CN103486784A - 大功率星载斯特林制冷机热控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大功率星载斯特林制冷机热控制系统，压缩机以及膨胀机与电加热器和热敏电阻之间均卡紧并导热安装，压缩机支架的上端面与制冷机安装基座导热安装，压缩机支架的下端面与压缩机支架热管的一端外贴连接，压缩机支架热管的另一端与对地散热板外贴导热安装；膨胀机支架的上端面与制冷机安装基座导热安装，膨胀机支架的下端面与膨胀机支架热管的一端外贴连接，膨胀机支架热管的另一端与向阳散热板外贴导热安装；环路热管与向阳散热板导热安装。本发明结合主动控温和被动控温的技术手段，在散热面不足的情况下，利用向阳面散热，并使用环路热管主动调节温度，解决了斯特林制冷机在卫星上恶劣环境下的大功率散热问题。

Description

大功率星载斯特林制冷机热控制系统

技术领域

本发明涉及航天器热控技术领域，具体是一种大功率星载斯特林制冷机热控制系统。

背景技术

遥感卫星红外相机的探测器工作温度要求达到100K，采用相机内部安装大功率斯特林制冷机提供冷量的方案给制冷机自身散热提出了新的挑战。星载斯特林制冷机有发热量大，控温要求高，长时间工作等特点，尤其是在相机安装位置不佳导致的散热面不足的恶劣条件下，传统的被动热控手段己无法满足任务需求。目前现有的热控手段一般是在斯特林制冷机上安装铜带或热管把热量传导到辐冷板上排散，该方案原理简单，但不适用于恶劣环境下控温和长距离热量排散，铜带或热管的安装也存在丁程可实现性问题，而且不具备温度主动调节能力。因此，设计一种高适应能力的斯特林制冷机热控制系统对解决制冷机在恶劣环境下散热问题意义重大。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种大功率星载斯特林制冷机热控制系统。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种大功率星载斯特林制冷机热控制系统，包括压缩机及其支架、膨胀机及其支架、制冷机安装基座、压缩机支架热管、对地散热板、膨胀机支架热管、向阳散热板、环路热管、电加热器以及热敏电阻，所述压缩机与电加热器和热敏电阻之间以及膨胀机与电加热器和热敏电阻之间均卡紧并导热安装，压缩机支架的上端面与制冷机安装基座导热安装，压缩机支架的下端面与压缩机支架热管的一端外贴连接，压缩机支架热管的另一端与对地散热板外贴导热安装；所述膨胀机支架的上端面与制冷机安装基座导热安装，膨胀机支架的下端面与膨胀机支架热管的一端外贴连接，膨胀机支架热管的另一端与向阳散热板外贴导热安装；所述环路热管与向阳散热板导热安装。

优选地，所述热敏电阻安装在压缩机和膨胀机的外壳表面，用于测量斯特林制冷机温度，提供主动加热回路温度反馈信号。

优选地，所述电加热器为聚酰亚胺薄膜电加热器，并通过GD414硅橡胶粘贴于压缩机和膨胀机的外壳体上，用于控制斯特林制冷机温度。

优选地，所述压缩机支架呈对称的C字环结构，压缩机支架的外表面为水平端面，对称的C字环结构的内径与压缩机发热部件相适配；所述压缩机支架采用经过退火处理的2A12，压缩机支架的表面设有铝合金黑色阳极氧化层。

优选地，所述导热安装为：在安装表面填充导热硅脂或铟箔。

优选地，所述膨胀机支架与膨胀机支架热管之间的外贴连接包括轴向压紧接触和径向导热接触，膨胀机支架的上下表面均为水平端面，膨胀机支架采用经过退火处理的2A12，膨胀机支架的表面设有铝合金黑色阳极氧化层。

