CN103008041A

CN103008041A - 一种具有较高温度分布均匀性的铝制立式热沉装置

Info

Publication number: CN103008041A
Application number: CN2012105097305A
Authority: CN
Inventors: 王新升; 黄海; 周开兴; 李博; 马海波; 戴勇超
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-12-03
Also published as: CN103008041B

Abstract

一种具有较高温度分布均匀性的铝制立式热沉装置，该热沉装置由翅片管阵列面、金属波纹软管、多层隔热材料和温度采集系统组成；八个460mm x1160mm翅片管阵列面组成八棱柱形侧面；两个1120mm x 1200mm翅片管阵列面分别为热沉装置的顶面和底面；金属波纹软管连接上述各面使整个热沉装置内腔成为一体；温度采集系统中的热敏电阻贴在热沉装置的外表面；多层隔热材料则包覆在装置的最外面。本发明具有温度分布均匀性好；冷却效果好，降温速度快；小型化、低成本，运行维护方便等优点。它在航天技术领域里具有较好的实用价值和应用前景。

Description

一种具有较高温度分布均匀性的铝制立式热沉装置

技术领域

本发明涉及一种具有较高温度分布均匀性的铝制立式热沉装置，它应用于微小卫星空间环境模拟试验，属于航天技术领域。

背景技术

航天器长期工作在复杂的空间环境中，太阳辐照、真空冷黑和电磁辐射等恶劣环境严重威胁着航天器的安全和飞行任务的完成。因此，研制新型号航天器时必须在地面进行充分的环境模拟试验，通过试验发现隐患、改进设计、避免早期失效，从而提高航天器的可靠性。其中最主要是在地面上模拟空间热环境条件进行真空热试验，热沉装置则是真空热试验中最主要的设备之一。

在微小型航天器中，微小卫星占有重要地位，它以现代科技为核心，重量轻、体积小、成本低、功能配置灵活，兼有“快、好、省”等特点，已经在民用通信、遥感气象、地球科学、空间科学、行星探测、技术验证等领域得到了广泛应用，其在商业和军事方面的重要应用更是成为各国致力发展和研究的重点。

与大型航天器一样，在研制微小卫星的过程中，也需要进行充分的空间环境试验来改进设计提高可靠性。由于微小卫星的重量和体积比大型航天器小得多，传统的空间环境模拟试验设备显然不适用于微小卫星的环境试验。因此需要有针对性地设计低成本小型空间环境模拟试验设备以满足试验需求。

完整的空间环境模拟试验系统一般应包括真空罐、热沉装置、加热装置，分别实现真空、低温和黑背景、空间外热流等空间环境条件的模拟。为模拟空间的冷黑环境，通常用铝、铜或不锈钢制成冷却构件，内通液氮、液氦等冷却介质，内表面喷涂黑漆以提高发射率，这种装置称为热沉装置。热沉装置常见的结构形式有立式和卧式两种。立式结构具有使用液氮时不易产生气堵、结构受力合理等优点，目前国内大型空间环境模拟器的热沉装置大多采用立式结构。

温度分布均匀性是热沉装置设计制造的一个重要技术指标，热沉装置的温度分布均匀性越好，对空间冷黑环境的模拟就越充分，航天器的空间环境模拟试验结果就越可靠。传统的大型空间环境模拟器的热沉装置由于尺寸大、结构复杂、安装方式受限等因素，很难有针对性地在设计上提高整体温度分布均匀性。

发明内容

本发明是应用于微小卫星空间环境模拟试验的一种具有较高温度分布均匀性的铝制立式热沉装置，该热沉装置由翅片管阵列面、金属波纹软管、多层隔热材料和温度采集系统组成。如图1所示，它们之间的位置连接关系是：八个翅片管阵列面组成八棱柱形侧面；两个翅片管阵列面分别为热沉装置的顶面和底面；金属波纹软管连接上述各面使整个热沉装置内腔成为一体；温度采集系统中的热敏电阻贴在热沉装置的外表面；多层隔热材料则包覆在装置的最外面。

