关于一种高纯铝冷链传热性能的试验研究

田大成 练敏隆 叶 翔 孙立达 刘欣彤 王莉娟 王乃亮 赵密广

(1 北京空间机电研究所 北京 100094)

(2 上海卫星工程研究所 上海 201109)

(3 中国科学院理化技术研究所,中国科学院空间功热转换技术重点实验室 北京 100091)

1 引 言

制冷机作为航天遥感领域的关键部件,广泛应用于红外焦面、低温镜筒,为其提供持久稳定的冷量传输[1]。对于某些结构紧凑的遥感相机,制冷机的位置有时会远离被冷却部件。此时通常采用冷链的方式将制冷机的冷量传递给待冷却组件。柔性冷链能够更加灵活地分配冷量、隔绝振动,释放耦合应力[2-3]。同时,由于制冷机中存在运动部件,因此工作过程中不可避免地会产生振动[4]。该振源是卫星在轨状态下影响光学遥感器成像品质的重要振动源之一[5],会引起相机光学元件产生刚体位移和面形变化[6],而柔性冷链可很好得降低微振动对红外探测器的影响。常见的冷链材料包括铜、铝、石墨等,不同温度下最佳柔性冷链材料是不同的,比如80 K 温区无氧铜的热导率最大,其次是石墨材料,铝的热导率最低[7]。同时考虑冷链本身的重量,以热导率比密度值作为衡量标准,热导率比密度值石墨最大,铝其次,铜最差。在40 K 以下温区,通常采用无氧铜或者高纯铜作为柔性冷链材料,但对于一些相机远离制冷机的应用场合,铜冷链长度长,其重量大,对于力学强度产生很大影响,因此本研究探索用铝做冷链材料铝重量仅为铜的1/3,在40 K 以下温区具有广阔应用前景。

2 冷链设计

某相机探测器距离制冷机冷头布置较远,探测器工作在40 K,采用深低温脉冲管制冷机作为冷源,如图1 所示,冷链需要L 型布置,总长度在310 mm,如果采用常规铜材料制作冷链总重量超过1.5 kg,这对冷指力学强度不利,本研究采用铝材料制作冷链重量仅为500 g,大大减轻冷指负担。

AS(Absolut System)公司对不同纯度的铝材料热导率进行了测量,铝纯度越高,其热导率越大[8],铝冷链采用5 N 铝(纯度99.999%)作为冷链材料,该材料在40 K 热导率超过1 000 W/(m·K),按照此热导率对冷链的传热性能进行模拟,如图2 所示,在冷链末端1 W 负载时,两端温差0.47 K。为了验证实际铝冷链产品的性能,采用多片0.05 mm 厚的铝皮进行叠加,铝皮如图3 所示,两侧端头通过真空扩散焊方式进行焊接,该焊接是在一定温度和压力下,使接触面之间的原子相互扩散形成联结的焊接方法,该焊接方式可以有效降低片层之间的温差,增加强度,焊接后冷链如图4 所示。

图2 冷链数值模拟(1 W 负载)Fig.2 Numerical simulation of cold chain (1 W load)

图3 制做铝冷链的材料Fig.3 Material used to make aluminum cold chain

图4 真空扩散焊的冷链Fig.4 Vacuum diffusion welded cold chain

3 高纯铝冷链传热性能测试

为了测试高纯5 N 铝冷链的传热性能,搭建了测试系统,如图5 所示,由脉冲管制冷机提供冷源,该制冷机是中国科学院理化所脉冲管中心研制,其40 K 温区可以获得3 W 以上制冷量[9],将高纯铝冷链与冷指冷头连接,将温度计布置在冷链两端,温度计测量精度0.1 K,同时在冷链末端粘贴模拟负载。

图5 铝冷链传热性能测试系统Fig.5 Test System for heat transfer performance of aluminum cold chain

热导率和温差关系表示成一维稳态热导率公式,即测试冷链两端温差和模拟负载后既可以计算得到热导率。

式中:K为热导率,W/(m·K);A为冷链横截面积,m2;L为冷链长度,m;ΔQ为加热量,W;ΔT为冷链两端温差,K。

测试结果如图6 所示,高纯5 N 铝冷链在40K 温区热导率可以达到950 W/(m·K),接近铝材料本身热导率,达到使用效果。

图6 铝冷链热导率测试Fig.6 Thermal conductivity test for aluminum cold chain

4 振动验证

为了验证铝冷链的力学强度,本研究做了12.8 g随机力学和6 g 正弦量级试验验证,振动现场图如图7所示,冷链一端与制冷机冷指连接,另一端采用支撑固定,振动曲线如图8 和图9 所示,CH1 传感器安装到振动底板上,为振动量级输入位置,CH2 传感器安装在冷指工装安处,CH3 传感器安装在冷头与冷链耦合处。从振动响应看,在100 Hz 以内无放大,冷链处最大响应19.7 g,冷链在振动后检查外观无任何破损,传热性能复测后与振动前一致,满足力学强度要求。

图7 振动试验安装图Fig.7 Installation diagram of vibration test

图8 随机振动试验结果Fig.8 Results of random vibration test

图9 正弦振动试验结果Fig.9 Results of sinusoidal vibration test

5 结 论

本研究设计了高纯5 N 铝材料冷链,采用真空扩散焊接将铝皮层间焊接,减小层间漏热,对该冷链传热性能进行测试,在40 K 温区热导率达到950 W/m·K,具有良好导热特性,重量仅为铜材料的1/3,冷链通过12.8 g 随机振动和6 g 正弦振动试验,力学强度高,适用于40 K 温区探测器远离制冷机的应用场合。