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)

面向空間應(yīng)用的單向微膨脹型熱開關(guān)特性分析

馬明朝1,2郭亮1張旭升1吳清文1

(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)

為了提高探測器等航天器的溫度控制精度，降低熱波動造成的影響,基于金屬的熱脹冷縮原理設(shè)計了一種單向膨脹型熱開關(guān)，利用二維穩(wěn)態(tài)導熱原理進行建模分析，得到熱開關(guān)熱特性參數(shù)。搭建了試驗平臺模擬熱開關(guān)工作環(huán)境，測定不同功率條件下熱開關(guān)的工作狀態(tài)以及相關(guān)性能參數(shù)。當加熱功率為0.4 W時開關(guān)斷開熱阻為230.46 K/W；功率為30 W時開關(guān)的導通熱阻為0.302 2 K/W，開關(guān)控制比為762.6。結(jié)果表明，試驗數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)吻合較好，進一步說明了熱開關(guān)的結(jié)構(gòu)合理性以及適用性。

熱控制；單向微膨脹型；熱開關(guān)；特性參數(shù)；溫度變化；航天器

1 引言

為了解決航天器在軌運行時由于外熱流變化劇烈以及頻繁工作引起的熱控設(shè)計問題，一種熱開關(guān)主動控制方法[1-3]引起了人們的關(guān)注。熱開關(guān)是一種能夠根據(jù)需求控制部件之間熱連接關(guān)系的熱控裝置，具有節(jié)能、可實現(xiàn)溫度自動控制等特點，早在20世紀60年代，國內(nèi)外很多研究機構(gòu)(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(yīng)用到航天器設(shè)備當中[4]。與傳統(tǒng)的散熱裝置相比，熱開關(guān)能夠更好地疏導空間設(shè)備的散熱路徑，無需外加動力，安裝要求相對較低，可根據(jù)散熱需求定制相應(yīng)的結(jié)構(gòu)類型。

傳統(tǒng)的熱開關(guān)類型主要包括接觸式熱開關(guān)[5]、氣隙液隙式熱開關(guān)[6]、場效應(yīng)式熱開關(guān)[7]，由于其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、可實現(xiàn)多次開關(guān)等一系列優(yōu)點,被應(yīng)用于多種空間設(shè)備。美國JPL及衛(wèi)星系統(tǒng)研究公司聯(lián)合研制的應(yīng)用于火星探測器的石蠟型驅(qū)動熱開關(guān)[8]，主要用于在火星惡劣熱環(huán)境下保持蓄電池溫度在-20～30℃，其中熱開關(guān)的熱連接段與驅(qū)動段之間縫隙為1.0 mm，開關(guān)比接近100。美國Swales航天中心研制的一種用于低溫制冷系統(tǒng)的單向微膨脹熱開關(guān)[9]，第一代熱開關(guān)的工作溫度區(qū)間為20～300 K，斷開熱阻可達到1 400 K/W。國內(nèi)中科院理化所的王美芬等研制的一種用于低溫制冷領(lǐng)域的單向微膨脹熱開關(guān)，結(jié)構(gòu)長度在20～40 mm之間，熱開關(guān)閉合熱阻小于1.1 K/W，斷開熱阻大于1 400 K/W，開關(guān)比可達1 281～1 410[10]。以上不同系列的熱開關(guān)針對相應(yīng)熱環(huán)境設(shè)計，解決了特定空間設(shè)備的散熱及溫度控制需求。

本文基于金屬的熱脹冷縮性質(zhì)設(shè)計了一種單向微膨脹型熱開關(guān)，針對其結(jié)構(gòu)進行傳熱性能分析，通過試驗?zāi)M熱開關(guān)的工作環(huán)境，測定了同等試驗條件下的工作狀態(tài)，分析熱開關(guān)的重要性能參數(shù)指標。試驗表明理論分析的結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