所述翅片管阵列面是由铝翅片管和圆铝管连接而成，见图2、图6、图7，分为顶面、底面和侧面三个部分，顶面是出液汇总的圆铝管，底面是进液汇总的圆铝管，侧面是竖直分布的铝翅片管。各翅片管阵列面以圆铝管为液氮总管，铝翅片管为液氮支管，统称为局部并联式腔体；而顶面、底面和侧面由金属波纹软管连接成为一体，成为总体的串联式腔体。本发明通过总体串联、局部并联的方式确保液氮在热沉装置的内部均匀、顺畅地流动，进而有效提高了热沉装置整体温度分布的均匀性。

所述金属波纹软管是型号为XJR10L1的金属波纹软管及相关管路连接件。该金属软管按GB/T14525-93要求生产，使用温度为-196~+200摄氏度，P气密度为2.5MPa，P强度为3.75MPa。管路之间的连接方式为球头-锥面-螺纹连接，密封性好、抗扭能力和承压能力强、连接灵活可靠，能有效地保证热沉装置内部腔体的连通性和密闭性。

所述多层隔热材料是由若干层轻质铝箔纸和网状涤纶纱布交叠缝制而成，成本低廉，制作简单。多层隔热材料的使用，减小了热沉装置与外界的热辐射面积，进一步隔绝了热沉装置内外的辐射热交换。此外，多层隔热材料与翅片管阵列面之间的热辐射起到了提高热沉装置整体温度分布均匀性的作用。

所述温度采集系统是由热敏电阻、AD数据采集卡和AVR单片机组成，它们之间的位置连接关系是：热敏电阻贴在热沉装置外表面，AD数据采集卡和AVR单片机组装成一体统称为数据采集单元，都安装在多层隔热材料外面，热敏电阻通过低阻抗导线与数据采集单元相连，每个数据采集单元对应16个热敏电阻。该热敏电阻是型号为PT1000的铂电阻，其测温范围为-200~+500摄氏度，在极限温度下，其测量精度为±2摄氏度，完全满足热真空试验要求。它灵敏度高、体积小、响应速度也快，并兼有价格低廉、安装使用方便等优点；该AD数据采集卡是自主研制的通用AD数据采集卡，它用来实时测量热敏电阻的阻值，具有6组共48个12bit采集通道；该16位单片机是AVR M16开发板，它用来进行从电阻值到温度值的换算，并通过串口实时输出各测点的温度值。本系统是热沉装置的状态监测系统。它具有通道数量多、采集精度高等优点，能够实时输出环境试验中热沉装置的温度状态数据。

其中，该八个翅片管阵列面的外形尺寸是460mm x 1160mm；

其中，该两个翅片管阵列面的外形尺寸是1120mm x 1200mm；

其中，该热敏电阻的数量是48个；

其中，该数据采集单元的数量是3个。

下面介绍热沉装置的详细设计方案，首先说明热沉装置主体的设计。热沉装置主体由圆铝管和铝翅片管两大部分组成。铝翅片管作为热沉装置支管，直接承受卫星真空热试验中的辐射热负荷，并将此热负荷传导给支管腔内的液氮。从热设计来看，铝翅片管的管壁越薄，翅片厚度越大，对带走热负荷越有利；但从结构强度考虑，管壁不能太薄，翅片也不宜太厚，以减轻质量提高强度。圆铝管作为热沉装置的总管，焊接在翅片管的两端，起到两个作用：一是固定和定位翅片管，二是汇集支管腔内的液氮。从这两个功能上考虑，圆铝管的内径和壁厚都应该取大点比较好，此外，较大的内径和壁厚便于支管和总管的焊接操作，同时能提高结构强度。在实际加工制造时，将热沉装置整体分解成为十个独立的部分来加工，各部分都由两根总管和若干根支管焊接而成，称为翅片管阵列面。这十个翅片管阵列面中面积较大的两个分别作为热沉装置的上下面，而作为热沉装置侧面的其余八个面积较小的翅片管阵列面则构成一个八棱柱形，整个热沉装置结构呈改进式的鼠笼型。

另外，上下面如果水平放置，则其中的液氮流动容易产生气堵，影响热沉装置的降温效果和温度均匀性。因此设计使用两个框架来分别支持顶面和底面，使整个铝管面产生一定的倾斜角度，两个汇总管在竖直方向有一定的高度差，液氮从下部流入上部流出，这样就可以避免气堵的问题。

