一种半球谐振陀螺吸气剂散热装置及散热方法
技术领域
本发明涉及半球谐振陀螺仪领域，具体涉及一种半球谐振陀螺吸气剂散热装置及散热方法。
背景技术
半球谐振陀螺是一种全固态振动陀螺仪，它由高品质的熔石英玻璃材料，通过精密的机械加工，再配合复杂的辅助工艺制作而成。半球谐振陀螺具有可靠性高、精度高、寿命长、抗辐照能力强等优点，特别是它独有的长达15年以上的工作寿命特点，使其非常适合空间飞行器、卫星等空间应用场合，是宇航高可靠应用领域首选陀螺仪。
半球谐振陀螺核心关键部件是半球谐振子，谐振子在四波腹驻波模态下振动时，其驻波位置角与载体在空间的旋转相关，通过检测驻波位置角即可获得载体的空间旋转信息。为保证驻波的精确稳定，谐振子必须达到很高的品质因数即Q值，Q值定义为振荡所具有的能量与每个周期损耗的能量之比，因此，减小能量损耗是提高半球谐振子Q值的关键。半球谐振子振动能量损耗主要源于石英材料内摩擦力、表面质量缺陷、膜层损耗、空气阻尼等。为了减小空气阻尼对谐振子的能量损耗，半球谐振子必须置于真空环境中，且必须对真空环境进行长期维持以保证陀螺仪精度稳定不下降。这就需要在半球谐振陀螺真空腔室内配置吸气剂，用以吸附残留在各种材料中的残余气体以及材料微量泄漏进入的气体。
半球谐振陀螺通常选用非蒸散型吸气剂，它主要以锆或钛为基体，按一定比例和其它金属熔炼制成合金或混合粉末烧结而成。吸气剂在吸气之前，必须在真空气氛下进行加热处理，清除表面存在的钝化膜，露出新鲜金属层才能发挥吸气体功能，此过程即为激活。由于吸气剂合金材料具有导电性，通过对吸气剂施加电压可以让吸气剂发热，达到给定的温度并保持一定时间即可实现吸气剂激活。吸气剂激活时中心温度高达几百摄氏度，在真空中热量除了很小一部分以从引线以传导方式到达外壳外，其余大量热能以辐射方式向四周扩散，相当大部分被陀螺内部构件吸收，导致内部构件温度升高。工艺实践证明，吸气剂激活过程由于施加的电功率较大，持续时间较长，半球谐振陀螺真空腔室中缺乏热量传导途径，容易导致半球谐振陀螺内部温度过高，如果措施不当会融化内部焊料，出现装配精度丧失，陀螺功能失效等严重问题。此外，吸气剂激活过程会释放气体，一次性进行大功率激活不仅导致激活温度高，也会超过真空排气系统的排气能力造成真空泵损伤。
发明内容
为了解决上述半球谐振陀螺真空腔室中由于缺乏热量传导途径而导致的半球谐振陀螺内部温度过高的问题，本发明提供一种半球谐振陀螺吸气剂散热装置及散热方法，该装置可以保证在半球谐振陀螺吸气剂激活过程中陀螺内部温度不超限。
一种半球谐振陀螺吸气剂散热装置，包括：吸气剂3、半球谐振陀螺密封外壳4、包裹式吸气剂热量收集/传导装置8和水冷散热系统，密封外壳4内部为真空腔室2，包裹式吸气剂热量收集/传导装置8通过钎焊接在半球谐振陀螺的密封外壳4内壁；所述吸气剂3包裹于包裹式吸气剂热量收集/传导装置8内部，且吸气剂3与包裹式吸气剂热量收集/传导装置8内壁无接触；吸气剂3包括两个引脚5，两个引脚5通过密封外壳4上的绝缘子6通往真空腔室2外部；所述水冷散热系统设置在内壁焊接有包裹式吸气剂热量收集/传导装置8的密封外壳4外侧，水冷散热系统8通过水流循环带走并散发半球谐振陀螺密封外壳4内部的热量。
进一步的，包裹式吸气剂热量收集/传导装置8为柱体，柱体中表面积最大的一个平面焊接在半球谐振陀螺的密封外壳4内壁，柱体上方包括一个平面9。
进一步的，包裹式吸气剂热量收集/传导装置8内部设置有圆形通孔，且圆形通孔的半径大于吸气剂3外径，以便将吸气剂3包裹于圆形通孔内部但与圆形通孔内壁无接触。
进一步的，包裹式吸气剂热量收集/传导装置8采用导热率高的无氧铜材料。
进一步的，密封外壳4底部外侧在与包裹式吸气剂热量收集/传导装置8对应的位置设置有凸出的导热片/导热针，所述导热片/导热针选用绝缘高导热率材料，导热片/导热针被水冷散热系统的水冷头11包裹住，通过水冷头11中的水流将导热片/导热针上的热量散发出去。
