專利名稱：一種具有較高溫度分布均勻性的鋁制立式熱沉裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有較高溫度分布均勻性的鋁制立式熱沉裝置，它應用于微小衛星空間環境模擬試驗，屬于航天技術領域。
背景技術：
航天器長期工作在復雜的空間環境中，太陽輻照、真空冷黑和電磁輻射等惡劣環境嚴重威脅著航天器的安全和飛行任務的完成。因此，研制新型號航天器時必須在地面進行充分的環境模擬試驗，通過試驗發現隱患、改進設計、避免早期失效，從而提高航天器的可靠性。其中最主要是在地面上模擬空間熱環境條件進行真空熱試驗，熱沉裝置則是真空熱試驗中最主要的設備之一。在微小型航天器中，微小衛星占有重要地位，它以現代科技為核心，重量輕、體積 小、成本低、功能配置靈活，兼有“快、好、省”等特點，已經在民用通信、遙感氣象、地球科學、空間科學、行星探測、技術驗證等領域得到了廣泛應用，其在商業和軍事方面的重要應用更是成為各國致力發展和研究的重點。與大型航天器一樣，在研制微小衛星的過程中，也需要進行充分的空間環境試驗來改進設計提高可靠性。由于微小衛星的重量和體積比大型航天器小得多，傳統的空間環境模擬試驗設備顯然不適用于微小衛星的環境試驗。因此需要有針對性地設計低成本小型空間環境模擬試驗設備以滿足試驗需求。完整的空間環境模擬試驗系統一般應包括真空罐、熱沉裝置、加熱裝置，分別實現真空、低溫和黑背景、空間外熱流等空間環境條件的模擬。為模擬空間的冷黑環境，通常用鋁、銅或不銹鋼制成冷卻構件，內通液氮、液氦等冷卻介質，內表面噴涂黑漆以提高發射率，這種裝置稱為熱沉裝置。熱沉裝置常見的結構形式有立式和臥式兩種。立式結構具有使用液氮時不易產生氣堵、結構受力合理等優點，目前國內大型空間環境模擬器的熱沉裝置大多采用立式結構。溫度分布均勻性是熱沉裝置設計制造的一個重要技術指標，熱沉裝置的溫度分布均勻性越好，對空間冷黑環境的模擬就越充分，航天器的空間環境模擬試驗結果就越可靠。傳統的大型空間環境模擬器的熱沉裝置由于尺寸大、結構復雜、安裝方式受限等因素，很難有針對性地在設計上提高整體溫度分布均勻性。

發明內容
本發明是應用于微小衛星空間環境模擬試驗的一種具有較高溫度分布均勻性的鋁制立式熱沉裝置，該熱沉裝置由翅片管陣列面、金屬波紋軟管、多層隔熱材料和溫度采集系統組成。如圖1所示，它們之間的位置連接關系是八個翅片管陣列面組成八棱柱形側面；兩個翅片管陣列面分別為熱沉裝置的頂面和底面；金屬波紋軟管連接上述各面使整個熱沉裝置內腔成為一體；溫度采集系統中的熱敏電阻貼在熱沉裝置的外表面；多層隔熱材料則包覆在裝置的最外面。
所述翅片管陣列面是由鋁翅片管和圓鋁管連接而成，見圖2、圖6、圖7，分為頂面、底面和側面三個部分，頂面是出液匯總的圓鋁管，底面是進液匯總的圓鋁管，側面是豎直分布的鋁翅片管。各翅片管陣列面以圓鋁管為液氮總管，鋁翅片管為液氮支管，統稱為局部并聯式腔體；而頂面、底面和側面由金屬波紋軟管連接成為一體，成為總體的串聯式腔體。本發明通過總體串聯、局部并聯的方式確保液氮在熱沉裝置的內部均勻、順暢地流動，進而有效提高了熱沉裝置整體溫度分布的均勻性。所述金屬波紋軟管是型號為XJR10L1的金屬波紋軟管及相關管路連接件。該金屬軟管按GB/T14525-93要求生產，使用溫度為_196 +200攝氏度，P氣密度為2. 5MPa，P強度為3. 75MPa。管路之間的連接方式為球頭_錐面-螺紋連接，密封性好、抗扭能力和承壓能力強、連接靈活可靠，能有效地保證熱沉裝置內部腔體的連通性和密閉性。