2 熱開關(guān)傳熱性能分析

2.1 建模分析

圖1 熱開關(guān)示意

基于微膨脹型熱開關(guān)的工作原理，分析其傳熱特性是設(shè)計該熱控裝置的基礎(chǔ)。設(shè)計的熱開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由冷端、導熱環(huán)、支撐柱三部分組成，其中冷端與熱沉軟連接，導熱環(huán)底部與散熱部件連接。熱開關(guān)工作時，導熱環(huán)由于受到設(shè)備溫度升高影響，發(fā)生線性膨脹與冷端閉合，形成低熱阻導熱通路，從而解決設(shè)備散熱問題。當設(shè)備溫度降低，導熱環(huán)與冷端斷開，熱開關(guān)整體熱阻變大，阻礙設(shè)備散熱，起到保溫作用。依據(jù)二維穩(wěn)態(tài)導熱原理分析熱開關(guān)傳熱性能，一般條件下為了獲得導熱物體溫度場，根據(jù)能量守恒以及傅里葉定律來建立物體中的溫度場分布。針對微元體，按照能量守恒以及任意時間段內(nèi)的熱平衡可以得到三維非穩(wěn)態(tài)導熱微分方程

(1)

結(jié)合設(shè)計的熱開關(guān)結(jié)構(gòu)特性，在熱端起始段、導熱環(huán)及冷端起始段中，導熱過程可簡化為沿軸向的一維導熱模型；由于各安裝面之間存在接觸熱阻，其余部分均采用二維導熱模型。故該二維穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源的導熱微分方程為

(2)

式中r為熱開關(guān)的直徑；T為熱開關(guān)內(nèi)部溫度變化。邊界條件如下：

(3)

式中l(wèi)為熱開關(guān)結(jié)構(gòu)長度；T0為熱開關(guān)熱端初始溫度；T1為導熱環(huán)與冷端接觸溫度。通過建立熱開關(guān)傳熱模型來分析在非穩(wěn)態(tài)情況下，熱開關(guān)內(nèi)部溫度隨時間變化的分布情況，最終確定相應(yīng)時間和溫度條件下，熱開關(guān)的工作狀態(tài)及特性參數(shù)。

2.2 熱阻計算

對熱開關(guān)主體結(jié)構(gòu)進行簡化來計算熱阻分布，如圖2所示。中間支柱的熱阻用Rm,s來表示；Rc,n2-d為冷端與導熱環(huán)的接觸熱阻；Rm,n1-w、Rm,d、Rm,n2-w分別為熱端、導熱環(huán)、冷端的熱阻。由于熱開關(guān)中間支柱與冷端和導熱環(huán)通過螺紋固定，因此在支柱與熱端、冷端都存在一定的接觸熱阻，分別為Rc,s-n1和Rc,s-n2。中間支撐柱的底部熱阻以及與導熱環(huán)相接觸部分的熱阻分別為Rm,n1、Rc,s-n3、Rc,n1。

圖2 熱阻分布示意

(4)

對熱開關(guān)的熱阻模型進一步簡化得到圖3中各熱阻的串并聯(lián)關(guān)系，推導出導通、關(guān)斷狀態(tài)下熱開關(guān)的導通熱阻Ron和切斷熱阻Roff：

(5)

(6)

圖3 熱開關(guān)一維傳熱熱阻模型

基于以上各式，結(jié)合熱開關(guān)各結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)a=2.5 mm，b=25 mm，c=15 mm，d=50 mm，e=10 mm，f=10 mm分別計算各部分熱阻，所得結(jié)果如表1所示。

表1 熱開關(guān)各部分熱阻

通過對熱開關(guān)的熱模型分析，可以得出熱開關(guān)在導通狀態(tài)下的熱阻Ron=0.232 K/W，切斷狀態(tài)下熱阻Roff=293.2 K/W，開關(guān)的控制比達到了1 273，開關(guān)比能夠很好地反映熱開關(guān)的總體性能，是熱開關(guān)重要的特性參數(shù)，控制比越大表明熱開關(guān)能夠達到大的斷開熱阻以及小的閉合熱阻，其性能也就越好。為了進一步驗證熱開關(guān)的特性，設(shè)計一套試驗方案來測試和檢驗熱開關(guān)的性能，將得到的試驗參數(shù)與理論數(shù)值進行對比分析。