优选地，所述制冷机安装基座采用经过退火处理的2A12铝合金，制冷机安装基座的表面设有铝合金黑色阳极氧化层，所述铝合金黑色阳极氧化层的厚度大于10mm。

优选地，所述压缩机支架热管和膨胀机支架热管均为Ω形Φ10单孔铝氨热管，所述单孔铝氨热管外表面设有热控涂层。

优选地，所述热控涂层为S781热控白漆。

优选地，所述对地散热板和向阳散热板均为3mm厚2A12铝合金，对地散热板和向阳散热板的外表面均设有热控涂层，对地散热板和向阳散热板的内表面均包覆多层隔热组件；其中：

－对地散热板的外表面设有S781热控白漆或铈玻璃镀银二次表面镜；

－向阳散热板的外表面设有铈玻璃镀银二次表面镜；

所述多层隔热组件的最外层为25μm聚酰亚胺黑膜，中间层为15层由一层20d锦纶丝网和一层6μm双面镀铝聚酯薄膜组成的多层单元，最内层为25μm聚酰亚胺膜。

优选地，所述对地散热板和向阳散热板均通过多层隔热组件与整机隔热安装；所述隔热安装为：使用5mm厚玻璃钢垫片衬于与整机的安装面之间，并通过螺钉固定。

优选地，所述环路热管包括调温加热器以及相互连接的蒸发器、辐射器、储液器、致冷器和防冻加热器，其中，所述蒸发器、辐射器以及储液器之间通过管路连接，所述调温加热器缠绕在管路的外表面。

优选地，所述蒸发器包括固定连接的毛细芯和铝合金鞍座，蒸发器的外表面包覆多层隔热组件，并与向阳散热板导热安装；所述管路为Φ3×0.5不锈钢管，调温加热带外部包覆多层隔热组件。

本发明根据卫星红外遥感类相机中大功率斯特林制冷机的散热需求，提出了一种大功率星载斯特林制冷机热控制系统，该系统克服了斯特林制冷机圆柱形大功率发热区域热控设计的难点，结合主动控温和被动控温的技术手段，在散热面不足的情况下，利用向阳面散热，并使用环路热管主动调节温度，解决了斯特林制冷机在卫星上恶劣环境下的大功率散热问题。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、采用了高导热制冷机支架设计，解决了热量扩散和热管安装的工程性问题，增大了热管接触面积，降低了接触热阻，提高了热传输效率；

2、采用了向阳面散热结合环路热管调温的技术方案，解决了星载大功率斯特林制冷机在星上恶劣环境下的热控问题；

3、采用了环路热管传输热量，提高了系统主动控温及远距离传输热量的能力；

4、系统冗余充分，可靠度高，适用于航天器热控制。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明局部结构放大图；

图中：1为压缩机支架，2为膨胀机支架，3为制冷机安装基座，4为压缩机支架热管，5为对地散热板，6为膨胀机支架热管，7为向阳散热板，8为环路热管，9为电加热器，10为热敏电阻。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

请同时参阅图1和图2。

本实施例提供了一种大功率星载斯特林制冷机热控制系统，包括压缩机及其支架、膨胀机及其支架、制冷机安装基座、压缩机支架热管、对地散热板、膨胀机支架热管、向阳散热板、环路热管、电加热器以及热敏电阻，所述压缩机与电加热器和热敏电阻之间以及膨胀机与电加热器和热敏电阻之间均卡紧并导热安装，压缩机支架的上端面与制冷机安装基座导热安装，压缩机支架的下端面与压缩机支架热管的一端外贴连接，压缩机支架热管的另一端与对地散热板外贴导热安装；所述膨胀机支架的上端面与制冷机安装基座导热安装，膨胀机支架的下端面与膨胀机支架热管的一端外贴连接，膨胀机支架热管的另一端与向阳散热板外贴导热安装；所述环路热管与向阳散热板导热安装。

进一步地，所述热敏电阻安装在压缩机和膨胀机的外壳表面，用于测量斯特林制冷机温度，提供主动加热回路温度反馈信号。

进一步地，所述电加热器为聚酰亚胺薄膜电加热器，并通过GD414硅橡胶粘贴于压缩机和膨胀机的外壳体上，用于控制斯特林制冷机温度。

进一步地，所述压缩机支架呈对称的C字环结构，压缩机支架的外表面为水平端面，对称的C字环结构的内径与压缩机发热部件相适配；所述压缩机支架采用经过退火处理的2A12，压缩机支架的表面设有铝合金黑色阳极氧化层。