进一步的，所述水冷散热系统包括水冷头11、循环泵12、储液器13、散热器14、硅胶管路15，所述水冷头11通过导热硅脂贴合在内壁焊接有包裹式吸气剂热量收集/传导装置8的密封外壳4一侧外壁，水冷头11上设置有两个管路接口；所述循环泵12设置于储液器13一侧，且内部互通，循环泵12上设置有两个管路接口；所述散热器14包括金属翅片16、风扇17和两个管路接口。
进一步的，水冷头11采用高导热率的紫铜材料。
进一步的，所述硅胶管路15包括第一硅胶管路、第二硅胶管路和第三硅胶管路，通过硅胶管连接水冷头11和循环泵12上的管路接口，形成第一硅胶管路；通过硅胶管连接水冷头11和散热器14上的管路接口，形成第二硅胶管路；通过硅胶管连接散热器14和循环泵12上的管路接口，形成第三硅胶管路。
一种半球谐振陀螺吸气剂散热方法，包括以下步骤：S1、吸气剂激活：为吸气剂逐次施加电流，施加的初始电流为2A，以后逐次增加0.5A直到极限电流，具体包括：在密封外壳4的绝缘子6上施加第一次电流进行第一次激活，第一次施加的电流为2A，以真空腔室2内出现气压转折点时为标志开始计时等待30秒断电，结束第一次激活过程；当真空腔室2内的气压低于1×10－5Pa时，在密封外壳4的绝缘子6上开始施加第二次电流，第二次施加的电流为2.5A，以真空腔室2内出现气压转折点时为标志开始计时等待30秒断电，结束第二次激活过程；……以此类推，进行最后一步激活时，当气压基本接近第一次激活前的气压时断电，确保吸气剂彻底激活；S2、吸气剂激活过程中，测量密封外壳4的温度，当密封外壳4的温度达到阈值时，打开水冷散热系统的循环泵12和散热器14，由于水流循环的作用将密封外壳4上的热量散发到环境中。
本发明的有益效果：
1.本发明设计一种包裹式结构，将吸气剂本体大部包裹，阻断热量辐射通道，该结构吸收到的热量通过结构体与外壳大面积的接触导向外壳，实现了热量的收集和传导，从而大大减少了向陀螺内部扩散的热量。随着热量传导到陀螺外壳，陀螺外壳的温度逐步提高，水冷散热系统通过水流循环高效率带走并散发陀螺外壳热量，降低陀螺外壳温度，间接降低并控制陀螺内部温度到一个低于熔点熔化温度的安全值。
2.本发明分步激活吸气剂，避免吸气剂激活过程中一下子释放过多气体，以时间和真空腔室内的气压作为分步激活的判据，真空腔室内的气压容易测得，因此本发明的激活方法操作简单，测量值少，省时省力，有一定的优势，该分步激活方法有效避免吸气剂激活过程中的释放气体超过真空排气系统的排气能力而造成真空泵损伤问题，此外，本发明具有判据清晰，过程可控，真空系统运行平稳的优点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为半球谐振陀螺内部结构示意图；
图2吸气剂热量收集/传导装置安装示意图；
图3吸气剂散热装置结构图；
图4水冷散热系统组成示意图；
图5吸气剂分步激活气压变化示意图；
图中标记：谐振子1，真空腔室2，吸气剂3，密封外壳4，吸气剂引脚5，绝缘子6，焊接点7，包裹式吸气剂热量收集/传导装置8，平面9，包裹式吸气剂热量收集/传导装置底面10，水冷头11，循环泵12，储液器13，散热器14，硅胶管路15，金属翅片16，风扇17。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
吸气剂3的激活过程必须在真空下进行，给吸气剂3通上一定的电流，吸气剂3内部温度逐步升高，通过反应清除表面存在的钝化膜，露出新鲜金属层。这个激活过程吸气剂会释放气体，排气系统需要将释放的气体排除。由于整个激活过程时间比较长，吸气剂的温度最高可达数百摄氏度。吸气剂释放的热量除了一小部分通过两个引脚5、绝缘子6传导到真空腔室2外部，其余热量主要通过空间辐射途径到达真空腔室2内壁以及谐振子1等石英部件。石英部件导热性比较差，吸收到的热量累积后会导致温度逐步升高，最终使得焊接点7处温度超过焊料温度，焊料融化。谐振子1在重力作用下发生移位，严重时甚至滑脱，造成产品故障。半球谐振陀螺的结构如图1所示，半球谐振陀螺的结构包括：谐振子1、真空腔室2、吸气剂3、密封外壳4，密封外壳4内部为真空腔室2，密闭的真空腔室2是为了减小空气阻尼对谐振子1造成能量损耗，所述谐振子1设置于真空腔室2内部；所述吸气剂3通常设置于密封外壳4内壁上，且所述吸气剂3与谐振子1之间存在间隔，所述吸气剂3两端设置有两个引脚5，两个引脚5通过真空腔室2上的绝缘子6通往真空腔室2外部，便于给吸气剂3通电。
