CN109405382A - 一种适用于星载气体轴承制冷机的防冲击减振散热*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于星载气体轴承制冷机的防冲击减振散热***，包括双级被动减振结构、限位及防冲击结构、柔性冷链结构和环路热管散热结构，制冷机本体通过双级被动减振结构与制冷机固定工装支架相连，在制冷机固定工装支架下安装有限位及防冲击结构，在制冷机冷指与待冷却目标之间安装柔性冷链结构，制冷机的压缩机换热器和热端换热器与辐射散热面之间通过环路热管散热结构连接。本发明通过该防冲击减振散热结构，使得新一代气体轴承制冷机能适用于航天应用需要，有效的减少了气体轴承制冷机微振动对整星工作的影响，有助于提高空间低温制冷的制冷效率和可靠性。

Description

一种适用于星载气体轴承制冷机的防冲击减振散热***
技术领域
本发明涉及一种适用于星载气体轴承制冷机的防冲击减振散热***，适用于航天遥感中的气体轴承斯特林制冷机安装结构形式。
背景技术
气体轴承斯特林制冷机是目前国际上(液氮温区)制冷效率最高(7.5％)、重量最轻(单位重量制冷量：5.16W/Kg)和可靠性最高(MTTF>20万小时)的制冷机。气体轴承斯特林制冷机是采用气体轴承支承活塞和排出器的斯特林循环制冷机。理论上消除了活塞和气缸之间的磨损，可靠性可达到20万小时。此外，气体轴承替代传统板簧支承结构，体积和重量较小。
在气体轴承制冷机的航天级应用方面，国内外目前存在着巨大差距，国外目前已经有超过52台套的气体轴承制冷机在航天上获得应用，而在国内，气体轴承制冷机尚缺乏航天应用经验，这主要是因为要实现气体轴承制冷机在航天上应用，必须解决制冷机防冲击、隔振及散热等一系列问题，鉴于相关技术国外对我国严格封锁，故需要着力于解决上述技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为克服现有技术的不足，本发明提供了一种适用于星载气体轴承制冷机的防冲击减振散热***，对气体轴承制冷机的安装结构设计出一套应用于气体轴承制冷机特有的防冲击减振散热结构，以适应航天应用的需要。
本发明所采用的技术方案是：
一种适用于星载气体轴承制冷机的防冲击减振散热***，包括双级被动减振结构、限位及防冲击结构、柔性冷链结构和环路热管散热结构，制冷机本体通过双级被动减振结构与制冷机固定工装支架相连，在制冷机固定工装支架下安装有限位及防冲击结构，在制冷机冷指与待冷却目标之间安装柔性冷链结构，制冷机的压缩机换热器和热端换热器与辐射散热面之间通过环路热管散热结构连接。
双级被动减振结构包括减振弹簧或阻尼连接器，减振弹簧或阻尼连接器固定在制冷机固定工装支架上，与制冷机固定工装支架间无刚性接触。
在制冷机压缩机尾部安装由一定刚度的板簧配上一定质量的质量环组成的动力减振器，通过调节板簧的刚度以及质量环的质量来调节动力减振器固定频率，使动力减振器的频率根据制冷机压缩机的固有频率保持一致。
限位及防冲击结构末端采用带内螺纹缓冲球作为制冷机支撑端，其内螺纹可与限位件配合安装。
制冷机的径向限位螺钉可直接安装在制冷***支架的功能接口上，通过限位螺钉的长度调节缓冲球与制冷机壳体间的距离，确保在***正常在轨运行过程中缓冲球与制冷机壳体的非接触状态。
限位及防冲击结构为电磁铁开关，在发射段及运输段时，电磁铁加电，制冷机主体被紧紧吸附在特定位置，在稳定工作时，电磁铁断电，此时制冷机主体呈自由工作状态。
柔性冷链结构材料为厚度不超过0.03mm的铜箔或无氧铜丝或石墨烯膜或碳膜，柔性冷链的长度长于空间的实际距离。
柔性冷链结构包括导热带，导热带两侧与冷头或待冷却表面连接处以金属薄板压制，并与制冷机冷头及待冷却表面连接。
在以金属薄板压制前，在待压制区域的金属箔片或薄膜层与层之间涂覆导热脂，或直接将待压制区域的导热材料制造成彼此不分层的连体结构，在导热带中间区域保证柔性导热材料形成层与层分离，层与层之间间隙为10μm-100μm。