进一步地，所述导热安装为：在安装表面填充导热硅脂或铟箔。

进一步地，所述膨胀机支架与膨胀机支架热管之问的外贴连接包括轴向压紧接触和径向导热接触，膨胀机支架的上下表面均为水平端面，膨胀机支架采用经过退火处理的2A12，膨胀机支架的表面设有铝合金黑色阳极氧化层。

进一步地，所述制冷机安装基座采用经过退火处理的2A12铝合金，制冷机安装基座的表面设有铝合金黑色阳极氧化层，所述铝合金黑色阳极氧化层的厚度大于10mm。

进一步地，所述压缩机支架热管和膨胀机支架热管均为Ω形Φ10单孔铝氨热管，所述单孔铝氨热管外表面设有热控涂层。

进一步地，所述热控涂层为S781热控白漆。

进一步地，所述对地散热板和向阳散热板均为3mm厚2A12铝合金，对地散热板和向阳散热板的外表面均设有热控涂层，对地散热板和向阳散热板的内表面均包覆多层隔热组件；其中：

一对地散热板的外表面设有S781热控白漆或铈玻璃镀银二次表面镜；

一向阳散热板的外表面设有铈玻璃镀银二次表面镜；

所述多层隔热组件的最外层为25μm聚酰亚胺黑膜，中间层为15层由一层20d锦纶丝网和一层6μm双面镀铝聚酯薄膜组成的多层单元，最内层为25μm聚酰亚胺膜。

进一步地，所述对地散热板和向阳散热板均通过多层隔热组件与整机隔热安装；所述隔热安装为：使用5mm厚玻璃钢垫片衬于与整机的安装面之间，并通过螺钉固定。

进一步地，所述环路热管包括调温加热器以及相互连接的蒸发器、辐射器、储液器、致冷器和防冻加热器，其中，所述蒸发器、辐射器以及储液器之间通过管路连接，所述调温加热器缠绕在管路的外表面。

进一步地，所述蒸发器包括固定连接的毛细芯和铝合金鞍座，蒸发器的外表面包覆多层隔热组件，并与向阳散热板导热安装；所述管路为Φ3×0.5不锈钢管，调温加热带外部包覆多层隔热组件。

具体为，

一种大功率星载斯特林制冷机热控制系统，包括压缩机支架、膨胀机支架、制冷机安装基座、压缩机支架热管、对地散热板、膨胀机支架热管、向阳散热板、环路热管、电加热器、热敏电阻。所述压缩机支架呈对称的C字环结构，通过螺钉卡紧压缩机发热区域与其导热安装，上端面与制冷机安装基座导热安装，下端面外贴2根压缩机支架热管，所述膨胀机支架与膨胀机发热面导热安装，上端面与制冷机安装基座导热安装，下端面外贴2根膨胀机支架热管，所述制冷机安装基座与压缩机支架和膨胀机支架导热固连，所述压缩机支架热管的一端与压缩机支架外贴导热安装，另一端与对地散热板外贴导热安装，热管外表面施加热控涂层，所述对地散热板局部安装压缩机支架热管，外表面施加热控涂层，内表面包覆多层隔热组件，与整机隔热安装，所述膨胀机支架热管的一端与膨胀机支架外贴导热安装，另一端与向阳散热板外贴导热安装，热管外表面施加热控涂层，所述向阳散热板局部安装膨胀机支架热管和环路热管的蒸发器，外表面施加热控涂层，内表面包覆多层隔热组件，与整机隔热安装，所述环路热管的蒸发器与向阳散热板导热安装，辐射器安装在卫星背阳面，之间通过管路连接，所述电加热器安装在压缩机和膨胀机的外壳表面，用于控制斯特林制冷机温度，控温阈值设在-5～+5℃，所述热敏电阻安装在压缩机和膨胀机的外壳表面，用于测量斯特林制冷机温度，提供主动加热回路温度反馈信号。