由于翅片管外形较为复杂，不方便进行机械抛光，所以为了保证其表面粗糙度参数——轮廓算术平均偏差Ra的最大允许值为1.6微米，在焊接工作完成后还要进行化学清洗。而为了达到模拟黑体的目的，热沉装置的内表面必须进行黑化工艺处理。具体的黑化指标如下：

(1)发射率大于0.90；

(2)出气率小于9x10-6Pa L/(cm2s)，10h后小于10-7Pa L/(cm2s)；

(3)真空下长期耐-196~+150摄氏度的交变温度；

(4)黑色附着力强，耐清洗腐蚀。

如上所述，热沉装置的上下面和侧面构成了热沉装置的主体，液氮在热沉装置主体内腔流动。液氮在热沉装置内的流动方式，可以用“局部并联，总体串联”来描述。即从局部来看，液氮在热沉装置的底面、侧面和顶面分别都是并联流动的；而从总体来看，液氮在整个热沉装置的流动是从底面到侧面再到顶面串联流动的。这种液氮流动方式不易产生气堵，有利于提高热沉装置整体温度的均匀性。

除了热沉装置主体，液氮的流通管路还包括另外三个部分：从液氮罐经由真空舱壁输送到热沉装置（进液总管）、热沉装置内部各面之间的相互连接、从热沉装置经由真空舱输送到真空舱外（出液总管）这三部分。这些液氮管路除了要有足够高的密封性外，还必须能在低温下正常工作，普通的管路往往不能同时胜任这两项要求。本发明使用型号为XJR10L1的金属波纹软管及相关管路连接件，试验运行结果表明其工作状况良好。

在微小卫星的空间环境模拟试验中，由于真空度的要求，热沉装置与外界的热量交换方式以热辐射为主。为了减小热量交换导致的热沉装置温度上升，本发明装置采用在热沉装置外表面包覆多层隔热材料的方式来尽可能地减小热沉装置与外界的热辐射面积。多层隔热材料由若干层轻质铝箔纸和网状涤纶纱布交叠缝制而成。

优点及功效：

本发明一种具有较高温度分布均匀性的铝制立式热沉装置，其主要优点是：

(1)温度分布均匀性好。传统的热沉装置其壁板翅片的横截面为图10a所示的直线型，难以做到光学上的完全屏蔽，从而导致热沉装置内外存在少量的辐射热交换。而本发明的热沉装置翅片的横截面则是如图10b所示的折线型，在翅片管间距小于门限值时，可以达到光学上的完全屏蔽，从而彻底隔绝热沉装置内外的辐射热交换，进而提高了热沉装置整体的温度分布均匀性。

(2)冷却效果好，降温速度快。本热沉装置的冷却方式采用的是开式沸腾液氮系统，该冷却方式完全依靠液氮的沸腾吸热来带走热量，液氮为一次性使用，无需再耗费其它能源，简单可靠、冷却效果好、降温速度快。

(3)小型化、低成本，运行维护方便。为了适应微小卫星空间环境模拟试验的需要，本热沉装置做到了小型化，其材料普通、工艺成熟、结构简单，大大降低了研制成本。在实际应用中，本热沉装置操作方便，运行稳定，效果良好，所需维护工作很少。

