相变材料作为驱动力在航天器上的研究与应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:许发铎

  大多数相变材料由固相转变为液相时,吸收相变潜热,相变材料体积膨胀;从液相转变为固相时放出相变潜热,体积缩小。利用相变材料的这种体积随相变而变化的特性,将一定量的相变材料封装在密闭容器中,通过环境温度引起相变材料相变,相变过程中因体积变化产生的力,为某些需要微小位移量的运动机构提供驱动动力。最后,实例说明相变材料这种特性在航天器微驱动上的应用。

引言

  在自然界中存在丰富的相变材料(Phase Change Materials,PCM),美国NASA Phase Change Materials Handbook 列出了五百多种相变材料。相变材料根据其物理和化学性质大致可分为:石蜡类、非石蜡有机物、水化盐、金属、熔盐低熔共晶物等。在诸多相变材料中,石蜡类相变材料以其熔点可选范围广(-5~66 ℃)、相变潜热高、无毒、无腐蚀性,且具有较稳定的物化性能等优点,在民用及航空航天领域常被列为优先选用的材料。

  通常状况下,相变材料在相变温度点附近吸收足够的热量后(相变材料的潜热、显热以及容器的显热:Q吸=QPCM+Q相显+Q容),从固相转变为液相;反之,当相变材料的温度下降到相变温度点后,由液相转变为固相,同时放出热量(热量为相变潜热、显热以及容器显热之和:Q出=QPCM+Q相显+Q容)。在一个温度循环中,相变材料的温变区间一致时,固相→液相与液相→固相所吸收和释放的热量是相等的,既:Q吸= Q出。

  大多数相变材料的状态从固相转变为液相时体积膨胀,相反则缩小,利用相变材料的这种体积随状态变化的特性,将一定量的相变材料密封在容器中为航天器微动机构提供驱动动力,改变某些特殊部件的相对位置关系,例如热控百叶窗驱动、太阳能帆板展开驱动等。L. Klintberg等利用石蜡在固相和液相之间转变时的体积膨胀力为卫星微机电推进器提供驱动力。研究表明在60 MPa压力下,相变材料仍可产生9%的体积膨胀率。D. C. Webb等利用石蜡相变材料的相变储能和体积膨胀特性,研制了温差能水下滑翔机。

1、体积膨胀率研究

  相变型微驱动机构中,相变材料的选择是一个比较关键的环节,需要考虑被控元件的温度控制要求以及密封装置的材料性质等因素。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为作为储热膨胀型相变材料的选型原则主要有以下几点:

  (1)相对较大的相变体积变化率;

  (2)无毒、无腐蚀性,物理化学性能稳定;

  (3)具有合适的相变温度点,良好的导热性能热扩散性能和较高的相变潜热量;

  (4)与容器之间具有良好的相容性。

  通过石蜡类相变材料正十三烷熔化和凝固实验,研究相变材料的膨胀率,得出相变材料在相变温度点附近体积对应温度的变化关系,通过这种变化关系,可以计算出相变材料的用量以及在相变时提供的相对位移量。

1.1、实验的材料与方法

  实验的相变材料选用纯度为99%的正十三烷450 ml,正十三烷的相变温度为-5 ℃。实验装置如图1所示。

相变材料膨胀系数实验

图1 相变材料膨胀系数实验

1. 温度循环实验箱;2. 量杯;3. 相变材料(正十三烷);4. 温度传感器1;5. 温度传感器2;6. 温度巡检仪

  将450 ml的相变材料装入量杯,在相变材料中浸入温度传感器1。调节实验箱温度,使实验箱的温度从室温降至相变温度点以下5 ℃,观察和记录相变材料的体积变化;然后温度升至室温。通过实验温度和体积得出相变材料的温度与体积之间的关系。

1.2、实验结果数据

  实验数据如表1和表2所列。从实验数据可以看出,当相变材料从起始温度28.7 ℃降至-10 ℃,相变材料从液相转变为固相,相变材料的体积随着温度的降低而变小。相变材料从液相28.7 ℃完全转变为固相-10 ℃时其体积减小7.78%。

