制冷机与深冷环路热管集成系统传热特性试验研究

王　录　苗建印　张红星（北京空间飞行器总体设计部，空间热控技术北京市重点实验室，北京 100094）

制冷机与深冷环路热管集成系统传热特性试验研究

王录苗建印张红星
（北京空间飞行器总体设计部，空间热控技术北京市重点实验室，北京 100094）

基于红外探测器光学敏感元件深低温热控需求，开展了脉冲管制冷机和氮工质深冷环路热管集成系统的传热特性的试验研究。文章针对单脉冲管制冷机和单氮工质深冷环路热管的集成系统（单回路），进行了深冷环路热管超临界启动特性、传热能力、漏热量及隔离机械振动特性的试验研究；针对双脉冲管制冷机和双氮工质深冷环路热管的集成系统（双回路），进行了正常运行模式、无缝切换模式、故障切换模式及共同运行模式的试验研究。试验结果表明，该集成系统可以满足未来红外探测载荷光学敏感元件深低温热传输及排散的需求，并有效隔离制冷机机械振动的影响。

深冷环路热管；传热特性；超临界启动

1　引言

某些采用红外探测器进行目标成像的卫星，对于被探测对象温度在200～300 K范围内的目标，红外探测器的光学敏感元件温度必须维持在120 K以下，才能消除背景温度噪声获得高的成像质量。脉冲管制冷机可以为红外探测器光学敏感元件提供深低温的工作环境（温度在100 K以下）。若脉冲管制冷机和红外探测器光学敏感元件直接耦合，将出现如下技术难点:①因各自结构的特点，机械接口设计困难；②脉冲管制冷机运动部件压缩机产生的机械振动，会影响红外探测器的成像质量；③难以采取措施隔离脉冲管制冷机产生的电磁波对红外探测器的干扰；④脉冲管制冷机停止运行时向红外探测器漏热；⑤受空间布局所限，红外探测器敏感元件附近直接布置两个脉冲管制冷机较困难，难以设计冗余以提高红外探测器的寿命和可靠性。要克服脉冲管制冷机和红外探测器直接耦合带来的问题，必须建立一种“桥梁”，在红外探测器敏感元件与脉冲管制冷机之间进行高效的热量收集和传输，隔离脉冲管制冷机产生的机械振动和电磁干扰，阻断脉冲管制冷机停止工作时向红外探测器漏热，方便脉冲管制冷机布置备份，提高红外探测器的寿命和可靠性。就目前的技术水平来讲，该“桥梁”最简单可靠的形式为深冷环路热管（CLHP）。其主蒸发器和冷凝器分别与红外探测器和脉冲管制冷机耦合，接口设计简单，内部两相流动的特征可以保证在红外探测器和脉冲管制冷机间进行高效的热收集和热传输，柔性细长的管路结构可以有效地减弱脉冲管制冷机机械振动对红外探测器成像质量的影响及阻断脉冲管制冷机不工作时向红外探测器的漏热，将红外探测器和脉冲管制冷机从结构布局上分离，方便脉冲管制冷机布置备份和采取措施隔离脉冲管制冷机产生的电磁波对红外探测器的干扰。

鉴于深冷环路热管在空间深低温热收集与热传输应用中的独特优势，世界各国尤其是美国投入大量的精力对深冷环路热管进行研究。为解决光学系统的冷却问题，1998年Dave Glaister［1］提出两轴交叉万向节的深冷环路热管概念。随后各种结构形式的深冷环路热管得到迅速的发展，适用温度范围逐渐深入到液氮、液氖、液氢温区。针对光学敏感元件的低温温控需求，James Yun等［2］研制了一套乙烷工质的深冷环路热管冷却装置，采用低温辐射器为热沉，可以成功地从乙烷的超临界温度启动运行，回路工作在—58℃时对副蒸发器施加5W功率，主蒸发器最大传热量为50W。D.Bugby等［3］先后研制交叉万向节CLHP、短传输距离的小型化CLHP和长传输距离的小型化CLHP。交叉万向节CLHP采用氮为工质，工作在80～100 K温度范围内，可以实现±45º俯仰角和±180º方位角的二维指向转动，设计传热量为2～20W，温度稳定度为±2℃。短传输距离的小型化CLHP采用氖为工质，工作在35 K附近，设计热载荷为0.3～2.5W，热传输距离大于10cm，关闭热阻大于1000K/W，传热热阻小于1K/W。长距离传输的小型化CLHP采用氖为工质，工作在30～35 K温度范围内，设计热载荷为0.1～1.0W，热传输距离大于250cm。Triem T.Hoang等［4-5］研制了一套氢工质深冷环路热管，对副蒸发器施加2.5W功率25 min后主蒸发器和主储液器的温度降低到氢的临界温度32K以下，对主蒸发器施加5W的功率回路可以稳定地运行。国内对深冷环路热管的研究起步较国外晚。2005年中科院理化所莫青等［6］设计了一套单回路深冷环路热管的原理样机，氮为工质，工作温度范围为90～126K，液氮为冷源，最大传热量11W。周顺涛等［7］研制了一套双回路的深冷环路热管的原理样机，热传输距离大于1m，氮为工质，副蒸发器施加5W功率时回路的最大传热量30W，具有一定的反重力能力。Yanan Zhao［8］研制了一套氮工质深冷环路热管，充装压力3.2MPa，热传输距离0.48m，采用液氮为热沉，为减少寄生漏热，试验系统真空环境的温度为170K，工作在80K时传热能力41W。