基于上述半球谐振陀螺真空腔室中由于缺乏热量传导途径而导致的半球谐振陀螺内部温度过高、产品故障等问题，本实施例提供一种半球谐振陀螺吸气剂散热装置，包括：包裹式吸气剂热量收集/传导装置8和水冷散热系统，如图2所示，包裹式吸气剂热量收集/传导装置8通过钎焊接在半球谐振陀螺的密封外壳4内壁，由于钎焊焊料的熔化温度高于吸气剂3的最高激活温度，因此当吸气剂3激活时导致半球谐振陀螺内部温度升高时，不会造成包裹式吸气剂热量收集/传导装置8的熔化。
包裹式吸气剂热量收集/传导装置8远离半球谐振陀螺的内部器件，即与半球谐振陀螺的内部器件之间间隔一定距离，该设计使得包裹式吸气剂热量收集/传导装置8吸收的热量不会很快散发到在真空腔室内部，从而造成半球谐振陀螺内部器件损坏。
在一个优选实施例中，所述包裹式吸气剂热量收集/传导装置8为柱体，柱体的左右两端为大小、形状相等的平面，柱体底部为矩形底座，柱体上方包括一个平面9(该平面9的作用为：粘贴测温铂电阻用于测试热阻。)。
在一个优选实施例中，包裹式吸气剂热量收集/传导装置8内部设置有圆形通孔。
所述吸气剂3包裹于包裹式吸气剂热量收集/传导装置8的圆形通孔内部，且吸气剂3与包裹式吸气剂热量收集/传导装置8内壁无接触；吸气剂3包括两个引脚5，吸气剂3的两个引脚5分别从包裹式吸气剂热量收集/传导装置8的通孔两端伸出，并通过密封外壳4上的绝缘子6通往真空腔室2外部，以便给吸气剂3通电。密封外壳4上的绝缘子6为一根金属管，金属管的维度刚好能包裹住引脚5，通电时，绝缘子6作为内外电信号的通道。绝缘子6与封闭外壳之间有一层玻璃以实现与封闭外壳绝缘，同时保证真空腔室2的气密性，在为引脚5加电流信号时，由于玻璃的作用，密封外壳始终处于无电流的安全状态，不会对密封外壳4造成影响。
在一个优选实施例中，包裹式吸气剂热量收集/传导装置8的圆形通孔半径大于吸气剂3的外径，使得吸气剂3能包裹于通孔内部且吸气剂3与孔内壁无接触，便于吸气剂3激活时进行气体释放。
在一个可选的实施例中，所述包裹式吸气剂热量收集/传导装置8为半圆形腔体，圆形底面焊接在半球谐振陀螺的密封外壳4内壁，半圆形腔体内部为半圆形空腔，空腔的大小大于吸气剂3的体积，以便容纳吸气剂3并阻隔吸气剂3的热量；所述圆形腔体上设置有两个小孔，吸气剂3的两个引脚5通过该小孔以及密封外壳4上的绝缘子6通往真空腔室2外部；腔体上方设置有一个平面9，所述平面9用于粘贴测温铂电阻用于测试热阻。
包裹式吸气剂热量收集/传导装置8的作用包括：1)对吸气剂的辐射热量进行包裹式捕获收集，避免热量向外辐射，特别是阻挡热量往内部器件方向辐射；2)把收集到的热量通过传导方式导向封闭外壳4。
在一个优选实施例中，包裹式吸气剂热量收集/传导装置8采用导热率高的无氧铜材料加工而成。
在一个优选实施例中，所述包裹式吸气剂热量收集/传导装置8的形状为D形柱，如图2所示，且D形柱的中部设置有一个圆形通孔，圆形通孔半径大于吸气剂3的外径，使得吸气剂3能包裹于通孔内部且吸气剂3与圆形通孔内壁无接触，所述D形柱上表面积最大的一个平面焊接在半球谐振陀螺的密封外壳4内壁。优选的，D形柱的结构尺寸设计为：长L、宽W、高H和圆形通孔直径为D，如图3所示。
可选的，除了上述实施例描述的形状外，包裹式吸气剂热量收集/传导装置8的形状也可以选择其他形状，但必须具备以下两个特征：特征一：尽量包裹/遮挡吸气剂3，以便于对吸气剂的辐射热量进行捕获收集，避免热量向外辐射，特别是阻挡热量往内部器件方向辐射；特征二：与密封外壳4有大的接触面积，以便于将热量快速传递到封闭外壳4上。
