冷鏈的研制及其熱傳導(dǎo)性能的試驗(yàn)研究摘要：在空間機(jī)械制冷系統(tǒng)中，面對(duì)大規(guī)模焦平面探測(cè)器的使用，為了達(dá)到探測(cè)器溫度均勻性的要求、實(shí)現(xiàn)大冷量的有效傳輸，并減小制冷機(jī)的振動(dòng)可能對(duì)探測(cè)器的影響，該文講述了專用的冷鏈研制，并設(shè)計(jì)了專用的試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，結(jié)果表明，該冷鏈的研制達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)其研制目的。關(guān)鍵字：空間制冷冷鏈熱導(dǎo)率0引言隨著空間紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，空間制冷技術(shù)也得到了高速的發(fā)展，已出現(xiàn)了多種制冷方式，如輻射制冷、機(jī)械制冷、復(fù)合制冷等，而機(jī)械制冷中又有斯特林制冷、脈管制冷等。其結(jié)構(gòu)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(jī)械制冷的結(jié)構(gòu)形式則更是多種多樣，很不規(guī)則，針對(duì)每一不同的探測(cè)器及冷箱結(jié)構(gòu)，就會(huì)有不同的制冷結(jié)構(gòu)形式。目前，隨著空間紅外探測(cè)器由單元、多元，發(fā)展到大規(guī)模焦平面，對(duì)空間制冷技術(shù)也提出了更高的要求。由于焦平面探測(cè)器探測(cè)元數(shù)多，導(dǎo)致其長(zhǎng)度或面積很大，而其溫度均勻性必須被控制在很小范圍內(nèi)，因此不能簡(jiǎn)單的采用制冷機(jī)冷頭與探測(cè)器冷平臺(tái)直接聯(lián)接的方式，必須對(duì)其進(jìn)行多點(diǎn)制冷，同時(shí)涉及到對(duì)制冷機(jī)冷量的有效傳輸，而探測(cè)器對(duì)制冷機(jī)的振動(dòng)也更加敏感，必須盡可能減小制冷機(jī)的振動(dòng)對(duì)探測(cè)器的影響，因此，需要設(shè)計(jì)專用的冷鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)以上兩個(gè)目的。1冷鏈的研制情況在空間應(yīng)用領(lǐng)域，冷鏈的研制與其實(shí)用性是密切相關(guān)的，因此，國(guó)內(nèi)參與研制的單位并不多。我們的研制也是以具體的型號(hào)任務(wù)研制為背景的，具有很強(qiáng)的針對(duì)性，但其研制工藝具有普遍的意義，可為將來(lái)大規(guī)模焦平面探測(cè)器及大冷量制冷機(jī)的大量應(yīng)用積累技術(shù)儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)高效傳熱，因此，其材料必須具備良好的低溫?zé)釋?dǎo)率。圖1所示為不同材料間熱導(dǎo)率與溫度間的關(guān)系。由于焦平面探測(cè)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(nèi)，鉆石的熱導(dǎo)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(jià)格昂貴。而高純銅則不同，經(jīng)過(guò)退火處理的銅片或銅絲具有很好的柔性，且低溫?zé)釋?dǎo)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(dǎo)率與溫度間的關(guān)系1.2冷鏈的研制以高純銅為材料來(lái)研制冷鏈，其原料的主要結(jié)構(gòu)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(lái)研制冷鏈，其頭部的固定將會(huì)非常困難，而為了達(dá)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(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，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(shí)物照片。在研制過(guò)程中，我們選擇了厚度為0.1mm，經(jīng)過(guò)退火處理的高純銅片為原料，根據(jù)高純銅的相關(guān)物性作了初步計(jì)算，以確定銅片的相關(guān)尺寸，接下來(lái)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(yàn)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(dǎo)性能，即冷鏈的低溫?zé)釋?dǎo)率。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了專用的液氮杜瓦，并進(jìn)行了充分的試驗(yàn)，獲得了大量的數(shù)據(jù)。2.1冷鏈試驗(yàn)用液氮杜瓦的設(shè)計(jì)液氮杜瓦基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由內(nèi)膽和外殼組成。試驗(yàn)時(shí)，中間利用分子泵機(jī)組抽真空，使其保持較高真空狀態(tài)；為了防止液氮的過(guò)度蒸發(fā)，在杜瓦內(nèi)膽上包有多層絕熱層，從而大大減小液氮杜瓦內(nèi)膽與外殼之間的輻射換熱。穿冷鏈一端安裝形在杜瓦內(nèi)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(guò)液氮杜評(píng)瓦外殼上的密皆封插座引出。