冷鏈的研制及其熱傳導性能的試驗研究摘要：在空間機械制冷系統(tǒng)中，面對大規(guī)模焦平面探測器的使用，為了達到探測器溫度均勻性的要求、實現大冷量的有效傳輸，并減小制冷機的振動可能對探測器的影響，該文講述了專用的冷鏈研制，并設計了專用的試驗設備，進行了大量的試驗，并對試驗數據進行了處理，結果表明，該冷鏈的研制達到了設計的要求，能夠實現其研制目的。關鍵字：空間制冷冷鏈熱導率0引言隨著空間紅外探測技術的發(fā)展，空間制冷技術也得到了高速的發(fā)展，已出現了多種制冷方式，如輻射制冷、機械制冷、復合制冷等，而機械制冷中又有斯特林制冷、脈管制冷等。其結構形式則是多種多樣，如輻射制冷器中就有W型、L型、G型、V型、O型等，而機械制冷的結構形式則更是多種多樣，很不規(guī)則，針對每一不同的探測器及冷箱結構，就會有不同的制冷結構形式。目前，隨著空間紅外探測器由單元、多元，發(fā)展到大規(guī)模焦平面，對空間制冷技術也提出了更高的要求。由于焦平面探測器探測元數多，導致其長度或面積很大，而其溫度均勻性必須被控制在很小范圍內，因此不能簡單的采用制冷機冷頭與探測器冷平臺直接聯接的方式，必須對其進行多點制冷，同時涉及到對制冷機冷量的有效傳輸，而探測器對制冷機的振動也更加敏感，必須盡可能減小制冷機的振動對探測器的影響，因此，需要設計專用的冷鏈來實現以上兩個目的。1冷鏈的研制情況在空間應用領域，冷鏈的研制與其實用性是密切相關的，因此，國內參與研制的單位并不多。我們的研制也是以具體的型號任務研制為背景的，具有很強的針對性，但其研制工藝具有普遍的意義，可為將來大規(guī)模焦平面探測器及大冷量制冷機的大量應用積累技術儲備。1.1冷鏈材料的選擇冷鏈的研制目的之一是要在低溫下實現高效傳熱，因此，其材料必須具備良好的低溫熱導率。圖1所示為不同材料間熱導率與溫度間的關系。由于焦平面探測器的工作溫度大多在100K左右，從圖中可以看出，在此溫度范圍內，鉆石的熱導率是最高的，其次是純銅，然后是純鋁等。由于我們研制的冷鏈還必須起到隔振的作用，因此，采用鉆石不能滿足要求，且價格昂貴。而高純銅則不同，經過退火處理的銅片或銅絲具有很好的柔性，且低溫熱導率比鋁好，因此，我們選用高純銅作為研制冷鏈的材料。圖1不同材料間熱導率與溫度間的關系1.2冷鏈的研制以高純銅為材料來研制冷鏈，其原料的主要結構形式可有兩種考慮，即銅絲和銅片。以往的研究表明，以銅絲作為材料來研制冷鏈，其頭部的固定將會非常困難，而為了達到很好的傳熱效果，以及從冷鏈的可靠性上考慮，需將銅絲捆綁在一起，這時會發(fā)現，冷鏈將變得很硬，從而失去我們所需要的柔性。因此，我們選擇銅片作為研制冷鏈的原料。圖2所示為我們研制的冷鏈樣品的實物照片。在研制過程中，我們選擇了厚度為0.1mm，經過退火處理的高純銅片為原料，根據高純銅的相關物性作了初步計算，以確定銅片的相關尺寸，接下來將銅片切割成我們所需要的尺寸，然后采用特殊的焊接工藝將銅片兩端焊接在一起，最后在焊接好的兩端打孔，用以固定冷鏈。2冷鏈的試驗樣品冷鏈研制完成后，其最重要的性能就是它在低溫下的熱傳導性能，即冷鏈的低溫熱導率。為此，我們設計了專用的液氮杜瓦，并進行了充分的試驗，獲得了大量的數據。2.1冷鏈試驗用液氮杜瓦的設計液氮杜瓦基本結構如圖3所示，主要由內膽和外殼組成。試驗時，中間利用分子泵機組抽真空，使其保持較高真空狀態(tài)；為了防止液氮的過度蒸發(fā)，在杜瓦內膽上包有多層絕熱層，從而大大減小液氮杜瓦內膽與外殼之間的輻射換熱。穿冷鏈一端安裝形在杜瓦內膽的托底部，而另一利端懸空，上面餅裝有兩只鉑電星阻和一只加熱貸片，其電極引任線通過液氮杜評瓦外殼上的密皆封插座引出。離2.2地雨冷鏈的試驗桐冷鏈安裝在試銜驗液氮杜瓦內用，并連接好測時溫鉑電阻及加紐熱片引線，同顛時在杜瓦外部稅連接兩只萬用余表來測量鉑電咽阻的阻值變化陡，另外串接一壟臺穩(wěn)壓電源和聽一只萬用表，恨用以實現對加煤熱片加熱，然侮后便可開始試三驗。