所述多層隔熱材料是由若干層輕質鋁箔紙和網狀滌綸紗布交疊縫制而成，成本低廉，制作簡單。多層隔熱材料的使用，減小了熱沉裝置與外界的熱輻射面積，進一步隔絕了熱沉裝置內外的輻射熱交換。此外，多層隔熱材料與翅片管陣列面之間的熱輻射起到了提高熱沉裝置整體溫度分布均勻性的作用。所述溫度采集系統是由熱敏電阻、AD數據采集卡和AVR單片機組成，它們之間的位置連接關系是熱敏電阻貼在熱沉裝置外表面，AD數據采集卡和AVR單片機組裝成一體統稱為數據采集單元，都安裝在多層隔熱材料外面，熱敏電阻通過低阻抗導線與數據采集單元相連，每個數據采集單元對應16個熱敏電阻。該熱敏電阻是型號為PT1000的鉬電阻，其測溫范圍為-20(Γ+500攝氏度，在極限溫度下，其測量精度為±2攝氏度，完全滿足熱真空試驗要求。它靈敏度高、體積小、響應速度也快，并兼有價格低廉、安裝使用方便等優點；該AD數據采集卡是自主研制的通用AD數據采集卡，它用來實時測量熱敏電阻的阻值，具有6組共48個12bit采集通道；該16位單片機是AVR M16開發板，它用來進行從電阻值到溫度值的換算，并通過串口實時輸出各測點的溫度值。本系統是熱沉裝置的狀態監測系統。它具有通道數量多、采集精度高等優點，能夠實時輸出環境試驗中熱沉裝置的溫度狀態數據。其中，該八個翅片管陣列面的外形尺寸是460mm X 1160mm ；其中，該兩個翅片管陣列面的外形尺寸是1120mm X 1200mm ；其中，該熱敏電阻的數量是48個；其中，該數據采集單元的數量是3個。下面介紹熱沉裝置的詳細設計方案，首先說明熱沉裝置主體的設計。熱沉裝置主體由圓鋁管和鋁翅片管兩大部分組成。鋁翅片管作為熱沉裝置支管，直接承受衛星真空熱試驗中的輻射熱負荷，并將此熱負荷傳導給支管腔內的液氮。從熱設計來看，鋁翅片管的管壁越薄，翅片厚度越大，對帶走熱負荷越有利；但從結構強度考慮，管壁不能太薄，翅片也不宜太厚，以減輕質量提高強度。圓鋁管作為熱沉裝置的總管，焊接在翅片管的兩端，起到兩個作用一是固定和定位翅片管，二是匯集支管腔內的液氮。從這兩個功能上考慮，圓鋁管的內徑和壁厚都應該取大點比較好，此外，較大的內徑和壁厚便于支管和總管的焊接操作，同時能提高結構強度。在實際加工制造時，將熱沉裝置整體分解成為十個獨立的部分來加工，各部分都由兩根總管和若干根支管焊接而成，稱為翅片管陣列面。這十個翅片管陣列面中面積較大的兩個分別作為熱沉裝置的上下面，而作為熱沉裝置側面的其余八個面積較小的翅片管陣列面則構成一個八棱柱形，整個熱沉裝置結構呈改進式的鼠籠型。
另外，上下面如果水平放置，則其中的液氮流動容易產生氣堵，影響熱沉裝置的降溫效果和溫度均勻性。因此設計使用兩個框架來分別支持頂面和底面，使整個鋁管面產生一定的傾斜角度，兩個匯總管在豎直方向有一定的高度差，液氮從下部流入上部流出，這樣就可以避免氣堵的問題。由于翅片管外形較為復雜，不方便進行機械拋光，所以為了保證其表面粗糙度參數——輪廓算術平均偏差Ra的最大允許值為1. 6微米，在焊接工作完成后還要進行化學清洗。而為了達到模擬黑體的目的，熱沉裝置的內表面必須進行黑化工藝處理。具體的黑化指標如下(I)發射率大于O. 90 ；(2)出氣率小于 9xlO_6Pa L/(cm2s)，IOh 后小于 10_7Pa L/(cm2s)；(3)真空下長期耐-196 50攝氏度的交變溫度；