離2.2地雨冷鏈的試驗(yàn)桐冷鏈安裝在試銜驗(yàn)液氮杜瓦內(nèi)用，并連接好測(cè)時(shí)溫鉑電阻及加紐熱片引線，同顛時(shí)在杜瓦外部稅連接兩只萬(wàn)用余表來(lái)測(cè)量鉑電咽阻的阻值變化陡，另外串接一壟臺(tái)穩(wěn)壓電源和聽(tīng)一只萬(wàn)用表，恨用以實(shí)現(xiàn)對(duì)加煤熱片加熱，然侮后便可開(kāi)始試三驗(yàn)。云測(cè)量冷鏈低溫亞熱導(dǎo)率的試驗(yàn)濫過(guò)程大致可分握為三個(gè)階段：巾第一階段為杜凈瓦抽真空階段項(xiàng)。利用與杜瓦貫抽氣口相連的春分子泵抽氣機(jī)敏組，使杜瓦內(nèi)默真空度達(dá)襪到加1×10府-4藏P俗a噸以下后，便可右進(jìn)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(nèi)加入液氮語(yǔ)，同時(shí)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(jìn)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(wàn)用饑表，向加熱片走通入電流，使畜加熱片獲得恒經(jīng)定的加熱功率惱，同時(shí)記錄鉑派電阻的電阻變?cè)兓闆r，待穩(wěn)村定后便可停止關(guān)加熱。津?yàn)榱双@得更可依靠的結(jié)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(shù)據(jù)，擺從而為數(shù)據(jù)處怒理提供足夠的廢資源。失3屬試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處暗理昨在試驗(yàn)過(guò)程中廁，冷鏈的傳熱葉性能通過(guò)安裝屯在其上的兩個(gè)述鉑電阻和一個(gè)投加熱片來(lái)反映輝。鉑電阻的阻忘值通過(guò)高精度珍萬(wàn)用表測(cè)得，西然后與鉑電阻械的標(biāo)定值進(jìn)行伙比較，從而得喝出任意時(shí)刻準(zhǔn)縱確的溫度值。綠加熱片的加熱愚功率則通過(guò)恒豬流源和高精度舞萬(wàn)用表來(lái)控制尾，利用測(cè)得的括加熱片的電阻名值，以及萬(wàn)用崇表測(cè)得的電流場(chǎng)值，由公式氣走顧（恩1爪）禮準(zhǔn)確計(jì)算得出酒。天圖缺4斜所示為其中一巖次試驗(yàn)過(guò)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(cè)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(cè)得的在加沿?zé)岷蟮臏囟茸冇⒒€，而我服們最關(guān)心的則縱是在穩(wěn)定后的消溫度值。榴試驗(yàn)過(guò)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(dǎo)鞋熱、表面輻射殘傳熱和殘余氣形體導(dǎo)熱。而試呼驗(yàn)本身并未測(cè)權(quán)出該部分冷損套值，暫且以拿來(lái)表示。在液抱氮杜瓦的溫度挽、內(nèi)部壓強(qiáng)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(dǎo)熱劈將保持不變，要而不會(huì)對(duì)試驗(yàn)火數(shù)據(jù)的處理造摘成影響，由此懷，將全部肥看作是由于固攜體導(dǎo)熱而造成木的冷量損失，變當(dāng)加熱片加熱仰量為零時(shí)，由妖固體傳導(dǎo)漏熱破公式得警園威（屯2亦）避式中：誕—侄冷鏈的低溫?zé)嵬鑼?dǎo)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(cè)得的穩(wěn)定溫海度值；新—子冷鏈的有效長(zhǎng)匆度。藝此時(shí)，公式中稻和馬均為未知量，許因此無(wú)法計(jì)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(cè)得此芬時(shí)鉑電阻的電貢阻值，從而得嬌出冷鏈兩端的細(xì)溫度值，分別沒(méi)表示為漸和。由于爽，與雨，之間的相對(duì)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(shí)忽略始此時(shí)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(jì)算出悲此時(shí)冷鏈的低器溫?zé)釋?dǎo)率絹。趴在試驗(yàn)過(guò)程中搬，通過(guò)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(cè)量值組賊成一組，代入角公式組成方程放組，解出多個(gè)梳值，對(duì)各仍值取平均，以環(huán)表示，便可近士似看作該溫度喚點(diǎn)附近的熱導(dǎo)爽率。暫從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)孩看，冷鏈在我闖們需要的溫度彩范圍內(nèi)的低溫泡熱導(dǎo)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(shí)際應(yīng)用辛的要求。4結(jié)論雜經(jīng)過(guò)一段時(shí)間洲的工作，我們墊研制出了樣品陷冷鏈，并對(duì)其更進(jìn)行了充分的半試驗(yàn)，獲得了鳥(niǎo)所研制的冷鏈靈的低溫傳熱性弓能。數(shù)據(jù)表明京，其傳熱性能葡達(dá)到了設(shè)計(jì)時(shí)俘提出的要求，盼是可以滿足應(yīng)搖用需要的。翅在冷鏈的研制顧過(guò)程中，我們滋總結(jié)出了一套嘉完整的研制工吸藝，并可根據(jù)撥具體的要求，仇