熱傳導性能試驗管理的論文
摘要：在空間機械制冷系統中，面對大規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(shí)現大冷量的有效傳輸，并減小制冷機的振動(dòng)可能對探測器的影響，該文講述了專(zhuān)用的冷鏈研制，并設計了專(zhuān)用的試驗設備，進(jìn)行了大量的試驗，并對試驗數據進(jìn)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(shí)現其研制目的。
關(guān)鍵詞：空間制冷冷鏈熱導率
引言
隨著(zhù)空間紅外探測技術(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，很不規則，針對每一不同的探測器及冷箱結構，就會(huì )有不同的制冷結構形式。
目前，隨著(zhù)空間紅外探測器由單元、多元，發(fā)展到大規模焦平面，對空間制冷技術(shù)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(cháng)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(jiǎn)單的采用制冷機冷頭與探測器冷平臺直接聯(lián)接的方式，必須對其進(jìn)行多點(diǎn)制冷，同時(shí)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(dòng)也更加敏感，必須盡可能減小制冷機的振動(dòng)對探測器的影響，因此，需要設計專(zhuān)用的冷鏈來(lái)實(shí)現以上兩個(gè)目的。
1冷鏈的研制情況
在空間應用領(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(wù)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(lái)大規模焦平面探測器及大冷量制冷機的大量應用積累技術(shù)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(shí)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(guān)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(mǎn)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(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(lái)研制冷鏈，其頭部的固定將會(huì )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(shí)會(huì )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(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，根據高純銅的相關(guān)物性作了初步計算，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
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(zhuān)用的液氮杜瓦，并進(jìn)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(shí)，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(guò)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。
冷鏈一端安裝在杜瓦內膽的底部，而另一端懸空，上面裝有兩只鉑電阻和一只加熱片，其電極引線(xiàn)通過(guò)液氮杜瓦外殼上的密封插座引出。
2.2冷鏈的.試驗
冷鏈安裝在試驗液氮杜瓦內，并連接好測溫鉑電阻及加熱片引線(xiàn)，同時(shí)在杜瓦外部連接兩只萬(wàn)用表來(lái)測量鉑電阻的阻值變化，另外串接一臺穩壓電源和一只萬(wàn)用表，用以實(shí)現對加熱片加熱，然后便可開(kāi)始試驗。
測量冷鏈低溫熱導率的試驗過(guò)程大致可分為三個(gè)階段：
第一階段為杜瓦抽真空階段。利用與杜瓦抽氣口相連的分子泵抽氣機組，使杜瓦內真空度達到1×10-4Pa以下后，便可進(jìn)行第二階段的工作。
第二階段為降溫階段。在杜瓦內加入液氮，同時(shí)記錄鉑電阻的阻值變化情況。待鉑電阻的阻值穩定后，便可進(jìn)行第三階段工作。
第三階段為加熱階段。利用穩壓源和萬(wàn)用表，向加熱片通入電流，使加熱片獲得恒定的加熱功率，同時(shí)記錄鉑電阻的電阻變化情況，待穩定后便可停止加熱。
為了獲得更可靠的結果，可改變加熱片的加熱功率，以獲得多組冷鏈的傳熱數據，從而為數據處理提供足夠的資源。
3試驗數據的處理
在試驗過(guò)程中，冷鏈的傳熱性能通過(guò)安裝在其上的兩個(gè)鉑電阻和一個(gè)加熱片來(lái)反映。鉑電阻的阻值通過(guò)高精度萬(wàn)用表測得，然后與鉑電阻的標定值進(jìn)行比較，從而得出任意時(shí)刻準確的溫度值。加熱片的加熱功率則通過(guò)恒流源和高精度萬(wàn)用表來(lái)控制，利用測得的加熱片的電阻值，以及萬(wàn)用表測得的電流值，由公式
�。�1）
準確計算得出。
圖4所示為其中一次試驗過(guò)程中記錄的冷鏈兩端的溫度變化情況，以及加熱后的溫度變化情況。圖中，曲線(xiàn)B和曲線(xiàn)C所示分別為鉑電阻4和鉑電阻7所測得的降溫曲線(xiàn)，曲線(xiàn)D和曲線(xiàn)E分別為鉑電阻4和鉑電阻7所測得的在加熱后的溫度變化曲線(xiàn)，而我們最關(guān)心的則是在穩定后的溫度值。
試驗過(guò)程中，由冷鏈本身造成的冷量損失主要由三部分組成：固體導熱、表面輻射傳熱和殘余氣體導熱。而試驗本身并未測出該部分冷損值，暫且以來(lái)表示。在液氮杜瓦的溫度、內部壓強保持不變的情況下，冷鏈的表面輻射傳熱和殘余氣體導熱將保持不變，而不會(huì )對試驗數據的處理造成影響，由此，將全部看作是由于固體導熱而造成的冷量損失，當加熱片加熱量為零時(shí)，由固體傳導漏熱公式得
�。�2）
式中：—冷鏈的低溫熱導率；
—冷鏈傳熱方向上的橫截面積；
，—鉑電阻4和7測得的穩定溫度值；
—冷鏈的有效長(cháng)度。
此時(shí)，公式中和均為未知量，因此無(wú)法計算出各自的值，而則為我們需要的量。
在冷鏈的加熱片上通上幾十毫安的微小電流，施加功率為的加熱，穩定后可測得此時(shí)鉑電阻的電阻值，從而得出冷鏈兩端的溫度值，分別表示為和。由于，與，之間的相對變化量很小，由此引起的的變化量就非常小，因此，可看成是一定值，同時(shí)忽略此時(shí)的變化量，由此可得
�。�3）
由公式（2）和（3）便可計算出此時(shí)冷鏈的低溫熱導率。
在試驗過(guò)程中，通過(guò)改變加熱片的加熱功率，得出了多組穩定的溫度值，后以加熱功率最接近的兩組測量值組成一組，代入公式組成方程組，解出多個(gè)值，對各值取平均，以表示，便可近似看作該溫度點(diǎn)附近的熱導率。
從試驗結果來(lái)看，冷鏈在我們需要的溫度范圍內的低溫熱導率已接近高純銅本身的值，因此，該冷鏈的研制是成功的，可以滿(mǎn)足實(shí)際應用的要求。
4結論
經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的工作，我們研制出了樣品冷鏈，并對其進(jìn)行了充分的試驗，獲得了所研制的冷鏈的低溫傳熱性能。數據表明，其傳熱性能達到了設計時(shí)提出的要求，是可以滿(mǎn)足應用需要的。
在冷鏈的研制過(guò)程中，我們總結出了一套完整的研制工藝，并可根據具體的要求，在滿(mǎn)足傳熱性能的條件下，調節冷鏈的相關(guān)參數，從而實(shí)現對冷鏈柔性的調節，研制出滿(mǎn)足不同需要的冷鏈，為今后的工作打下了堅實(shí)的基礎。
參考文獻
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