从国内外的研究现状来看，国外已成功研制出小型化的深冷环路热管工程样机，并且基于红外探测器光学敏感元件深低温热控需求开展了在轨飞行验证，国内仍然处在工程样机研制阶段，尚未针对在轨应用开展深冷环路热管与脉冲管制冷机集成系统的试验研究。本文正是基于在轨应用需求，开展了脉冲管制冷机和深冷环路热管集成系统传热特性的试验研究，可为依靠红外探测器进行目标成像卫星的光学敏感元件深低温热控需求提供技术支撑。

2　试验件及试验系统介绍

图1为本文研制的两套脉冲管制冷机与深冷环路热管耦合的热传输回路集成系统。深冷环路热管主冷凝器和副冷凝器通过真空银钎焊与冷凝柱体连接，冷凝柱体材料为紫铜，深冷环路热管热传输距离0.6m，工质为氮，工作温度范围为80～100K。脉冲管制冷机工作在80K时最大制冷量为5W。深冷环路热管通过薄圆筒冷凝柱与脉冲管制冷机冷指通过钎焊耦合，减小两者间的接触热阻。两套深冷环路热管的主蒸发器通过鞍座耦合，铜鞍座与红外探测器光学敏感元件耦合，鞍座材质为紫铜，主蒸发器与鞍座间通过钎焊连接减小接触热阻，如图2所示。聚酰亚胺薄膜电加热器通过硅橡胶粘贴在铜鞍座上，模拟红外探测器光学敏感元件的热耗。两套深冷环路热管副蒸发器上通过硅橡胶粘贴聚酰亚胺薄膜电加热器作为辅助载荷。通过3台直流稳压电源向聚酰亚胺薄膜电加热器提供电功率。集成系统共布置12个铂电阻传感器，每套氮工质深冷环路热管布置6个温度测点，其中测点T1～T6布置在1#回路的冷凝柱体、副储液器、副蒸发器、主储液器、主蒸发器、铜鞍座上，测点T7～T12布置在2#回路的冷凝柱体（热沉）、副储液器、副蒸发器、主储液器、主蒸发器、铜鞍座（热源）上。测点TC6、TC12的粘贴位置见图2，通过温度采集设备实时采集温度数据。采用双面镀铝薄膜和涤纶网制作的15单元多层隔热组件包覆在深冷环路热管的管路上减小寄生漏热。试验系统如图3所示，由真空模拟室、抽真空系统、加热系统，温度采集系统及工质充装系统等组成。

图1　脉冲管制冷机与深冷环路热管集成系统Fig.1　Schematic of the integrated system of pulse tube coolers and cryogenic loop heat pipes

图2　铜鞍座三维结构Fig.2　Three-dimensional model of copper saddle

图3　试验测试系统Fig.3　Experimental setup

3　集成系统传热特性试验研究

脉冲管制冷机和氮工质深冷环路热管集成系统传热特性的试验研究内容包括:单脉冲管制冷机和单氮工质深冷环路热管系统（单回路）的超临界启动特性、传热能力、漏热量及振动隔离特性及双脉冲管制冷机和双氮工质深冷环路热管集成系统工作模式。

3.1单回路集成系统传热性能测试

图4为单脉冲管制冷机与单深冷环路热管集成系统的超临界启动过程。初始0时刻启动脉冲管制冷机，此时，热沉、副储液器和副蒸发器温度迅速下降，主储液器、主蒸发器及热源温度缓慢降低。30min后副蒸发器和副储液器的温度降低到氮的临界温度以下，开始冷凝为液体。58min时副蒸发器中充满液体，对副蒸发器施加1.5W的功率，副回路启动运行，推动冷凝器中的液态工质沿主液体管路向主蒸发器和主储液器中流动，主储液器、主蒸发器及热源温度开始迅速降低。208min时主蒸发器和主储液器中充满液体，将副蒸发器的功率减小为0.5W，同时对热源施加2.5W的功率，主回路启动且稳定运行，深冷环路热管实现超临界启动。