(4)黑色附著力強，耐清洗腐蝕。如上所述，熱沉裝置的上下面和側面構成了熱沉裝置的主體，液氮在熱沉裝置主體內腔流動。液氮在熱沉裝置內的流動方式，可以用“局部并聯，總體串聯”來描述。即從局部來看，液氮在熱沉裝置的底面、側面和頂面分別都是并聯流動的；而從總體來看，液氮在整個熱沉裝置的流動是從底面到側面再到頂面串聯流動的。這種液氮流動方式不易產生氣堵，有利于提高熱沉裝置整體溫度的均勻性。除了熱沉裝置主體，液氮的流通管路還包括另外三個部分從液氮罐經由真空艙壁輸送到熱沉裝置(進液總管)、熱沉裝置內部各面之間的相互連接、從熱沉裝置經由真空艙輸送到真空艙外(出液總管)這三部分。這些液氮管路除了要有足夠高的密封性外，還必須能在低溫下正常工作，普通的管路往往不能同時勝任這兩項要求。本發明使用型號為XJR10L1的金屬波紋軟管及相關管路連接件，試驗運行結果表明其工作狀況良好。在微小衛星的空間環境模擬試驗中，由于真空度的要求，熱沉裝置與外界的熱量交換方式以熱輻射為主。為了減小熱量交換導致的熱沉裝置溫度上升，本發明裝置采用在熱沉裝置外表面包覆多層隔熱材料的方式來盡可能地減小熱沉裝置與外界的熱輻射面積。多層隔熱材料由若干層輕質鋁箔紙和網狀滌綸紗布交疊縫制而成。優點及功效本發明一種具有較高溫度分布均勻性的鋁制立式熱沉裝置，其主要優點是(I)溫度分布均勻性好。傳統的熱沉裝置其壁板翅片的橫截面為圖1Oa所示的直線型，難以做到光學上的完全屏蔽，從而導致熱沉裝置內外存在少量的輻射熱交換。而本發明的熱沉裝置翅片的橫截面則是如圖1Ob所示的折線型，在翅片管間距小于門限值時，可以達到光學上的完全屏蔽，從而徹底隔絕熱沉裝置內外的輻射熱交換，進而提高了熱沉裝置整體的溫度分布均勻性。(2)冷卻效果好，降溫速度快。本熱沉裝置的冷卻方式采用的是開式沸騰液氮系統，該冷卻方式完全依靠液氮的沸騰吸熱來帶走熱量，液氮為一次性使用，無需再耗費其它能源，簡單可靠、冷卻效果好、降溫速度快。(3)小型化、低成本，運行維護方便。為了適應微小衛星空間環境模擬試驗的需要，本熱沉裝置做到了小型化，其材料普通、工藝成熟、結構簡單，大大降低了研制成本。在實際應用中，本熱沉裝置操作方便，運行穩定，效果良好，所需維護工作很少。


圖1為鋁制立式熱沉裝置的組成示意2為立式熱沉裝置結構示意圖進液匯總管在下，出液匯總管在上，支管豎直分布圖3為臥式熱沉裝置結構示意圖匯總管為水平管，亦為下進上出，支管肋條式分布圖4表示熱沉裝置的壁板形式翅片管斜置排列圖5是開式沸騰液氮系統的工作原理示意6是本發明中熱沉裝置側面的翅片管陣列面結構圖(翅片未畫出)圖7是本發明中熱沉裝置上下面的翅片管陣列面結構圖(翅片未畫出)圖8a表示的是金屬波紋軟管接頭的圓錐面圖8b表示的是金屬波紋軟管接頭的球頭面圖9表示的是多層隔熱材料的分層結構圖1Oa為傳統熱沉裝置壁板翅片的橫截面為直線型圖1Ob為本發明熱沉裝置壁板翅片的橫截面為折線型圖中符號說明如下(I)翅片管陣列面；⑵金屬波紋軟管；(3)多層隔熱材料；⑷溫度采集系統。
具體實施例方式如圖1所示，本發明是一種應用于微小衛星空間環境模擬試驗的具有較高溫度分布均勻性的鋁制立式熱沉裝置，該熱沉裝置由翅片管陣列面(I)、金屬波紋軟管(2)、多層隔熱材料(3)和溫度采集系統(4)組成。它們之間的位置連接關系是8個460_ X 1160mm的翅片管陣列面(I)組成八棱柱形側面；兩個1120mm x 1200mm的翅片管陣列面(I)分別為熱沉裝置的頂面和底面；金屬波紋軟管(2)連接各面使整個熱沉裝置內腔成為一體；溫度采集系統(4)中的熱敏電阻貼在熱沉裝置的外表面；多層隔熱材料(3)則包覆在裝置最外面。所述翅片管陣列面(I)是由鋁翅片管和圓鋁管連接而成，見圖2、圖6、圖7，分為頂面、底面和側面三個部分，頂面是出液匯總的圓鋁管，底面是進液匯總的圓鋁管，側面是豎直分布的鋁翅片管。各翅片管陣列面以圓鋁管為液氮總管，鋁翅片管為液氮支管，統稱為局部并聯式腔體；而頂面、底面和側面由金屬波紋軟管連接成為一體，成為總體的串聯式腔體。本發明通過總體串聯、局部并聯的方式確保液氮在熱沉裝置的內部均勻、順暢地流動，進而有效提高了熱沉裝置整體溫度分布的均勻性。所述金屬波紋軟管(2)是型號為XJR10L1的金屬波紋軟管及相關管路連接件。該金屬波紋軟管(2)按GB/T14525-93要求生產，使用溫度為-196 +200攝氏度，P氣密度為