表1 正十三烷相变实验结果

正十三烷相变实验结果

表2 体积变化实验结果

体积变化实验结果

  当相变材料的温度升高,进行逆向相变时相变材料的体积变化也为7.78%。将测得数据带入公式(1),得出相变材料在某个温度点的体积变化率ΔV 。

相变材料作为驱动力在航天器上的研究与应用

  式中:V 为相变材料的初始体积;Vt 为相变材料在某一温度点的体积。

2、应用

  利用相变材料在相变时的体积膨胀和收缩的力(相变指固相与液相之间的转换),可以为某些空间飞行器或民用产品的微动机构提供驱动力,驱动行程较小的可以直接驱动,对于行程较大的通过传动连杆将驱动行程放大。直接驱动可获得很大的驱动力,传动连杆驱动时,由于杆件力矩将损失部分的驱动力。

  相变驱动力不需要额外的电源支持和控制部件,只需要周围环境温度的变化引发相变材料的相变即可,相变产生的体积变化来驱动微动机构。这种驱动机构可极大的减少机构的部组件,将简化装置机构,以提高其可靠性。同时也为空间飞行器节约能量资源。为了提高相变材料的导热率,一般在相变材料中添加高导热率的填料,常用的有:铝粉末、铝(铜)泡沫、铝纤维、铝蜂板、肋板、三氧化二铝粉末、三氧化二铝泡沫、热解石墨等[7]。近几年随着航天技术的发展,依靠相变材料在相变时产生的力对一些微动机构的驱动研究和应用越发广泛了。

2.1、相变型热开关

  相变型热开关采用正十六烷作为相变材料,来驱动热开关热端的轴向移动。此类型相变型热开关行程间隙为0.5 mm左右。热开关需要具备较大的推力,以便将热开关的冷端和热端紧密的连接起来,形成传热良好的热通路。相变型热关原理图如图2所示。

热开关工作原理图

图2 热开关工作原理图

1. 冷端;2. 开关间隙;3. 热端;4. 弹性波纹管;5. 相变材料;6. 被控发热器件;7. 隔热外套;8. 相变材料封装口

  发热元件的热量通过热端传递到密封在弹性波纹管中的相变材料,相变材料开始吸收热量。当发热元件的温度达到相变材料的相变温度点后,相变材料开始从固态转变为液态,相变材料的体积膨胀,膨胀后的体积推动具有弹性的铜质波纹管伸长,当伸长量达到冷端与热端的间隙后,冷端与热端接触,热量开始从热端传递到冷端,并通过冷端散热面排到外部空间,起到对发热元件降温的作用。由于整套系统处于真空环境中,因此在热量传递中只有辐射和热传导。

  当发热元件的热量散失,温度开始变低,达到相变温度点时,相变材料从液态转变为固态,同时相变材料的体积减小,弹性波纹管在本身弹力的作用下缩短,冷端和热端分开,热通路断开,发热元件的温度也随之升高,完成一次温度调节。

2.2、相变驱动释放机构

  相变驱动释放机构是一种通过传动组件将微小的相变移动量放大,得到较长距离的位移或转动,释放机构原理图如图3所示,此机构是一种将微小的相变位移量放大的典型机构。机构包括:相变材料封装器、相变材料、传动组件、安全销、释放杆以及机构框架等。其工作原理与热开关相变材料的原理基本类似。

  融化膨胀的相变材料将推动杆向右推动,传动组件将微小的移动量按固定的比例关系放大以推开卡槽释放设备。凝固时复位弹簧将推杆推至0位,准备好下一次的释放准备。

释放机构示意图

图3 释放机构示意图

1.相变材料封装筒;2. 相变材料;3. 推动杆;4. 安全销钉5. 复位弹簧;6. 释放杆7.框架

3、结论与展望

  由实验得出相变材料在固相和液相之间转换时有8%左右的体积变化,将这变化的体积通过活塞、波纹管或皮囊等机构装置转变为定向的移动,这种定向的移动直接或间接地为需要微动目标机构提供驱动力。根据温度控制要求,可以选用不同相变温度点的相变材料,在选择相变材料时需要考虑相变材料与封装容器之间的相容性,以避免在工作期间因为腐蚀而发生相变材料的泄漏,降低相变驱动力或动力失效,同时相变材料污染其他设备元器件。随着航天的发展,节约空间、减轻重量和提高效能越来越受到重视,相变驱动装置不需要任何电源和控制单元,只要随着周围环境温度的交替变化,就可以达到控制和驱动的目的,节省了电力资源。这种驱动装置结构简单可靠性高,已受到航空航天以及民用领域的广泛关注。

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