图4　集成系统超临界启动过程（1#回路）Fig.4　Supercritical startup of integrated system of Loop 1#

图5、图6分别为两套脉冲管制冷机与深冷环路热管集成系统单独运行过程中温度随时间的变化曲线。从图5中看出对1#回路的副蒸发器施加0.5W的功率，热源施加4W功率回路可以稳定运行，对热源施加5W功率，热源、主蒸发器及主储液器温度迅速上升，回路失效，其极限传热能力为4W。从图6中看出对2#回路副蒸发器施加0.5W的功率，热源施加3 W功率回路可以稳定运行，对热源施加4W功率，热源、主蒸发器及主储液器温度迅速上升，回路失效，其极限传热能力为3W。

图5　传热能力测试（1#回路）Fig.5　Heat transport capability of Loop 1#

图6　传热能力测试（2#回路）Fig.6　Heat transport capability of Loop 2#

对于1#回路，当主蒸发器传递热量为4W时，铜鞍座测点6#和12#的温度值分别为89.6 K和85.6K，冷凝柱体测点1#的温度值为82.1K，其传热热阻（铜鞍座与冷凝柱体温度的差值除以主蒸发器传递热量）为1.38K/W；对于2#回路，当主蒸发器传递的热量为3W时，铜鞍座上测点6#和12#的温度值分别为92.3K和87.9K，冷凝柱体7#的温度值为85.6K，其传热热阻1.50K/W。1#回路工作、2#回路冷备份时，2#回路冷凝器温度为298K，铜鞍座温度小于95K，保守取95K，冷凝器和蒸发器间漏热量约0.05W，热阻4060K/W，表明深冷环路热管柔性管路具有良好的热隔离特性。

3.2单回路集成系统振动隔离特性测试

将脉冲管制冷机和深冷环路热管集成系统放置在振动测试平台上，如图7所示。在脉冲管制冷机的压缩机、冷指及深冷环路热管的主蒸发器上布置加速度感应器，3个测点加速度峰值如图8所示，从图8中可知经过深冷环路热管的柔性细长管路，脉冲管制冷机的机械振动被有效地隔离。

图7　深冷环路热管振动隔离测试Fig.7　Vibration-isolating test

图8　深冷环路热管振动隔离测试结果Fig.8　Result of vibration-isolation test

3.3集成系统工作模式

针对双脉冲管制冷机和双深冷环路热管的集成系统，对其工作模式进行试验研究，包括:正常工作模式（1套回路正常工作、另一套回路冷备份）、无缝切换运行模式（1#回路稳定运行过程中2#回路超临界启动运行，当2#回路稳定运行后，关闭1#回路，2#回路可以维持稳定运行）、故障切换运行模式（1#回路在运行过程中发生故障，停止运行，一段时间后2#回路启动且稳定运行）及共同工作模式（两套回路共同启动和稳定运行）。

集成系统的正常运行模式如图5、6所示，两套热传输回路均能够单独的超临界启动和稳定运行。集成系统的无缝切换运行模式如图9、10所示。1#回路副蒸发器施加0.5W功率，热源施加2.5W功率回路可以稳定运行；317min时2#回路脉冲管制冷机开始启动，342min时2#回路副蒸发器中充满液体，对副蒸发器施加0.5W功率，2#回路开始稳定运行；352min时关闭1#回路的脉冲管制冷机和停止对副蒸发器加热，1#回路的副蒸发器、副储液器温度迅速升高，回路停止运行，2#回路可以稳定运行，集成系统实现无缝切换运行模式。

图9　集成系统无缝切换运行模式（1#回路）Fig.9　Normal switch operation mode of Loop 1

图10　集成系统无缝切换运行模式（2#回路）Fig.10　Normal switch operation mode of Loop 2

图11、12为集成系统故障切换运行模式。1#回路运行过程中于252min时关闭脉冲管制冷机和停止对副蒸发器、热源加热，主蒸发器、副蒸发器温度升高，1#回路停止运行。275min时启动2#回路的脉冲管制冷机，2#回路副蒸发器、副储液器温度开始迅速下降，320min时2#回路的副蒸发器中充满液体，对其施加1.5 W功率启动2#回路的副回路运行，主蒸发器和主储液器温度开始降低，377min时将副蒸发器功率减小为1W，对热源施加2 W功率，2#回路可以稳定运行，集成系统实现故障切换运行模式。