2.5MPa，P強度為3. 75MPa。管路之間的連接方式為球頭_錐面-螺紋連接，密封性好、抗扭能力和承壓能力強、連接靈活可靠，能有效地保證熱沉裝置內部腔體的連通性和密閉性。所述多層隔熱材料(3)是由若干層輕質鋁箔紙和網狀滌綸紗布交疊縫制而成，成本低廉，制作簡單。多層隔熱材料(3)的使用，減小了熱沉裝置與外界的熱輻射面積，進一步隔絕了熱沉裝置內外的輻射熱交換。此外，多層隔熱材料(3)與翅片管陣列面之間(I)的熱輻射起到了提高熱沉裝置整體溫度分布均勻性的作用。所述溫度采集系統⑷是由熱敏電阻、AD數據采集卡和AVR單片機組成，它們之間的位置連接關系是48個熱敏電阻貼在熱沉裝置外表面，AD數據采集卡和AVR單片機組裝成一體統稱為數據采集單元，這樣的數據采集單元一共有3個，都安裝在多層隔熱材料(3)外面，熱敏電阻通過低阻抗導線與數據采集單元相連，每個數據采集單元對應16個熱敏電阻。該熱敏電阻是型號為PT1000的鉬電阻，其測溫范圍為-20(Γ+500攝氏度，在極限溫度下，其測量精度為±2攝氏度，完全滿足熱真空試驗要求。它靈敏度高、體積小、響應速度也快，并兼有價格低廉、安裝使用方便等優點；該AD數據采集卡是自主研制的通用AD數據采集卡，它用來實時測量熱敏電阻的阻值，具有6組共48個12bit采集通道；該16位單片機是AVR M16開發板，它用來進行從電阻值到溫度值的換算，并通過串口實時輸出各測點的溫度值。本系統是熱沉裝置的狀態監測系統。它具有通道數量多、采集精度高等優點，能夠實時輸出環境試驗中熱沉裝置的溫度狀態數據。(I)如圖2所示，本發明中的熱沉裝置整體結構為立式結構； (2)如圖5所示，本發明中的熱沉裝置采用開式沸騰液氮系統；(3)如圖4所示，為了達到光學密封的效果，以防止輻射漏熱，翅片管定位角度為翅片平面與圓管橫截面平面的夾角為60度；(4)如圖6所示，熱沉裝置側面的單個棱柱面由兩根460mm長的圓鋁管和17根Im長的鋁合金翅片管焊接而成，支管間距為26mm，為了在焊接時保證翅片的角度定位，需要特制的定位夾具輔助加工；(5)熱沉裝置側面由8個單面組成八棱柱形,其最大外接圓直徑為1. 25m,高度為1.16mm ；(6)如圖7所示，熱沉裝置的上下面結構相同，由2根長度為1. 12m的圓鋁管和43根1. 2m長的翅片管焊接而成，翅片管的排布間距、定位角度和側面相同，其平面包絡尺寸為1. 20m X1. 15m ；(7)為了避免水平放置時液氮堵塞導致的熱沉裝置降溫效果和溫度均勻性下降，熱沉裝置的上下面各用一個由角鋼焊接而成的框架支持，使之有一定的傾斜度；(8)如圖8a、圖Sb所示，熱沉裝置的金屬波紋軟管接頭處采用球頭-錐面連接方式，密封性好、抗扭能力和承壓能力強、連接靈活可靠，能有效地保證熱沉裝置內部腔體的連通性和密閉性；(9)如圖9所示，多層隔熱材料由若干層輕質鋁箔紙和網狀滌綸紗布交疊縫制而成，不僅能屏蔽絕大部分熱輻射，同時也能大比例隔絕熱傳導漏熱；(10)熱敏電阻PT1000的安裝方式為用導熱硅膠將其頭部和引腳粘貼在被測表
面上，再在表面覆蓋一層聚酰亞胺膠帶；圖3為臥式熱沉裝置結構示意圖，匯總管為水平管，為下進上出、支管肋條式分布。圖1Oa為傳統熱沉裝置壁板翅片的橫截面為直線型；圖1Ob為本發明熱沉裝置壁板翅片的橫截面為折線型。