在一个优选实施例中，密封外壳4底部外侧在与包裹式吸气剂热量收集/传导装置8对应的位置设置有凸出的导热片/导热针，所述导热片/导热针选用绝缘高导热率材料，导热片/导热针被水冷散热系统的水冷头11包裹住，导热片/导热针的作用主要是增加包裹式吸气剂热量收集/传导装置8与循环水流的接触面积，使散热更加迅速，通过水冷头11中的循环水流将导热片/导热针上的热量散发出去。
包裹式吸气剂热量收集/传导装置8将吸气剂大部份进行了包裹，吸气剂激活过程中辐射的热量绝大部分被装置吸收，避免了热量直接辐射到其他构件。装置吸收热量后其温度也将升高，变成新的辐射源，为了控制半球谐振陀螺真空腔室内部的温度处于一个低值，因此，必须将包裹式吸气剂热量收集/传导装置8的温度控制在一个低值以下，包裹式吸气剂热量收集/传导装置的温度取决于热阻公式：
式中，热阻R定义为内外温差与功率的比值，T1为密封外壳4外表面温度，T2为包裹式吸气剂热量收集/传导装置8表面温度，P为收集到的吸气剂功率。热阻R只取决于热量传导通路的物理结构与材料特性，不随功率和温度而变化，因此，热阻一旦通过设计进行确定，内部温度就可以通过外部温度进行测量和控制。
如图3所示，在装置顶部平面9以及密封外壳4外表面粘贴测温铂电阻，用功率电阻器代替吸气剂提供热源，试验测定了热量收集/传导装置到密封外壳外表面的热阻R为3.2℃/W。
当吸气剂激活时，密封外壳外表面温度T1可在线测量，吸气剂发热功率P通过施加的电压和电流可以计算得到，同时假设这些功率全部由热量收集/传导装置所吸收，则装置表面温度可以由热量收集/传导装置表面温度公式计算得到：
T2＝T1+3.2P
采用本发明的包裹式吸气剂热量收集/传导装置8后，在满功率激活状态下，吸气剂功率约为10W，根据上式计算可知包裹式吸气剂热量收集/传导装置8表面温度高于密封外壳4外表面温度32℃，假设密封外壳4外表面温度控制在30℃以内，则包裹式吸气剂热量收集/传导装置8表面温度最高也就62℃，远远低于焊接点7处的焊料熔化温度，可以确保激活过程不会导致焊接点融化。本发明的热量收集/传导装置8是一种包裹式结构，将吸气剂3本体大部包裹，阻断热量辐射通道，包裹式吸气剂热量收集/传导装置8吸收到的热量通过结构体与外壳大面积的接触导向密封外壳4，实现了热量的收集和传导，从而大大减少了向陀螺内部扩散的热量。
随着热量传导到陀螺外壳，陀螺外壳的温度逐步提高，这些热量如果无法散发仍将逐步抬升陀螺内部温度，由于陀螺外壳与空气接触面积不大，自然的空气传导与对流散热不足以保证陀螺内部温度不超限。激活工艺试验表明，如果激活过程中如果外壳只暴露在室温空气中，利用空气传导和对流自然散热，满功率10W激活时外壳温度会超过130℃。由热阻公式可知陀螺内部温度超过162℃，仍有可能导致振子焊接点融化，为此，本发明采用了水冷散热系统进一步降低外壳温度，水冷散热系统通过水流循环高效率带走并散发陀螺外壳热量，降低陀螺外壳温度，间接降低并控制陀螺内部温度到一个低于熔点熔化温度的安全值。
如图4所示，所述水冷散热系统包括水冷头11、循环泵12、储液器13、散热器14、硅胶管路15，所述水冷头11通过导热硅脂贴合在内壁焊接有包裹式吸气剂热量收集/传导装置8的密封外壳4一侧外壁，水冷头11上设置有两个管路接口；所述循环泵12设置于储液器13一侧，且内部互通，循环泵12上设置有两个管路接口；所述散热器14包括金属翅片16、风扇17和两个管路接口。
在一个优选实施例中，所述水冷头11采用高导热率的紫铜材料制成。
所述硅胶管路15包括第一硅胶管路、第二硅胶管路和第三硅胶管路，通过硅胶管连接水冷头11的其中一个管路接口和循环泵12上的其中一个管路接口，形成第一硅胶管路；通过硅胶管连接水冷头11的另一个管路接口和散热器14上的其中一个管路接口，形成第二硅胶管路；通过硅胶管连接散热器14的另一个管路接口和循环泵12上的另一个管路接口管路接口，形成第三硅胶管路。