图11　集成系统故障切换运行模式（1#回路）Fig.11　Failover switch operation mode of Loop 1

图12　集成系统故障切换运行模式（2#回路）Fig.12　Failover switch operation mode of Loop 2

图13、14为集成系统共同运行模式。0min时同时启动两套回路的脉冲管制冷机，两套回路的副蒸发器和副储液器温度同时迅速降低，56min时两套回路的副蒸发器充满液体，对两套回路的副蒸发器分别施加1.5W功率，启动副回路运行，主蒸发器、主储液器温度开始迅速降低，106min时将副蒸发器功率调整为1W，118min时主蒸发器中充满液体，对热源施加2.5W功率，两套回路均可以稳定地运行，集成系统实现共同运行模式。

图13　集成系统共同工作模式（1#回路）Fig.13　Cooperation mode of Loop 1

图14　集成系统共同工作模式（2#回路）Fig.14　Cooperation mode of Loop 2

4　结论

本文对脉冲管制冷机与深冷环路热管集成系统的传热特性进行了试验研究，结果表明:

（1）以脉冲管制冷机为热沉时，副蒸发器施加0.5W功率主蒸发器的极限传热能力为3W，CLHP可以在脉冲管制冷机和红外探测器光学敏感元件间进行高热的热量收集和传输，可满足红外探测器光学敏感元件热耗不超过2W、温度低于120K的工作需求。

（2）深冷环路热管柔性细长的管路，可以有效地隔离脉冲管制冷机的机械振动对红外探测器光学敏感元件成像的影响，同时隔离脉冲管制冷机停止工作时，会向红外探测器光学敏感元件漏热。

（3）集成系统可以实现正常运行、无缝切换运行、故障切换运行及共同运行等多种工作模式，通过脉冲管制冷机布置备份，以及备份与主份间的切换运行，可以显著提高红外探测器的寿命和可靠性。

（References）

［1］Dave Glaister.Potential solutions for a cryogenic thermal link across a two axis gimbal for optics cooling，AIAA-98-5205［R］.Washington D.C.:AIAA，1998

［2］James Yun，Ed Kroliczek，Larry Crawford.Development of a cryogenic loop heat pipe（CLHP）for passive optical bench cooling applications，SAE 2002-01-2507［C］// 32ndInternational Conference on Environmental Systems.Warrendale:Society of Automotive Engineers，2002

［3］D Bugby，B Marland，C Stouffer，et al.Across-gimbal and miniaturized cryogenic loop heat pipes［C］//Space Technology and Applications International Forum.Albuquerque:STAIF，2003:218-226

［4］Triem T Hoang，Tamara A，O Connell，et al.Development of a flexible advanced loop heat pipes for acrossgimbal cryocooling［C］//Proceedings of SPIE Cryogenic Optical Systems and Instruments X.Bellingham:SPIE，2003:68-76

［5］Triem T Hoang，Tamara A，O Connell，et al.Design optimization of a hydrogen advanced loop heat pipe for space-based ir sensor and detector cryocooling［C］// Proceedings of SPIE Cryogenic Optical Systems and Instruments X.Belling ham:SPIE，2003:86-96

［6］莫青，蔡京辉，梁惊涛.液氮温区低温回路热管的实验研究［J］.真空与低温，2005，11（3）:162-169 Mo Qing，Cai Jinghui，Liang Jingtao.Experimental study of a cryogenic loop heat pipe at the temperature of liquid nitrogen［J］.Vacuum and Cryogenics，2005，11 （3）:162-169（in Chinese）

［7］周顺涛.深冷环路热管超临界启动及稳态运行特性研究［D］.北京:中国空间技术研究院，2010 Zhou Shuntao.The study on the characteristic of the supercritical startup and stable operation of a cryogenic loop heat pipe［D］.Beijing:CAST，2010（in Chinese）

［8］Yanan Zhao，Tao Yan，Jingtao Liang.Experimental study on a cryogenic loop heat pipe capacity［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2011（54）: 3304-3308

（编辑：张小琳）

Investigation on Thermal Characteristic of Integrated System of Pulse Tube Coolers with Cryogenic Loop Heat Pipes

WANG Lu MIAO Jianyin ZHANG Hongxing
（Beijing Key Laboratory of Space Thermal Control Technology，Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

Based on the cryogenic thermal control requirement of infrared optical sensors of space detector，heat transfer performance of an integrated system of pulse tube coolers with cryogenic loop heat pipes has been investigated.The supercritical startup，heat transport capability，heat leakage and vibration isolation of a single loop have been investigated.The normal operation mode，normal switch operation mode，failover switch operation mode and cooperation mode of a double loops have been investigated.The results reveal that the integrated system can meet the requirement for cryogenic thermal control of the future space infrared detector.

cryogenic loop heat pipe；heat transfer performance；supercritical startup

V476.2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.010

2016-04-27；

2016-05-16

国家自然科学基金（51406009）

王录，男，工程师，研究方向为航天器热控制、两相流动及传热技术。Email：wanglulkdd@163.com。