进一步地，所述压缩机支架内表面为C字环结构，半径与压缩机发热区域圆柱段匹配，外表面为水平端面，用于支架自身安装和热管安装，支架材料为2A12铝合金(退火状态)，支架表面为铝合金黑色阳极氧化表面。

进一步地，所述压缩机发热区域的发热量大于45W。

进一步地，所述导热安装为安装表面填充导热硅脂或铟箔。

进一步地，所述膨胀机支架与膨胀机支架热管之问存在轴向压紧接触和径向导热接触，上下表面为水平端面，用于支架自身安装和热管安装，支架材料为2A12铝合金(退火状态)，支架表面为铝合金黑色阳极氧化表面。

进一步地，所述膨胀机发热面的发热量大于50W。

进一步地，所述制冷机安装基座材料为2A12铝合金(退火状态)，表面为铝合金黑色阳极氧化表面，厚度大于10mm。

进一步地，所述压缩机支架热管为Ω形Φ10单孔铝氨热管，外表面热控涂层为S781热控白漆。

进一步地，所述对地散热板为3mm厚金属板，材料为2A12铝合金，外表面热控涂层为S781热控白漆或铈玻璃镀银二次表面镜。

进一步地，所述多层隔热组件最外层为25μm聚酰亚胺黑膜，中间层为15层由一层20d锦纶丝网和一层6μm双面镀铝聚酯薄膜组成的多层单元，最内层为25μm聚酰亚胺膜。

进一步地，所述隔热安装为使用5mm厚玻璃钢垫片衬于两安装面之间，通过螺钉固定。

进一步地，所述膨胀机支架热管为Ω形Φ10单孔铝氨热管，外表面热控涂层为S781热控白漆。

进一步地，所述向阳散热板为3mm厚金属板，材料为2A12，外表面热控涂层为铈玻璃镀银二次表面镜。

进一步地，所述环路热管由蒸发器、辐射器、储液器、辐射器、致冷器、防冻加热器、调温加热器和管路组成。

进一步地，所述蒸发器由毛细芯和铝合金鞍座组成，外表面包覆多层隔热组件。

进一步地，所述管路为Φ3×0.5不锈钢管，外表面缠绕调温加热带，包覆多层隔热组件。

进一步地，所述电加热器为聚酰亚胺薄膜电加热器，用GD414硅橡胶粘贴于安装表面。

本实施例的安装过程为：

压缩机支架1内表面涂抹导热硅脂，通过螺钉与压缩机环状发热区域相连。膨胀机支架2内表面涂抹导热硅脂，通过螺钉与膨胀机发热端面相连。压缩机支架1和膨胀机支架2上端面涂抹导热硅脂，通过螺钉与制冷机安装基座3固定。压缩机支架1下端面涂抹导热硅脂，通过M4螺栓把两根压缩机支架热管4压紧固定。在压缩机支架热管4另一端平面侧涂抹导热硅脂，通过M4螺栓把两根压缩机支架热管4与对地散热板5压紧固定。膨胀机支架2下端面涂抹导热硅脂，通过M4螺栓把两根膨胀机支架热管6压紧固定。在膨胀机支架热管6另一端平面侧涂抹导热硅脂，通过M4螺栓把两根膨胀机支架热管6与向阳散热板7压紧固定。环路热管8的蒸发器安装面涂抹导热硅脂，通过M5螺栓与向阳散热板靠近膨胀机支架热管6处导热安装。在电加热器9一侧涂抹GD414硅橡胶，粘贴于压缩机和膨胀机的壳体外表面。热敏电阻10通过502胶水和GD414硅橡胶粘贴于压缩机和膨胀机壳体表面。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种大功率星载斯特林制冷机热控制系统，其特征在于，包括压缩机及其支架、膨胀机及其支架、制冷机安装基座、压缩机支架热管、对地散热板、膨胀机支架热管、向阳散热板、环路热管、电加热器以及热敏电阻，所述压缩机与电加热器和热敏电阻之间以及膨胀机与电加热器和热敏电阻之间均卡紧并导热安装，压缩机支架的上端面与制冷机安装基座导热安装，压缩机支架的下端面与压缩机支架热管的一端外贴连接，压缩机支架热管的另一端与对地散热板外贴导热安装；所述膨胀机支架的上端面与制冷机安装基座导热安装，膨胀机支架的下端面与膨胀机支架热管的一端外贴连接，膨胀机支架热管的另一端与向阳散热板外贴导热安装；所述环路热管与向阳散热板导热安装。