3 試驗性能評估

3.1 試驗原理及方法

微膨脹型熱開關(guān)主要由冷端、導熱環(huán)、支撐柱三部分組成，其中冷端和導熱環(huán)都采用導熱系數(shù)較高的1 100鋁合金材料，支撐柱則采用線脹系數(shù)較低并且導熱系數(shù)較小的銦鋼。如圖4所示，整個試驗系統(tǒng)由加熱、數(shù)據(jù)采集、冷卻、隔熱四部分構(gòu)成。熱開關(guān)主要工作狀態(tài)分為以下兩個階段：保溫狀態(tài)下，熱開關(guān)底部導熱環(huán)受熱負載較小，開關(guān)處于切斷狀態(tài)；散熱狀態(tài)下，隨著加熱功率增大導熱環(huán)受到溫度發(fā)生線性膨脹，當導熱環(huán)的線脹程度大于支撐柱時，開關(guān)導通形成散熱通路，熱量通過散熱器和恒溫水箱所構(gòu)成的冷卻系統(tǒng)散失，當導熱環(huán)溫度下降到一定溫度后，開關(guān)自動斷開恢復到節(jié)能保溫狀態(tài)。

為了測定熱開關(guān)在不同負載條件下的工作狀態(tài)，通過改變聚酰亞胺加熱片兩端的電壓值來分別設(shè)定了0.4～30W之間的11個加熱功耗，檢測不同工況條件下熱開關(guān)的熱特性，分析其傳熱性能。為了減小試驗過程中的熱量流失，熱開關(guān)表面包覆一層10mm厚的隔熱材料，試驗結(jié)果表明熱損失為5%。整個試驗過程中熱開關(guān)表面的溫度狀態(tài)主要通過粘貼在其表面的T型熱電偶測得，具體各個測點的位置狀態(tài)如圖4所示，熱電偶1～3測量冷端表面溫度，4～6測量冷端外壁溫度，7～9和10～12分別測定導熱環(huán)外壁表面溫度，13～15測量導熱環(huán)底面溫度。

圖4 試驗平臺

3.2 試驗系統(tǒng)漏熱及效率分析

為了保證試驗的有效性，以得到熱開關(guān)最佳的性能指標，需要對試驗過程中存在的漏熱以及加熱效率進行分析計算。圖5反映了在實際功率條件下熱開關(guān)表面溫度隨負載增大的變化情況，其中ΔT為測點4與測點11的溫度差。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn),試驗過程中由于無法做到完全隔熱導致實際加熱功率小于理論的加熱負載，具體的效率曲線如圖6所示。其中小功率條件下熱量散失較少，負載為0.4W時其加熱效率可達98.90%；隨著溫度升高，加熱效率逐漸下降，當加熱功率為30W時，整個加熱回路的效率為89.16%，實際的加熱功率為26.75W。

為了防止熱量流失，整個熱開關(guān)表面包覆導熱系數(shù)為0.06的隔熱材料，由于隔熱材料外表面接觸空氣，會產(chǎn)生一定的對流換熱，整個熱開關(guān)表面積A=0.013 m2，空氣散失的熱量

(7)

式中A為換熱面；h為對流換熱系數(shù)，空間自然對流情況下一般為2～10；ΔT為固體表面與空氣間的平均溫差，最大為20℃。通過計算可知通過對流散失熱量為Φ=2.6 W。實際加熱功率為27.4W，基本與試驗測定的加熱功率26.75W相符。因此，熱損失對整個試驗造成的影響較小。

圖5 熱開關(guān)表面測點4和11的溫度變化

圖6 不同熱負載下熱開關(guān)的加熱效率

3.3 熱特性結(jié)果分析

熱開關(guān)作為一種傳導式的主動熱控制方法，當設(shè)備的發(fā)熱量較大或者熱沉溫度變化較大時，相應(yīng)改變熱傳導的熱阻，從而將被控設(shè)備的溫度控制在要求的范圍之內(nèi)，其中閉合熱阻、斷開熱阻、開關(guān)比是整個熱開關(guān)的重要特性參數(shù)，是能夠評定其性能和可靠性的主要依據(jù)。熱開關(guān)在整個工作過程中隨著熱負載發(fā)熱量的增大，開關(guān)整體傳導通路熱阻減小，熱量由導熱環(huán)傳導到冷端，增加了熱排散量，使整個熱源的溫度升高得以控制。反之，在熱源的發(fā)熱量減小時切斷導熱通路，通路熱阻變大散熱量減小，從而使整個裝置進入保溫狀態(tài)。

