冷链的研制及其热传导性能的试验

冷链的研制及其热传导性能的试验研究摘要：在空间机械制冷系统中，面对大规模焦平面探测器的使用，为了达到探测器温度均匀性的要求、实现大冷量的有效传输，并减小制冷机的振动可能对探测器的影响，该文讲述了专用的冷链研制，并设计了专用的试验设备，进行了大量的试验，并对试验数据进行了处理，结果表明，该冷链的研制达到了设计的要求，能够实现其研制目的。关键字：空间制冷冷链热导率0引言随着空间红外探测技术的发展，空间制冷技术也得到了高速的发展，已出现了多种制冷方式，如辐射制冷、机械制冷、复合制冷等，而机械制冷中又有斯特林制冷、脉管制冷等。其结构形式则是多种多样，如辐射制冷器中就有W型、L型、G型、V型、O型等，而机械制冷的结构形式则更是多种多样，很不规则，针对每一不同的探测器及冷箱结构，就会有不同的制冷结构形式。目前，随着空间红外探测器由单元、多元，发展到大规模焦平面，对空间制冷技术也提出了更高的要求。由于焦平面探测器探测元数多，导致其长度或面积很大，而其温度均匀性必须被控制在很小范围内，因此不能简单的采用制冷机冷头与探测器冷平台直接联接的方式，必须对其进行多点制冷，同时涉及到对制冷机冷量的有效传输，而探测器对制冷机的振动也更加敏感，必须尽可能减小制冷机的振动对探测器的影响，因此，需要设计专用的冷链来实现以上两个目的。1冷链的研制情况在空间应用领域，冷链的研制与其实用性是密切相关的，因此，国内参与研制的单位并不多。我们的研制也是以具体的型号任务研制为背景的，具有很强的针对性，但其研制工艺具有普遍的意义，可为将来大规模焦平面探测器及大冷量制冷机的大量应用积累技术储备。1.1冷链材料的选择冷链的研制目的之一是要在低温下实现高效传热，因此，其材料必须具备良好的低温热导率。图1所示为不同材料间热导率与温度间的关系。由于焦平面探测器的工作温度大多在100K左右，从图中可以看出，在此温度范围内，钻石的热导率是最高的，其次是纯铜，然后是纯铝等。由于我们研制的冷链还必须起到隔振的作用，因此，采用钻石不能满足要求，且价格昂贵。而高纯铜则不同，经过退火处理的铜片或铜丝具有很好的柔性，且低温热导率比铝好，因此，我们选用高纯铜作为研制冷链的材料。图1不同材料间热导率与温度间的关系1.2冷链的研制以高纯铜为材料来研制冷链，其原料的主要结构形式可有两种考虑，即铜丝和铜片。以往的研究表明，以铜丝作为材料来研制冷链，其头部的固定将会非常困难，而为了达到很好的传热效果，以及从冷链的可靠性上考虑，需将铜丝捆绑在一起，这时会发现，冷链将变得很硬，从而失去我们所需要的柔性。因此，我们选择铜片作为研制冷链的原料。图2所示为我们研制的冷链样品的实物照片。在研制过程中，我们选择了厚度为0.1mm，经过退火处理的高纯铜片为原料，根据高纯铜的相关物性作了初步计算，以确定铜片的相关尺寸，接下来将铜片切割成我们所需要的尺寸，然后采用特殊的焊接工艺将铜片两端焊接在一起，最后在焊接好的两端打孔，用以固定冷链。2冷链的试验样品冷链研制完成后，其最重要的性能就是它在低温下的热传导性能，即冷链的低温热导率。为此，我们设计了专用的液氮杜瓦，并进行了充分的试验，获得了大量的数据。2.1冷链试验用液氮杜瓦的设计液氮杜瓦基本结构如图3所示，主要由内胆和外壳组成。试验时，中间利用分子泵机组抽真空，使其保持较高真空状态；为了防止液氮的过度蒸发，在杜瓦内胆上包有多层绝热层，从而大大减小液氮杜瓦内胆与外壳之间的辐射换热。穿冷链一端安装形在杜瓦内胆的托底部，而另一利端悬空，上面饼装有两只铂电星阻和一只加热贷片，其电极引任线通过液氮杜评瓦外壳上的密皆封插座引出。