杜瓦底部之間采用隔熱材料支撐。冷熱兩端分別安裝有測溫熱電偶。冷鏈的主體長度/截面積通過先前的測試獲得,將杜瓦內(nèi)表面做成白體(或增加輻射屏蔽層)增強其反射率,減小漏熱。通過加熱片施加額定功率,制冷機對冷鏈進行冷卻,使得其冷端維持在恒定溫度。通過測量此時冷熱兩端的溫差,結(jié)合冷鏈長度、截面積等參數(shù),根據(jù)傅里葉穩(wěn)態(tài)導熱定律計算導熱帶的綜合熱導率。
圖11 導熱率測試示意圖Fig.11 Schematic diagram of the thermal conductivity test
導熱冷鏈一端固定在溫度可調(diào)的熱沉上,另一端裝在主加熱器上。在導熱帶試樣的中間部分間隔一定的距離裝上熱電偶溫度計,全部置于真空室中的防輻射屏內(nèi)。在低溫下,當真空度足夠高、溫差足夠小時,側(cè)向氣體漏熱和輻射漏熱均可忽略不計,此時滿足一維軸向熱流的測試條件。測試溫度范圍為80~300 K,真空度低于1×10-3Pa。
測試方法具體為:將電阻片固定在樣品一側(cè),將待測樣品固定到制冷機冷頭上,將溫度計分別固定到樣品兩端,加蓋密封,打開真空泵,當真空度達到1×10-3Pa 時,等待溫度穩(wěn)定,記錄試樣兩端溫度計初始溫差ΔT0,然后輸入一定功率,待溫度穩(wěn)定后記錄兩端溫度,B為熱端,A為冷端;測試功率范圍為0.1~3 W。其中熱端和冷端的溫差,由式(1)表示。
式中,ΔT為熱端和冷端的溫差,TB為熱端的溫度,TA為冷端的溫度,ΔT0為系統(tǒng)的初始溫差。
測量0.1 W 下兩端的溫差是為了測評和抑制漏熱對熱導率的影響。為了盡量減小能量損失對測試結(jié)果的影響,先施加一個小功率0.1 W 的熱沉,得到熱端溫度T2和冷端溫度T1;再施加3 W 的熱沉,得到熱端溫度T4和冷端溫度T3。由于T1、T2與T3、T4之間的相對變化量很小,所以能量損失W可忽略。此外,將兩次不同功率數(shù)據(jù)進行簡化處理,進一步地約化能量損失的影響。
W1、W2本身很小,所以(W1-W2)更小,因此可忽略不計,得到
為了簡便和通用起見,(3)式可在形式上簡化為式(4),據(jù)此可計算出待測樣件的熱導率。表2 為導熱冷鏈低溫下熱導率測試結(jié)果。
表2 冷鏈80 K時傳熱測試結(jié)果Tab.2 Thermal conductivity test results of cold chain at 80 K
此外,測試了在113、194、235 和293 K 溫度下的熱導率。試驗與仿真數(shù)據(jù)進行對比,如圖12 所示。石墨烯膜冷鏈在80 K 時的試驗得到的熱導率為902 W/(m·K),仿真結(jié)果為908.18 W/(m·K),誤差為1%。石墨烯膜導熱帶在293 K 時試驗,得到的熱導率為1 050 W/(m·K),仿真結(jié)果為101 W/(m·K),誤差為4%。上述結(jié)果表明,仿真結(jié)果與實驗系統(tǒng)測試結(jié)果一致性好,滿足預(yù)期要求,也驗證了仿真模型的合理性。
圖12 溫度對熱導率的影響:仿真與實驗結(jié)果對比Fig.12 Effect of temperature on heat conduction with the comparison of simulation and test data
(1)焊料填充對于冷鏈熱導率的提升有著顯著的影響。石墨烯膜長度越小且搭接長度越大,冷鏈熱導率越高。
(2)端頭立柱對冷鏈熱導率影響并不顯著??筛鶕?jù)設(shè)計要求確定端頭立柱的數(shù)量及尺寸。在相同截面積前提下,石墨烯膜的寬度盡量越小、總厚度越大,則減振效果越好。
(3)變溫工況(80~300 K)下石墨烯膜冷鏈熱導率具有隨溫變化特性。隨著溫度升高,石墨烯冷鏈熱導率先增大后減??;熱導率較高且較穩(wěn)定的服役溫區(qū)為110~230 K。