權利要求
1.一種具有較高溫度分布均勻性的鋁制立式熱沉裝置，其特征在于該熱沉裝置由翅片管陣列面、金屬波紋軟管、多層隔熱材料和溫度采集系統組成；八個翅片管陣列面組成八棱柱形側面；兩個翅片管陣列面分別為熱沉裝置的頂面和底面；金屬波紋軟管連接上述各面使整個熱沉裝置內腔成為一體；溫度采集系統中的熱敏電阻貼在熱沉裝置的外表面；多層隔熱材料則包覆在裝置的最外面； 所述翅片管陣列面是由鋁翅片管和圓鋁管連接而成，分為頂面、底面和側面三個部分，頂面是出液匯總的圓鋁管，底面是進液匯總的圓鋁管，側面是豎直分布的鋁翅片管；各翅片管陣列面以圓鋁管為液氮總管，鋁翅片管為液氮支管，統稱為局部并聯式腔體；而頂面、底面和側面由金屬波紋軟管連接成為一體,成為總體的串聯式腔體；它通過總體串聯、局部并聯的方式確保液氮在熱沉裝置的內部均勻、順暢地流動，進而有效提高了熱沉裝置整體溫度分布的均勻性； 所述金屬波紋軟管是型號為XJR10L1的金屬波紋軟管及相關管路連接件，管路之間的連接方式為球頭-錐面-螺紋連接，密封性好、抗扭能力和承壓能力強，能有效地保證熱沉裝置內部腔體的連通性和密閉性； 所述多層隔熱材料是由復數層輕質鋁箔紙和網狀滌綸紗布交疊縫制而成，多層隔熱材料的使用，減小了熱沉裝置與外界的熱輻射面積，進一步隔絕了熱沉裝置內外的輻射熱交換； 所述溫度采集系統是由熱敏電阻、AD數據采集卡和AVR單片機組成，熱敏電阻貼在熱沉裝置外表面，AD數據采集卡和AVR單片機組裝成一體統稱為數據采集單元，都安裝在多層隔熱材料外面，熱敏電阻通過低阻抗導線與數據采集單元相連，每個數據采集單元對應16個熱敏電阻；該熱敏電阻是型號為PTlOOO的鉬電阻；該AD數據采集卡是自主研制的通用AD數據采集卡，它用來實時測量熱敏電阻的阻值，具有6組共48個12bit采集通道；該16位單片機是AVR M16開發板，它用來進行從電阻值到溫度值的換算，并通過串口實時輸出各測點的溫度值。
2.根據權利要求1所述的一種具有較高溫度分布均勻性的鋁制立式熱沉裝置，其特征在于該八個翅片管陣列面的外形尺寸是460_ X 1160mm。
3.根據權利要求1所述的一種具有較高溫度分布均勻性的鋁制立式熱沉裝置，其特征在于該兩個翅片管陣列面的外形尺寸是1120_ X 1200mm。
4.根據權利要求1所述的一種具有較高溫度分布均勻性的鋁制立式熱沉裝置，其特征在于該熱敏電阻的數量是48個。
5.根據權利要求1所述的一種具有較高溫度分布均勻性的鋁制立式熱沉裝置，其特征在于該數據采集單元的數量是3個。
全文摘要
一種具有較高溫度分布均勻性的鋁制立式熱沉裝置，該熱沉裝置由翅片管陣列面、金屬波紋軟管、多層隔熱材料和溫度采集系統組成；八個460mm x1160mm翅片管陣列面組成八棱柱形側面；兩個1120mm x 1200mm翅片管陣列面分別為熱沉裝置的頂面和底面；金屬波紋軟管連接上述各面使整個熱沉裝置內腔成為一體；溫度采集系統中的熱敏電阻貼在熱沉裝置的外表面；多層隔熱材料則包覆在裝置的最外面。本發明具有溫度分布均勻性好；冷卻效果好，降溫速度快；小型化、低成本，運行維護方便等優點。它在航天技術領域里具有較好的實用價值和應用前景。
文檔編號B01L1/00GK103008041SQ201210509730
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月3日 優先權日2012年12月3日
發明者王新升, 黃海, 周開興, 李博, 馬海波, 戴勇超 申請人:北京航空航天大學