附图说明

图1为铝制立式热沉装置的组成示意图

图2为立式热沉装置结构示意图：进液汇总管在下，出液汇总管在上，支管竖直分布

图3为卧式热沉装置结构示意图：汇总管为水平管，亦为下进上出，支管肋条式分布

图4表示热沉装置的壁板形式：翅片管斜置排列

图5是开式沸腾液氮系统的工作原理示意图

图6是本发明中热沉装置侧面的翅片管阵列面结构图（翅片未画出）

图7是本发明中热沉装置上下面的翅片管阵列面结构图（翅片未画出）

图8a表示的是金属波纹软管接头的圆锥面

图8b表示的是金属波纹软管接头的球头面

图9表示的是多层隔热材料的分层结构

图10a为传统热沉装置壁板翅片的横截面为直线型

图10b为本发明热沉装置壁板翅片的横截面为折线型

图中符号说明如下：

(1)翅片管阵列面；(2)金属波纹软管；(3)多层隔热材料；(4)温度采集系统。

具体实施方式

如图1所示，本发明是一种应用于微小卫星空间环境模拟试验的具有较高温度分布均匀性的铝制立式热沉装置，该热沉装置由翅片管阵列面(1)、金属波纹软管(2)、多层隔热材料(3)和温度采集系统(4)组成。它们之间的位置连接关系是：8个460mm x 1160mm的翅片管阵列面(1)组成八棱柱形侧面；两个1120mm x 1200mm的翅片管阵列面(1)分别为热沉装置的顶面和底面；金属波纹软管(2)连接各面使整个热沉装置内腔成为一体；温度采集系统(4)中的热敏电阻贴在热沉装置的外表面；多层隔热材料(3)则包覆在装置最外面。

所述翅片管阵列面(1)是由铝翅片管和圆铝管连接而成，见图2、图6、图7，分为顶面、底面和侧面三个部分，顶面是出液汇总的圆铝管，底面是进液汇总的圆铝管，侧面是竖直分布的铝翅片管。各翅片管阵列面以圆铝管为液氮总管，铝翅片管为液氮支管，统称为局部并联式腔体；而顶面、底面和侧面由金属波纹软管连接成为一体，成为总体的串联式腔体。本发明通过总体串联、局部并联的方式确保液氮在热沉装置的内部均匀、顺畅地流动，进而有效提高了热沉装置整体温度分布的均匀性。

所述金属波纹软管(2)是型号为XJR10L1的金属波纹软管及相关管路连接件。该金属波纹软管(2)按GB/T14525-93要求生产，使用温度为-196~+200摄氏度，P气密度为2.5MPa，P强度为3.75MPa。管路之间的连接方式为球头-锥面-螺纹连接，密封性好、抗扭能力和承压能力强、连接灵活可靠，能有效地保证热沉装置内部腔体的连通性和密闭性。

所述多层隔热材料(3)是由若干层轻质铝箔纸和网状涤纶纱布交叠缝制而成，成本低廉，制作简单。多层隔热材料(3)的使用，减小了热沉装置与外界的热辐射面积，进一步隔绝了热沉装置内外的辐射热交换。此外，多层隔热材料(3)与翅片管阵列面之间(1)的热辐射起到了提高热沉装置整体温度分布均匀性的作用。

所述温度采集系统(4)是由热敏电阻、AD数据采集卡和AVR单片机组成，它们之间的位置连接关系是：48个热敏电阻贴在热沉装置外表面，AD数据采集卡和AVR单片机组装成一体统称为数据采集单元，这样的数据采集单元一共有3个，都安装在多层隔热材料(3)外面，热敏电阻通过低阻抗导线与数据采集单元相连，每个数据采集单元对应16个热敏电阻。该热敏电阻是型号为PT1000的铂电阻，其测温范围为-200~+500摄氏度，在极限温度下，其测量精度为±2摄氏度，完全满足热真空试验要求。它灵敏度高、体积小、响应速度也快，并兼有价格低廉、安装使用方便等优点；该AD数据采集卡是自主研制的通用AD数据采集卡，它用来实时测量热敏电阻的阻值，具有6组共48个12bit采集通道；该16位单片机是AVR M16开发板，它用来进行从电阻值到温度值的换算，并通过串口实时输出各测点的温度值。本系统是热沉装置的状态监测系统。它具有通道数量多、采集精度高等优点，能够实时输出环境试验中热沉装置的温度状态数据。

(1)如图2所示，本发明中的热沉装置整体结构为立式结构；

(2)如图5所示，本发明中的热沉装置采用开式沸腾液氮系统；

(3)如图4所示，为了达到光学密封的效果，以防止辐射漏热，翅片管定位角度为：翅片平面与圆管横截面平面的夹角为60度；

(4)如图6所示，热沉装置侧面的单个棱柱面由两根460mm长的圆铝管和17根1m长的铝合金翅片管焊接而成，支管间距为26mm，为了在焊接时保证翅片的角度定位，需要特制的定位夹具辅助加工；

(5)热沉装置侧面由8个单面组成八棱柱形，其最大外接圆直径为1.25m，高度为1.16mm；

(6)如图7所示，热沉装置的上下面结构相同，由2根长度为1.12m的圆铝管和43根1.2m长的翅片管焊接而成，翅片管的排布间距、定位角度和侧面相同，其平面包络尺寸为1.20m x 1.15m；

