1.中国电子科技集团公司第十六研究所 合肥 230043
2.安徽省低温与制冷技术省级重点实验室 合肥 230043
摘要：热开关是一种可用于热控制的器件，具有导通和断开状态且可以控制导热通路开断的热控制器件。形状记忆合金(SMA)材料的发生由温度产生的相变时，弹性模量变化很大，SMA器件受到结构限制时能提供驱动力，利用该性质研制了一种热开关，由形状记忆合金作为感温和驱动元件，对该类热开关的固有特性进行了详细研究，并试验测出了样件闭合热阻和断开热阻。
关键词：记忆合金；热开关；SMA；热控制；热阻
1引言
接触式热开关可以实现热传导的开关作用，是一种通过改变导热路径的热阻而实现热控制的装置，早在20世纪60年代国外就开始了这种装置的研制，并在很多热控制领域获得实际应用。
利用热开关可以实现设备与热源或热沉的导通和断开，达到热控制的目的。比如，对于一些利用固体或液体制冷剂作为载冷剂的超低温制冷系统，为了减少制冷剂额外损耗，延长制冷系统的工作寿命，可以通过热开关把非工作状态的热负载与制冷系统的冷头进行热断开，负载工作时再热接通。Starsys公司和喷气推进实验室(JPL)曾共同研制出了用于漫步者火星探测器(MER)的石蜡热开关[2,3]，选用的石蜡固液相变温度点在18℃左右，热开关完全闭合时热阻1.67 K/W，断开时热阻为52.6 K/W；作为探测器第二块电池热控系统的一部分，成功应用在2003年和2004年的火星探测任务中。
2记忆合金热开关的设计与分析
2.1 结构及原理
热开关的结构包括螺母、移动块、柔性导热带、绝热套、记忆合金弹簧、偏置弹簧、弹簧垫、支撑、导热筒、底盖等部分组成，柔性导热带的作用是在开关闭合时进行热量传导，同时由于其具有柔性，不会阻碍开关动作；移动块可以上下运动，完成热开关的断开、闭合动作；导热筒与被控设备连接，是热量传导的主要通路；底盖用来支撑偏置弹簧；中心支撑被限制在绝热筒和底盖中间，用来支撑和带动移动块；记忆合金弹簧能够感受导热筒温度的变化并提供闭合所需驱动力；偏置弹簧的作用与记忆合金弹簧相反，提供断开所需的驱动力。热开关主体的质量(不包括导热带)为65g，长度32mm，直径23mm。工作行程(断开最大间隙)为1.5mm。当导热筒温度升高到闭合温度点时，记忆合金弹簧开始发生奥氏体相变，剪切模量增大，弹簧刚度也增大，于是克服偏置弹簧的弹力，实现热开关闭合；当导热筒温度降低至断开温度点时，热开关断开。
2.2 计算与分析
图2 SMA弹簧温度分布(左) 导热热流量和辐射热流量的变化(右)
可以明显看出，180s以前导热热流量占绝对优势，但是由于导热端的温度梯度下降速度很快，所以传导的热量迅速衰减，180s以后已经低于辐射热流量。而辐射热流量比较平稳，下降较慢，且在180s以后大于导热热流量。辐射换热是SMA弹簧后期获取热量的主要途径，其对开关时间的影响不可忽略，由此可知增加弹簧表面以及导热筒内壁的发射率可以加快开关的响应速度。
3 热开关实验测试
3.1实验装置
整个试验装置由真空系统、温度调节部分、状态指示器、测温系统等部分组成。冷却容器用来根据需要对热开关进行冷却，冷端恒温容器装满制冷剂维持恒温；状态指示器用来显示热开关的当前状态，当热开关闭合时指示灯变亮；通过改变加热器加载的电压实现加热功率和温度调节，从而控制热开关的闭合与断开；测温元件采用铂电阻。
3.2 实验方法及测试结果
3.2.1 热开关动作时间和动作温度点
测量闭合时间、闭合温度点的方法如下：在室温20℃环境条件下，热开关处于断开状态，开启加热器对热端加热，并记录时间和T1温度值。经历15.5 min后热开关闭合，此时热端温度T1为42℃，即为热开关的闭合温度点。实际应用中，闭合所需时间与热端温度、热端的发热功率都有关。然后测试断开时间、断开温度点：当热开关完全闭合且达到稳态导热后（T1、T2、T3温度不再变化），停止加热并向冷却容器注入冷却剂，对热端降温。经历8 min后热开关断开，测得断开温度点为26.5℃。
3.2.2 工作特性和闭合、断开热阻
将加热功率维持在一个固定值，等达到稳态导热时，记录加热功率、各测温点的读数。测试结果表明，在热开关处于断开状态，随着T1的增加,T2的变化较小，而且T1与T2维持着较大的温差；当热开关闭合后，随T1的增加T2开始出现大幅上升，当T1在48℃左右时，T2值已经升高至接近T1的值。随T1的增加，T2与T3的差值逐渐加大，反应了通过导热带的导热量Q的变化，可见在断开状态，导热量很小；当T1超过热开关的闭合温度点后，导热量大幅度上升。稳态导热的情况下，根据测试数据可算出断开热阻为68.8K/W(T1为36℃时)，完全闭合热阻为4.81 K/W(T1为48.5℃时)。
3.3 热开关的性能比较
美国Starsys公司于2002年研制了用于漫步者火星探测器的石蜡驱动热开关，用来控制电池组的温度。表1是所述记忆合金热开关与漫步者所用石蜡热开关的参数比较，可见，本文所述热开关重量仅有65g，而后者达160g；闭合热阻、断开热阻均大于后者。
4结论
从理论计算、样机设计和实验测试三个方面对形状记忆合金热开关进行了详细研究，本文提出的热开关采用形状记忆合金作为驱动元件，容易加工和装配，结构稳定性较好。对热开关进行了运动和力学分析以及热分析，并给出了闭合接触压力的关系表达式。实验测试表明，本文提到的热开关能够很好的实现闭合和断开，对温度变化的响应速度快，有一定的开关比。本文介绍的热开关为记忆合金器件在器件热控中的应用提供了参考，也可广泛应用于各种防护工程设备中，如矿难救生设备之类无供电电源的场合、不适合人进入的场合等等。
参考文献
[1]候增祺，胡金刚. 航天器热控制技术[M].第一版.北京：中国科学技术出版社,2007.215-222.
[2]程饴萱，陈继勤，李铭棠. 形状记忆合金与热双金属片特性的比较[J].材料科学与工程，1989,7(2):32-36,48.
[3]龚钊，杨春信. 接触热阻理论模型的简化[J]. 工程热物理学报，2007,28(5):850-852.
论文作者:张文千
论文发表刊物:《防护工程》2017年第11期
论文发表时间:2017/9/19
标签：温度论文; 合金论文; 弹簧论文; 记忆论文; 状态论文; 测温论文; 石蜡论文; 《防护工程》2017年第11期论文;