冷链的研制及其热传导性能的试验研究

何兴伟 吴明勋 吴亦农 纪国林 曲晓萍

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。

关键词：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。

冷链一端安装在杜瓦内胆的底部，而另一端悬空，上面装有两只铂电阻和一只加热片，其电极引线通过液氮杜瓦外壳上的密封插座引出。

2.2 冷链的试验

冷链安装在试验液氮杜瓦内，并连接好测温铂电阻及加热片引线，同时在杜瓦外部连接两只万用表来测量铂电阻的阻值变化，另外串接一台稳压电源和一只万用表，用以实现对加热片加热，然后便可开始试验。

测量冷链低温热导率的试验过程大致可分为三个阶段：

第一阶段为杜瓦抽真空阶段。利用与杜瓦抽气口相连的分子泵抽气机组，使杜瓦内真空度达到1×10^-4Pa以下后，便可进行第二阶段的工作。

第二阶段为降温阶段。在杜瓦内加入液氮，同时记录铂电阻的阻值变化情况。待铂电阻的阻值稳定后，便可进行第三阶段工作。

第三阶段为加热阶段。利用稳压源和万用表，向加热片通入电流，使加热片获得恒定的加热功率，同时记录铂电阻的电阻变化情况，待稳定后便可停止加热。

为了获得更可靠的结果，可改变加热片的加热功率，以获得多组冷链的传热数据，从而为数据处理提供足够的资源。

3 试验数据的处理

在试验过程中，冷链的传热性能通过安装在其上的两个铂电阻和一个加热片来反映。铂电阻的阻值通过高精度万用表测得，然后与铂电阻的标定值进行比较，从而得出任意时刻准确的温度值。加热片的加热功率则通过恒流源和高精度万用表来控制，利用测得的加热片的电阻值，以及万用表测得的电流值，由公式

　　　　　　　　　　　（1）

准确计算得出。

图4所示为其中一次试验过程中记录的冷链两端的温度变化情况，以及加热后的温度变化情况。图中，曲线B和曲线C所示分别为铂电阻4和铂电阻7所测得的降温曲线，曲线D和曲线E分别为铂电阻4和铂电阻7所测得的在加热后的温度变化曲线，而我们最关心的则是在稳定后的温度值。

试验过程中，由冷链本身造成的冷量损失主要由三部分组成：固体导热、表面辐射传热和残余气体导热。而试验本身并未测出该部分冷损值，暂且以来表示。在液氮杜瓦的温度、内部压强保持不变的情况下，冷链的表面辐射传热和残余气体导热将保持不变，而不会对试验数据的处理造成影响，由此，将全部看作是由于固体导热而造成的冷量损失，当加热片加热量为零时，由固体传导漏热公式得

　　　　　　　　　（2）

式中：—冷链的低温热导率；

—冷链传热方向上的横截面积；

，—铂电阻4和7测得的稳定温度值；

—冷链的有效长度。

此时，公式中和均为未知量，因此无法计算出各自的值，而则为我们需要的量。

在冷链的加热片上通上几十毫安的微小电流，施加功率为的加热，稳定后可测得此时铂电阻的电阻值，从而得出冷链两端的温度值，分别表示为和。由于，与，之间的相对变化量很小，由此引起的的变化量就非常小，因此，可看成是一定值，同时忽略此时的变化量，由此可得

　　　　　　　（3）

由公式（2）和（3）便可计算出此时冷链的低温热导率。

在试验过程中，通过改变加热片的加热功率，得出了多组稳定的温度值，后以加热功率最接近的两组测量值组成一组，代入公式组成方程组，解出多个值，对各值取平均，以表示，便可近似看作该温度点附近的热导率。

从试验结果来看，冷链在我们需要的温度范围内的低温热导率已接近高纯铜本身的值，因此，该冷链的研制是成功的，可以满足实际应用的要求。

4 结论

经过一段时间的工作，我们研制出了样品冷链，并对其进行了充分的试验，获得了所研制的冷链的低温传热性能。数据表明，其传热性能达到了设计时提出的要求，是可以满足应用需要的。

在冷链的研制过程中，我们总结出了一套完整的研制工艺，并可根据具体的要求，在满足传热性能的条件下，调节冷链的相关参数，从而实现对冷链柔性的调节，研制出满足不同需要的冷链，为今后的工作打下了坚实的基础。

参考文献

[1]刘晓华. 空间机械制冷机与红外系统耦合技术的研究.博士学位论文，2000

[2]杨世铭. 传热学. 高等教育出版社，1987