环路热管散热结构包括热端散热器及压缩机散热器，环路热管呈螺旋形排布，其一端埋在热端散热器和压缩机散热器内，另一端与卫星辐冷板相连。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明通过双级被动减振结构、限位及防冲击结构、柔性冷链结构和环路热管散热结构耦合成的防冲击减振散热***，实现了星载气体轴承制冷机的减振及高效传热，使得新一代气体轴承制冷机能适用于航天应用需要，有效的减少了气体轴承制冷机微振动对整星工作(如焦平面成像)的影响，有助于提高空间低温制冷的制冷效率和可靠性；
(2)若采用制冷机直接安装的方式，由于气体轴承制冷机本身的振动较大会影响到航天器件的正常运行，其不能满足航天应用需要，其制冷量大、效率高、重量轻、寿命长的特点无法得到体现，气体轴承制冷机只能在地面及气体对针对要求较低的场合应用，将严重制约我国航天用***制冷机的应用发展。而采用本专利中的方案，可以将制冷机对外振动输出降低到航天遥感应用许可的范围之类，能够实现空间制冷***的轻量化、高效率、长寿命和高可靠性。
附图说明
图1为本发明结构的左视图；
图2为本发明结构的主视图；
图3为本发明结构的俯视图；
图4为本发明双级被动减振结构示意图；
图5为本发明限位及防冲击结构示意图，其中5A为特定结构限位，5B为电磁铁固定锁紧限位；
图6为本发明柔性冷链结构示意图；
图7为本发明环路热管散热结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步描述。
气体轴承制冷机为了减小体积和重量而采用了单电机驱动的一体化结构设计，该结构特点决定制冷机工作时会产生轴向振动，若不采取相关措施，制冷机本身的微振动将传递到卫星主体和焦面以及低温镜头组件，会对卫星的正常工作以及相机的成像精度和成像稳定性等造成影响。为此需要对制冷机的振动进行控制。
如图1、图2、图3所示，一种适用于星载气体轴承制冷机的防冲击减振散热***，包括双级被动减振结构1、限位及防冲击结构2、柔性冷链结构3和环路热管散热结构4，制冷机本体通过双级被动减振结构1与制冷机固定工装支架5相连，在制冷机固定工装支架5下安装有限位及防冲击结构2，在制冷机冷指与待冷却目标之间安装柔性冷链结构3，制冷机的压缩机换热器和热端换热器与辐射散热面之间通过环路热管散热结构4连接。
如图4所示，为了防止制冷机工作时振动对卫星平台输出，制冷机本体上安装有双级被动减振结构1，制冷机本体通过8根或更多，但须成对称分布的减振弹簧或阻尼连接器固定在制冷机工装支架5上，与制冷机工装支架5之间无刚性接触。在制冷机壳体上预留弹簧安装孔，或者采用附加吊装工装的方式进行悬挂弹簧的安装。基于简化和壳体点击散热需求的考虑，吊装工装为尺寸和制冷机壳体尺寸匹配的半圆形卡箍，上面预留弹簧安装孔和紧固螺钉孔。
在***减振设计中以气体轴承斯特林制冷机悬挂***六自由度解耦或部分解耦、悬挂***固有频率的合理配置及***的振动传递率或支撑处动反力最小为目标函数，针对悬挂弹簧或阻尼连接器的刚度、材料特性、安装位置或安装角度等可变设计变量进行优化设计，开展模态仿真分析，确定最优化装配方案。
在制冷机尾部安装动力减振器，动力减振器由一定刚度的板簧配上一定质量的质量环组成，通过调节板簧的刚度以及质量环的质量来调节减振器固有频率，从而使减振效果达到最优。由于动力减振器的板簧在工作时要做长期的往复运动，板簧受交变应力，因此板簧材料采用弹簧钢，并对板簧材料进行一定的热处理工艺，保证板簧材料达到一定的硬度以及疲劳极限。
由于气体轴承斯特林制冷机壳体上无预留弹簧安装孔，因此采用附加吊装工装的方式进行悬挂弹簧的安装。基于简化和壳体电机散热需求的考虑，吊装工装为尺寸和制冷机壳体尺寸匹配的半圆形卡箍，上面预留弹簧安装孔和紧固螺钉孔。