(7)为了避免水平放置时液氮堵塞导致的热沉装置降温效果和温度均匀性下降，热沉装置的上下面各用一个由角钢焊接而成的框架支持，使之有一定的倾斜度；

(8)如图8a、图8b所示，热沉装置的金属波纹软管接头处采用球头-锥面连接方式，密封性好、抗扭能力和承压能力强、连接灵活可靠，能有效地保证热沉装置内部腔体的连通性和密闭性；

(9)如图9所示，多层隔热材料由若干层轻质铝箔纸和网状涤纶纱布交叠缝制而成，不仅

能屏蔽绝大部分热辐射，同时也能大比例隔绝热传导漏热；

(10)热敏电阻PT1000的安装方式为：用导热硅胶将其头部和引脚粘贴在被测表面上，再在表面覆盖一层聚酰亚胺胶带；

图3为卧式热沉装置结构示意图，汇总管为水平管，为下进上出、支管肋条式分布。

图10a为传统热沉装置壁板翅片的横截面为直线型；图10b为本发明热沉装置壁板翅片的横截面为折线型。

Claims

1.一种具有较高温度分布均匀性的铝制立式热沉装置，其特征在于：该热沉装置由翅片管阵列面、金属波纹软管、多层隔热材料和温度采集系统组成；八个翅片管阵列面组成八棱柱形侧面；两个翅片管阵列面分别为热沉装置的顶面和底面；金属波纹软管连接上述各面使整个热沉装置内腔成为一体；温度采集系统中的热敏电阻贴在热沉装置的外表面；多层隔热材料则包覆在装置的最外面；

所述翅片管阵列面是由铝翅片管和圆铝管连接而成，分为顶面、底面和侧面三个部分，顶面是出液汇总的圆铝管，底面是进液汇总的圆铝管，侧面是竖直分布的铝翅片管；各翅片管阵列面以圆铝管为液氮总管，铝翅片管为液氮支管，统称为局部并联式腔体；而顶面、底面和侧面由金属波纹软管连接成为一体，成为总体的串联式腔体；它通过总体串联、局部并联的方式确保液氮在热沉装置的内部均匀、顺畅地流动，进而有效提高了热沉装置整体温度分布的均匀性；

所述金属波纹软管是型号为XJR10L1的金属波纹软管及相关管路连接件，管路之间的连接方式为球头-锥面-螺纹连接，密封性好、抗扭能力和承压能力强，能有效地保证热沉装置内部腔体的连通性和密闭性；

所述多层隔热材料是由复数层轻质铝箔纸和网状涤纶纱布交叠缝制而成，多层隔热材料的使用，减小了热沉装置与外界的热辐射面积，进一步隔绝了热沉装置内外的辐射热交换；

所述温度采集系统是由热敏电阻、AD数据采集卡和AVR单片机组成，热敏电阻贴在热沉装置外表面，AD数据采集卡和AVR单片机组装成一体统称为数据采集单元，都安装在多层隔热材料外面，热敏电阻通过低阻抗导线与数据采集单元相连，每个数据采集单元对应16个热敏电阻；该热敏电阻是型号为PT1000的铂电阻；该AD数据采集卡是自主研制的通用AD数据采集卡，它用来实时测量热敏电阻的阻值，具有6组共48个12bit采集通道；该16位单片机是AVR M16开发板，它用来进行从电阻值到温度值的换算，并通过串口实时输出各测点的温度值。

2.根据权利要求1所述的一种具有较高温度分布均匀性的铝制立式热沉装置，其特征在于：该八个翅片管阵列面的外形尺寸是460mm x 1160mm。

3.根据权利要求1所述的一种具有较高温度分布均匀性的铝制立式热沉装置，其特征在于：该两个翅片管阵列面的外形尺寸是1120mm x 1200mm。

4.根据权利要求1所述的一种具有较高温度分布均匀性的铝制立式热沉装置，其特征在于：该热敏电阻的数量是48个。

5.根据权利要求1所述的一种具有较高温度分布均匀性的铝制立式热沉装置，其特征在于：该数据采集单元的数量是3个。