云測量冷鏈低溫亞熱導率的試驗濫過程大致可分握為三個階段：巾第一階段為杜凈瓦抽真空階段項。利用與杜瓦貫抽氣口相連的春分子泵抽氣機敏組，使杜瓦內默真空度達襪到加1×10府-4藏P俗a噸以下后，便可右進行第二階段角的工作。守第二階段為降哪溫階段。在杜她瓦內加入液氮語，同時記錄鉑包電阻的阻值變痛化情況。待鉑柄電阻的阻值穩(wěn)眠定后，便可進愚行第三階段工桌作。帳第三階段為加魄熱階段。利用知穩(wěn)壓源和萬用饑表，向加熱片走通入電流，使畜加熱片獲得恒經定的加熱功率惱，同時記錄鉑派電阻的電阻變詢化情況，待穩(wěn)村定后便可停止關加熱。津為了獲得更可依靠的結果，可晝改變加熱片的劍加熱功率，以舅獲得多組冷鏈極的傳熱數據，擺從而為數據處怒理提供足夠的廢資源。失3屬試驗數據的處暗理昨在試驗過程中廁，冷鏈的傳熱葉性能通過安裝屯在其上的兩個述鉑電阻和一個投加熱片來反映輝。鉑電阻的阻忘值通過高精度珍萬用表測得，西然后與鉑電阻械的標定值進行伙比較，從而得喝出任意時刻準縱確的溫度值。綠加熱片的加熱愚功率則通過恒豬流源和高精度舞萬用表來控制尾，利用測得的括加熱片的電阻名值，以及萬用崇表測得的電流場值，由公式氣走顧（恩1爪）禮準確計算得出酒。天圖缺4斜所示為其中一巖次試驗過程中欺記錄的冷鏈兩矩端的溫度變化悅情況，以及加浪熱后的溫度變坑化情況。圖中蘿，曲崖線距B窗和曲再線兩C森所示分別為鉑山電策阻洋4拔和鉑電格阻坐7世所測得的降溫禍曲線，曲舉線蘿D謎和曲四線看E憶分別為鉑電疼阻壯4暮和鉑電好阻作7闊所測得的在加沿熱后的溫度變英化曲線，而我服們最關心的則縱是在穩(wěn)定后的消溫度值。榴試驗過程中，佛由冷鏈本身造駕成的冷量損失渡主要由三部分滑組成：固體導鞋熱、表面輻射殘傳熱和殘余氣形體導熱。而試呼驗本身并未測權出該部分冷損套值，暫且以拿來表示。在液抱氮杜瓦的溫度挽、內部壓強保期持不變的情況林下，冷鏈的表閣面輻射傳熱和貪殘余氣體導熱劈將保持不變，要而不會對試驗火數據的處理造摘成影響，由此懷，將全部肥看作是由于固攜體導熱而造成木的冷量損失，變當加熱片加熱仰量為零時，由妖固體傳導漏熱破公式得警園威（屯2亦）避式中：誕—侄冷鏈的低溫熱丸導率；膊—遍冷鏈傳熱方向緞上的橫截面積膜；牛，如—符鉑電抱阻在4愧和偏7吹測得的穩(wěn)定溫海度值；新—子冷鏈的有效長匆度。藝此時，公式中稻和馬均為未知量，許因此無法計算掙出各自的值，救而外則為我們需要杠的量。至在冷鏈的加熱符片上通上幾十既毫安的微小電漢流，施加功率常為的加熱，穩(wěn)躁定后可測得此芬時鉑電阻的電貢阻值，從而得嬌出冷鏈兩端的細溫度值，分別沒表示為漸和。由于爽，與雨，之間的相對傳變化量很小，卷由此引起的擁的變化量就非爛常小，因此，劃可看成是一定胖值，同時忽略始此時跪的變化量，由嚼此可得暮綿些（指3旗）擾由公式釋（葛2膏）和堡（遙3碧）便可計算出悲此時冷鏈的低器溫熱導率絹。趴在試驗過程中搬，通過改變加攏熱片的加熱功盡率，得出了多搶組穩(wěn)定的溫度罵值，后以加熱客功率最接近的喝兩組測量值組賊成一組，代入角公式組成方程放組，解出多個梳值，對各仍值取平均，以環(huán)表示，便可近士似看作該溫度喚點附近的熱導爽率。暫從試驗結果來孩看，冷鏈在我闖們需要的溫度彩范圍內的低溫泡熱導率已接近超高純銅本身的雁值，因此，該示冷鏈的研制是重成功的，可以盜滿足實際應用辛的要求。4結論雜經過一段時間洲的工作，我們墊研制出了樣品陷冷鏈，并對其更進行了充分的半試驗，獲得了鳥所研制的冷鏈靈的低溫傳熱性弓能。數據表明京，其傳熱性能葡達到了設計時俘提出的要求，盼是可以滿足應搖用需要的。翅在冷鏈的研制顧過程中，我們滋總結出了一套嘉完整的研制工吸藝，并可根據撥具體的要求，仇