如图1所示，由于在地面运输段和发射段中存在振动和过载的力学环境会使悬挂弹簧阻尼***发生较大变形，从而导致***不稳定引发非功能性故障。因此，需要对制冷机采用防冲击限位设计。可采用在制冷***支架上增加制冷机轴向和径向限位装置的方式确保制冷***在复杂力学条件下的环境适应性，如图5所示，限位装置末端采用带内螺纹缓冲球作为制冷机支撑端，其内螺纹可与限位螺钉配合安装。制冷机的径向限位螺钉可直接安装在制冷***支架的功能接口上，通过限位螺钉的长度调节缓冲球与制冷机壳体间的距离，确保在***正常在轨运行过程中缓冲球与制冷机壳体的非接触状态。由于制冷机前端为锥面，不能为前限位板提供有效的工作空间。因此选用制冷机吊装工装螺钉安装接口作为限位螺钉的工作平面。
此外，上述的限位装置也可以用电磁铁开关代替，如图5所示，将电磁铁与吸盘磁铁分别安装在上述限位装置对应位置，在发射段及运输段时，电磁铁加电，电磁铁与吸盘磁铁将产生吸引力闭合锁死，此时制冷机主体被紧紧吸附在特定位置，确保制冷机本体不随外力作用而发生相对运动。在开机工作时，电磁铁断电，电磁铁与吸盘磁铁彼此脱离，此时制冷机呈自由工作状态。
如图6所示，为了实现制冷机冷指与待冷却器件间的高效传热，并有效减少微振动对待冷却器件的影响，在冷头与待冷却器件之间采用柔性冷链连接，柔性冷链结构3一般采用铜箔(厚度不超过0.03mm)或无氧铜丝(直径0.05mm)构成，也可以采用石墨烯膜和碳膜等一系列超轻超柔材料，导热带两侧与冷头或待冷却表面连接处以薄铜板或其他金属薄板压制，并在薄铜板或金属薄板上打孔，用铆钉固定并与制冷机冷头及待冷却表面实现连接，在开始压制前，在待压制区域的金属箔片或薄膜层与层之间涂覆一层薄薄的导热脂，或直接将待压制区域的导热材料制造成连体结构(材料彼此不分层)，而在导热带中间区域保证箔片、无氧铜丝或石墨烯膜或碳膜等柔性导热材料形成层与层分离(或带与带分离)，保证层与层(带与带)之间一定的间隙(10μm-100μm为宜)，另外柔性冷链的长度应略长于空间的实际距离，留余量2cm-3cm。
如图7所示：由于在实际工作中制冷机热端和压缩机均会产生热量，为了保证制冷机的正常工作需要将该部分热量传递到辐射板并及时散发出去，需要在制冷机热端及压缩机上分别安装热端散热器及压缩机散热器，在散热器面上分别安装特定的环路热管散热装置，环路热管按螺旋形排布，为兼顾换热效率和减振效果，环路热管，直径控制在0.8-1cm，层间螺距控制在2-3cm，环绕直径控制在5.5-6.5cm，环绕层数一般为6-10层。(具体参数设置视制冷机输入功率和散热量而定)环路热管一端埋在热端散热器和压缩机散热器内，并在缝隙内填充导热硅脂，另一端与卫星辐冷板相连，从而在保障制冷机高效散热的同时，实现制冷机本身与卫星辐射散热板之间的有效隔振。
为了验证本发明的正确性和可行性，对上述结构搭建了为振动测试试验台并开展了微振动实验测试，分析结果表明：在没有取用上述防冲击减振散热***时，制冷机的本体的输出振动较大，不能满足航天应用要求，在采用了上述方案后，制冷机冷头，支撑支架及散热面三处与外界连接处输出的微振动量级都大幅度减小，能够满足航天应用的需要，如表1所示。
表1采用了该套***后，制冷机对外输出微振动的测试结果
表1.1制冷***安装底座时域及频域加速度测试结果
类别 X方向加速度 Y方向加速度 Z方向加速度
频域(最大值) 8.5 10.5 11.3
时域(峰峰值) 23 27 28
表1.2柔性冷链末端的时域及频域加速度测试结果
类别 X方向加速度 Y方向加速度 Z方向加速度
频域(最大值) 4.8 4.3 4.3
时域(峰峰值) 12 10 10
表1.3散热板末端的时域及频域加速度测试结果
类别 X方向加速度 Y方向加速度 Z方向加速度
频域(最大值) 13 5 13
时域(峰峰值) 20 20 22
由此可见，采用该套防冲击减振散热结构对气体轴承制冷机微振动抑制改善显著，三处连接处向外输出的微振动均大幅减小，对微振动及外部冲击抑制显著，相较我国已有的在航天普遍应用的脉冲管和斯特林制冷***而言，制冷效率从4％提升至6％，冷量重量比由现有的1W/kg提升到2.5W/kg以上。有助于推动我国的***制冷机技术在航天低温工程和航天遥感领域中的应用。有效提高了气体轴承制冷机在航天上应用的可靠性。