离2.2地雨冷链的试验桐冷链安装在试衔验液氮杜瓦内用，并连接好测时温铂电阻及加纽热片引线，同颠时在杜瓦外部税连接两只万用余表来测量铂电咽阻的阻值变化陡，另外串接一垄台稳压电源和听一只万用表，恨用以实现对加煤热片加热，然侮后便可开始试三验。云测量冷链低温亚热导率的试验滥过程大致可分握为三个阶段：巾第一阶段为杜净瓦抽真空阶段项。利用与杜瓦贯抽气口相连的春分子泵抽气机敏组，使杜瓦内默真空度达袜到加1×10府-4藏P俗a吨以下后，便可右进行第二阶段角的工作。守第二阶段为降哪温阶段。在杜她瓦内加入液氮语，同时记录铂包电阻的阻值变痛化情况。待铂柄电阻的阻值稳眠定后，便可进愚行第三阶段工桌作。帐第三阶段为加魄热阶段。利用知稳压源和万用饥表，向加热片走通入电流，使畜加热片获得恒经定的加热功率恼，同时记录铂派电阻的电阻变询化情况，待稳村定后便可停止关加热。津为了获得更可依靠的结果，可昼改变加热片的剑加热功率，以舅获得多组冷链极的传热数据，摆从而为数据处怒理提供足够的废资源。失3属试验数据的处暗理昨在试验过程中厕，冷链的传热叶性能通过安装屯在其上的两个述铂电阻和一个投加热片来反映辉。铂电阻的阻忘值通过高精度珍万用表测得，西然后与铂电阻械的标定值进行伙比较，从而得喝出任意时刻准纵确的温度值。绿加热片的加热愚功率则通过恒猪流源和高精度舞万用表来控制尾，利用测得的括加热片的电阻名值，以及万用崇表测得的电流场值，由公式气走顾（恩1爪）礼准确计算得出酒。天图缺4斜所示为其中一岩次试验过程中欺记录的冷链两矩端的温度变化悦情况，以及加浪热后的温度变坑化情况。图中萝，曲崖线距B窗和曲再线两C森所示分别为铂山电策阻洋4拔和铂电格阻坐7世所测得的降温祸曲线，曲举线萝D谜和曲四线看E忆分别为铂电疼阻壮4暮和铂电好阻作7阔所测得的在加沿热后的温度变英化曲线，而我服们最关心的则纵是在稳定后的消温度值。榴试验过程中，佛由冷链本身造驾成的冷量损失渡主要由三部分滑组成：固体导鞋热、表面辐射残传热和残余气形体导热。而试呼验本身并未测权出该部分冷损套值，暂且以拿来表示。在液抱氮杜瓦的温度挽、内部压强保期持不变的情况林下，冷链的表阁面辐射传热和贪残余气体导热劈将保持不变，要而不会对试验火数据的处理造摘成影响，由此怀，将全部肥看作是由于固携体导热而造成木的冷量损失，变当加热片加热仰量为零时，由妖固体传导漏热破公式得警园威（屯2亦）避式中：诞—侄冷链的低温热丸导率；膊—遍冷链传热方向缎上的横截面积膜；牛，如—符铂电抱阻在4愧和偏7吹测得的稳定温海度值；新—子冷链的有效长匆度。艺此时，公式中稻和马均为未知量，许因此无法计算挣出各自的值，救而外则为我们需要杠的量。至在冷链的加热符片上通上几十既毫安的微小电汉流，施加功率常为的加热，稳躁定后可测得此芬时铂电阻的电贡阻值，从而得娇出冷链两端的细温度值，分别没表示为渐和。由于爽，与雨，之间的相对传变化量很小，卷由此引起的拥的变化量就非烂常小，因此，划可看成是一定胖值，同时忽略始此时跪的变化量，由嚼此可得暮绵些（指3旗）扰由公式释（葛2膏）和堡（遥3碧）便可计算出悲此时冷链的低器温热导率绢。趴在试验过程中搬，通过改变加拢热片的加热功尽率，得出了多抢组稳定的温度骂值，后以加热客功率最接近的喝两组测量值组贼成一组，代入角公式组成方程放组，解出多个梳值，对各仍值取平均，以环表示，便可近士似看作该温度唤点附近的热导爽率。暂从试验结果来孩看，冷链在我闯们需要的温度彩范围内的低温泡热导率已接近超高纯铜本身的雁值，因此，该示冷链的研制是重成功的，可以盗满足实际应用辛的要求。4结论杂经过一段时间洲的工作，我们垫研制出了样品陷冷链，并对其更进行了充分的半试验，获得了鸟所研制的冷链灵的低温传热性弓能。数据表明京，其传热性能葡达到了设计时俘提出的要求，盼是可以满足应摇用需要的。翅在冷链的研制顾过程中，我们滋总结出了一套嘉完整的研制工吸艺，并可根据拨具体的要求，仇