2.根据权利要求1所述的大功率星载斯特林制冷机热控制系统，其特征在于，所述热敏电阻安装在压缩机和膨胀机的外壳表面，用于测量斯特林制冷机温度，提供主动加热回路温度反馈信号。

3.根据权利要求1所述的大功率星载斯特林制冷机热控制系统，其特征在于，所述电加热器为聚酰亚胺薄膜电加热器，并粘贴于压缩机和膨胀机的外壳体上，用于控制斯特林制冷机温度。

4.根据权利要求1所述的大功率星载斯特林制冷机热控制系统，其特征在于，所述压缩机支架呈对称的C字环结构，压缩机支架的外表面为水平端面，对称的C字环结构的内径与压缩机发热部件相适配；所述压缩机支架采用经过退火处理的2A12，压缩机支架的表面设有铝合金黑色阳极氧化层。

5.根据权利要求1所述的大功率星载斯特林制冷机热控制系统，其特征在于，所述导热安装为：在安装表面填充导热硅脂或铟箔。

6.根据权利要求1所述的大功率星载斯特林制冷机热控制系统，其特征在于，所述膨胀机支架与膨胀机支架热管之间的外贴连接包括轴向压紧接触和径向导热接触，膨胀机支架的上下表面均为水平端面，膨胀机支架采用经过退火处理的2A12，膨胀机支架的表面设有铝合金黑色阳极氧化层。

7.根据权利要求1所述的大功率星载斯特林制冷机热控制系统，其特征在于，所述制冷机安装基座采用经过退火处理的2A12铝合金，制冷机安装基座的表面设有铝合金黑色阳极氧化层，所述铝合金黑色阳极氧化层的厚度大于10mm。

8.根据权利要求1所述的大功率星载斯特林制冷机热控制系统，其特征在于，所述压缩机支架热管和膨胀机支架热管均为Ω形Φ10单孔铝氨热管，所述单孔铝氨热管外表面设有热控涂层。

9.根据权利要求1所述的大功率星载斯特林制冷机热控制系统，其特征在于，所述对地散热板和向阳散热板均为3mm厚2A12铝合金，对地散热板和向阳散热板的外表面均设有热控涂层，对地散热板和向阳散热板的内表面均包覆多层隔热组件；其中：

-对地散热板的外表面设有S781热控白漆或铈玻璃镀银二次表面镜；

-向阳散热板的外表面设有铈玻璃镀银二次表面镜；

所述多层隔热组件的最外层为25μm聚酰亚胺黑膜，中间层为15层由一层20d锦纶丝网和一层6μm双面镀铝聚酯薄膜组成的多层单元，最内层为25μm聚酰亚胺膜；

所述对地散热板和向阳散热板均通过多层隔热组件与整机隔热安装；所述隔热安装为：使用5mm厚玻璃钢垫片衬于与整机的安装面之间，并通过螺钉固定。

10.根据权利要求1所述的大功率星载斯特林制冷机热控制系统，其特征在于，所述环路热管包括调温加热器以及相互连接的蒸发器、辐射器、储液器、致冷器和防冻加热器，其中，所述蒸发器、辐射器以及储液器之间通过管路连接，所述调温加热器缠绕在管路的外表面；

所述蒸发器包括固定连接的毛细芯和铝合金鞍座，蒸发器的外表面包覆多层隔热组件，并与向阳散热板导热安装；所述管路为Φ3×0.5不锈钢管，调温加热带外部包覆多层隔热组件。

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