為了測定熱開關(guān)的特性，模擬熱開關(guān)實際工作環(huán)境，設(shè)定不同的加熱負載以得到熱開關(guān)導熱環(huán)底部各測點的平均溫度與熱開關(guān)整體熱阻的變化關(guān)系，具體如表2所示。與導熱環(huán)底部相連的加熱片加熱功率從0.4W逐漸增大到30W，熱開關(guān)整體熱阻值也隨著熱負載增大而逐漸減小，整個試驗過程中，熱開關(guān)狀態(tài)完成了由切斷、切斷/導通、導通的轉(zhuǎn)化。當熱負載為Q=0.4 W時，熱電偶測得導熱環(huán)底部溫度為8.323℃，熱開關(guān)整體熱阻達到R=230.46 K/W，此時熱開關(guān)由于溫度無法達到其閉合條件，所以整體處于切斷狀態(tài)。隨著熱通量增加到Q=10 W時，熱開關(guān)熱阻逐漸減小到R=1.866 4 K/W，導熱環(huán)隨著溫度的增加自身也發(fā)生線脹，此時熱開關(guān)導熱環(huán)端面與冷端端面接近貼合狀態(tài)，開關(guān)還未發(fā)生完全導通。當作為模擬被控設(shè)備溫度的加熱片加熱功率達到Q=30 W時，熱開關(guān)隨著熱源功耗增大發(fā)生導通，導通熱阻為R=0.302 2 K/W。

表2 熱開關(guān)導熱環(huán)溫度及整體熱阻

為了進一步完成熱開關(guān)的性能測試，完成并分析了各功率條件下熱開關(guān)表面溫度狀態(tài)，圖7給出了當熱源負載發(fā)生變化時，熱開關(guān)表面各測點溫度的變化情況，其中測點(熱電偶)1～15分別測定各時刻條件下熱開關(guān)冷端、導熱環(huán)表面溫度。隨著功率負載增大。1～6測溫點的溫度上升趨勢較為緩慢，主要是因為恒溫水槽的溫度設(shè)定為0.5℃，冷端熱量通過散熱器內(nèi)部循環(huán)水將多余熱量散失。7～15測點溫度隨著導熱環(huán)受熱負載增大也逐漸升高，其中測點1～6和7～15的溫度變化相對平穩(wěn)，而測點6和7之間的溫度是非連續(xù)平穩(wěn)的，是由于冷端與導熱環(huán)之間存在0.02mm的縫隙導致的溫度波動不平穩(wěn)，主要用來分析熱開關(guān)的斷開和導通狀態(tài)，隨著功率增加，熱開關(guān)整體溫度上升，當達到10W和15W時，熱開關(guān)有比較明顯的熱啟動趨勢，當功率達到20W和30W時，開關(guān)發(fā)生熱啟動。

試驗過程中，衡量熱開關(guān)特性的一個關(guān)鍵因素就是熱阻，熱阻能夠很好地反映熱開關(guān)的工作狀態(tài)，為了能夠更好地分析熱阻變化情況，在試驗測定時主要是通過熱源負載，測定不同功率條件下導熱環(huán)與冷端的溫度波動，當熱開關(guān)功耗達到平衡狀態(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，圖8所示的熱開關(guān)整體的熱阻變化情況，表明了熱開關(guān)隨著溫度的變化自身熱阻逐漸減小，在溫度達到40℃時熱阻值基本達到最小，開關(guān)達到了導通的狀態(tài)。

圖7 不同熱負載下熱開關(guān)的各測點溫度

圖8 熱開關(guān)在閉合/斷開狀態(tài)下的熱阻

熱開關(guān)的單次動作過程如圖9所示，檢測過程中循環(huán)水與熱源負載同時加載，冷端溫度由于在循環(huán)水持續(xù)作用下溫度一直保持在5℃左右，其中導熱環(huán)熱端和中間段的溫度隨著加熱功率的增大平穩(wěn)上升，當溫度達到熱開關(guān)的閉合溫度時，熱開關(guān)發(fā)生熱啟動導通，此時的閉合溫度為40℃左右，導熱環(huán)上端面與冷端貼合發(fā)生導通，導致整個傳熱路徑的熱阻減小，熱端溫度和導熱環(huán)中間段溫度都會相應(yīng)的下降達到冷端溫度范圍，大約200min之后熱開關(guān)斷開，熱端與冷端的溫度都會相應(yīng)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(guān)的單次循環(huán)可以看出當熱開關(guān)在導通狀態(tài)時，熱端溫度下降速率比冷端要大，溫度下降較快；關(guān)斷狀態(tài)下，通路熱阻較大，冷端的溫度升高速率要低于熱端。