采用了气体轴承斯特林制冷***代替现有的斯特林或脉管式制冷***，单机最大制冷量由10W@80K提升至15W@80K；15W冷量功耗由350W降低至260W；相同制冷量下的输入功耗降低了1/4；冷量/输入功耗比由4％提升至6％；制冷***重量由15kg降低至6kg以下。通过采用低冷量损失方案设计，冷量有效利用率达到60％以上。大幅降低了对卫星的资源需求。制冷***力学及微振动等指标仍满足航天应用需求。
本发明在航天器发射阶段及上天后制冷机在满负荷功率以下运行时，通过该防冲击隔振散热***结构，可以有效的消除发射阶段加速度过载和外部振动对该***造成的影响，在上天后启动工作时，又能有效的抑制制冷机微振动对低温镜头、焦面、卫星整星及辐射散热面的影响，从而确保探测器能精确稳定的成像，保证成像质量，在减少整星能耗的同时，减少制冷组件的体积重量，并延长制冷***寿命，有利于提高红外相机的整体可靠性。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种适用于星载气体轴承制冷机的防冲击减振散热***，其特征在于，包括双级被动减振结构(1)、限位及防冲击结构(2)、柔性冷链结构(3)和环路热管散热结构(4)，制冷机本体通过双级被动减振结构(1)与制冷机固定工装支架(5)相连，在制冷机固定工装支架(5)下安装有限位及防冲击结构(2)，在制冷机冷指与待冷却目标之间安装柔性冷链结构(3)，制冷机的压缩机换热器和热端换热器与辐射散热面之间通过环路热管散热结构(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于星载气体轴承制冷机的防冲击减振散热***结构，其特征在于：双级被动减振结构(1)包括减振弹簧或阻尼连接器，减振弹簧或阻尼连接器固定在制冷机固定工装支架(5)上，与制冷机固定工装支架(5)间无刚性接触。
3.根据权利要求1所述的一种适用于星载气体轴承制冷机的防冲击减振散热***结构，其特征在于：在制冷机压缩机尾部安装由一定刚度的板簧配上一定质量的质量环组成的动力减振器，通过调节板簧的刚度以及质量环的质量来调节动力减振器固定频率，使动力减振器的频率根据制冷机压缩机的固有频率保持一致。
4.根据权利要求1所述的一种适用于星载气体轴承制冷机的限位及防冲击结构，其特征在于：限位及防冲击结构(2)末端采用带内螺纹缓冲球作为制冷机支撑端，其内螺纹可与限位件配合安装。
5.根据权利要求4所述的一种适用于星载气体轴承制冷机的限位及防冲击结构，其特征在于：制冷机的径向限位螺钉可直接安装在制冷***支架的功能接口上，通过限位螺钉的长度调节缓冲球与制冷机壳体间的距离，确保在***正常在轨运行过程中缓冲球与制冷机壳体的非接触状态。
6.根据权利要求1所述的一种适用于星载气体轴承制冷机的限位及防冲击结构，其特征在于：限位及防冲击结构(2)为电磁铁开关，在发射段及运输段时，电磁铁加电，制冷机主体被紧紧吸附在特定位置，在稳定工作时，电磁铁断电，此时制冷机主体呈自由工作状态。
7.根据权利要求1所述的一种适用于星载气体轴承制冷机的柔性冷链结构，其特征在于：柔性冷链结构(3)材料为厚度不超过0.03mm的铜箔或无氧铜丝或石墨烯膜或碳膜，柔性冷链的长度长于空间的实际距离。
8.根据权利要求7所述的一种适用于星载气体轴承制冷机的柔性冷链结构，其特征在于：柔性冷链结构(3)包括导热带，导热带两侧与冷头或待冷却表面连接处以金属薄板压制，并与制冷机冷头及待冷却表面连接。
9.根据权利要求8所述的一种适用于星载气体轴承制冷机的柔性冷链结构，其特征在于：在以金属薄板压制前，在待压制区域的金属箔片或薄膜层与层之间涂覆导热脂，或直接将待压制区域的导热材料制造成彼此不分层的连体结构，在导热带中间区域保证柔性导热材料形成层与层分离，层与层之间间隙为10μm-100μm。
10.根据权利要求1所述的一种适用于星载气体轴承制冷机的环路热管散热装置，其特征在于：环路热管散热结构(4)包括热端散热器及压缩机散热器，环路热管呈螺旋形排布，其一端埋在热端散热器和压缩机散热器内，另一端与卫星辐冷板相连。
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