密封外壳4和包裹式吸气剂热量收集/传导装置8上的热量由水冷头11传导到水冷头11内部的水流中，循环泵12将水冷头中被加热的水抽走送入散热器。散热气将水中热量传递到内部具有很大表面积的金属翅片16，风扇17吹风将金属翅片的热量排出到空气中，水散发热量后温度降低回到储液器中，随后再次被送到水冷头完成一个循环。
水冷散热系统以液体为介质，将半球谐振陀螺密封外壳4热量带走并高效散发到空气中，散热效率很高。经实际测试，吸气剂满功率激活时，外壳温度可以稳定保持在室温以上5℃以内。由热量收集/传导装置表面温度公式可知，室温25℃环境下满功率激活时，半球谐振陀螺内部的包裹式吸气剂热量收集/传导装置8的温度约为62℃，陀螺内部任何部分温度都不会高于此温度，确保了内部结构的安全。
一种半球谐振陀螺吸气剂散热方法，包括但不限于如下过程：
1、首先进行吸气剂激活：传统的分步激活方法通常基于吸气剂的温度来确定的，由于吸气剂在封闭外壳内部，要测定吸气剂或者封闭外壳内部的温度有很大困难，因此传统的分步激活方法需要测量的数据多，且可控性较差。基于此，本发明采用一种半球谐振陀螺吸气剂激活方法，如图5所示，包括以下步骤：为吸气剂逐次施加电流，施加的初始电流为2A，以后逐次增加0.5A直到极限电流，具体包括：在密封外壳4的绝缘子6上施加第一次电流进行第一次激活，第一次施加的电流为2A，加电后观测气压变化，随着吸气剂被电功率加热温度升高，释放气体越来越快并超过真空泵排气速度，该过程气压将逐步增加，当吸气剂释放快完成时，排气速度快于释放速度，气压会由增加转变为开始降低，以真空腔室2内出现气压转折点时为标志开始计时等待30秒断电，结束第一次激活过程；当真空腔室2内的气压低于1×10－5Pa时，在密封外壳4的绝缘子6上开始施加第二次电流，第二次施加的电流为2.5A，以真空腔室2内出现气压转折点时为标志开始计时等待30秒断电，结束第二次激活过程；……以此类推，进行最后一步激活时，当气压基本接近第一次激活前的气压时断电，确保吸气剂彻底激活。本发明的分步激活方法，激活过程最大气压保持在1×10－3Pa以上，真空系统运行平稳。
本发明的分步激活方法只以气压和时间作为分步激活的判据，真空腔室内的气压容易测得，因此本发明的激活方法操作上更加简单，测量值更少，省时省力，有一定的优势。该分步激活方法作为整个激活过程中真空腔室内部温度控制的一个措施，能够降低密封外壳的温度控制真空腔室的温度，使真空腔室的温度限制在一个安全值内，保护半球谐振陀螺的器件。
2、吸气剂激活过程中，测量密封外壳4的温度，当密封外壳4外表面的温度达到阈值时，打开水冷散热系统的循环泵12和散热器14，由于水流循环的作用将密封外壳4上的热量散发到环境中去，控制密封外壳4内部的温度始终保持在使半球谐振陀螺正常工作的安全温度范围内。
进一步的，在一个优选实施例中，阈值的一种确定方式包括：阈值＝焊接点7的焊料熔化温度-30-k，k为安全温度差，且5<k<15。
上述技术方案仅体现了本申请技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本申请的原理，属于本申请的保护范围之内。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端””、“两端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“内”、“前部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本申请的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本申请的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由所附权利要求及其等同物限定。