如圖10所示，針對熱開關(guān)的可靠性和一致性進行了多次的循環(huán)試驗，整個試驗過程中熱開關(guān)性能并未發(fā)生退化，開關(guān)的閉合溫度依然能夠達到40℃左右，能夠良好地維持其熱啟動特性。通過對所設(shè)計熱開關(guān)的理論分析與試驗測試，得到了熱開關(guān)整體的特性參數(shù)，具體的性能參數(shù)如表 3所示，其中試驗測定熱阻與設(shè)計熱阻存在一定誤差是因為忽略了輻射換熱的影響以及無法做到完全隔熱。最后，理論與試驗結(jié)果對比表明此裝置能夠較好地達到預(yù)期設(shè)計需求。

圖9 熱開關(guān)單次循環(huán)過程

圖10 熱開關(guān)多次循環(huán)過程

表3 理論設(shè)計與試驗結(jié)果對比

Tab.3Resultscomparisonoftheoreticaldesignandexperiment

項目閉合溫度/℃斷開熱阻/(K·W-1)閉合熱阻/(K·W-1)開關(guān)比閉合時間/min設(shè)計性能37293.20.2321273-試驗性能40230.460.3022762.6150要求性能20～60盡可能大≤1≥1000盡可能短

4 結(jié)束語

綜上所述，本文針對空間設(shè)備的散熱需求以及溫度控制問題，基于材料的線脹系數(shù)不同設(shè)計了一種單向膨脹型熱開關(guān)，它能夠根據(jù)需要自動切斷和導通傳熱通路，可解決頻繁機動或外部環(huán)境變化劇烈的航天器熱控設(shè)計難題，提高空間設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性，同時具備結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、可靠性高等一系列優(yōu)點。模型分析與試驗測試結(jié)果表明，熱開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)自動閉合與斷開動作，并且能夠達到預(yù)期的閉合溫度40℃，當加熱負載為30W時熱開關(guān)的閉合熱阻為0.302 2 K/W，開關(guān)比為762.6，開關(guān)比越大表明性能更好。最后，一系列的循環(huán)試驗表明，熱開關(guān)性能在多次試驗條件下具有較高的一致性和穩(wěn)定性。

未來需要對熱開關(guān)技術(shù)進行更進一步的研究來提高它的性能，使其真正應(yīng)用到空間熱控制系統(tǒng)中。

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(編輯：高珍)

Characteristics Analysis of a One-way Micro Expansion Type Heat Switch for Space Application

MA Mingchao1,2GUO Liang1ZHANG Xusheng1WU Qingwen1

(1 Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and physics,Chinese Academy of Science, Changchun 130033)(2 Graduate University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049)

In order to improve the temperature control precision of the detector and otherspacecraft and reduce the temperature fluctuation accuracy, a one-way micro expansion type heat switch was designed based on thermal expansion and contraction of metal.The characterization parameter was get to analysis the two-dimensional steady-state thermal modeling.Then, an experimental setup was designed to simulate the actual working conditions of thermal switch,and switch operating status and related performance parameters were measured under different heat power. When the power is up to 0.4 W, disconnected resistance is 230.46 K/W.The power is up to 30 W, the closed thermal resistance of switch is 0.302 2 K/W,and switch ratio is 762.6. The results shown the experiment data are in good agreement with the theoretical calculations.

Thermal control; One-way micro-expansion;Heat switch; Characterization parameters;Temperature change;Spacecraft

中國科學院青年創(chuàng)新促進會資助項目

2015-04-28。收修改稿日期：2015-07-24

10.3780/j.issn.1000-758X.2015.06.006

馬明朝 1991年生，2013年畢業(yè)于中國石油大學(北京)機械制造及自動化專業(yè)，現(xiàn)為中科院長春光機所機械制造及其自動化專業(yè)碩士研究生。研究方向為空間遙感器熱控制技術(shù)。