熱傳導(dǎo)性能試驗(yàn)管理的論文
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(zhuān)用的冷鏈研制，并設(shè)計(jì)了專(zhuān)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)鍵詞：空間制冷冷鏈熱導(dǎo)率
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(zhuān)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(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?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(zhuān)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。
冷鏈一端安裝在杜瓦內(nèi)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，其電極引線通過(guò)液氮杜瓦外殼上的密封插座引出。
2.2冷鏈的.試驗(yàn)
冷鏈安裝在試驗(yàn)液氮杜瓦內(nèi)，并連接好測(cè)溫鉑電阻及加熱片引線，同時(shí)在杜瓦外部連接兩只萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量鉑電阻的阻值變化，另外串接一臺(tái)穩(wěn)壓電源和一只萬(wàn)用表，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱片加熱，然后便可開(kāi)始試驗(yàn)。
測(cè)量冷鏈低溫?zé)釋?dǎo)率的試驗(yàn)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(jī)組，使杜瓦內(nèi)真空度達(dá)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(nèi)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(wěn)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(wěn)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(wěn)定后便可停止加熱。
為了獲得更可靠的結(jié)果，可改變加熱片的加熱功率，以獲得多組冷鏈的傳熱數(shù)據(jù)，從而為數(shù)據(jù)處理提供足夠的資源。
3試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理
在試驗(yàn)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(cè)得，然后與鉑電阻的標(biāo)定值進(jìn)行比較，從而得出任意時(shí)刻準(zhǔn)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(cè)得的加熱片的電阻值，以及萬(wàn)用表測(cè)得的電流值，由公式
（1）
準(zhǔn)確計(jì)算得出。
圖4所示為其中一次試驗(yàn)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B和曲線C所示分別為鉑電阻4和鉑電阻7所測(cè)得的降溫曲線，曲線D和曲線E分別為鉑電阻4和鉑電阻7所測(cè)得的在加熱后的溫度變化曲線，而我們最關(guān)心的則是在穩(wěn)定后的溫度值。
試驗(yàn)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(dǎo)熱、表面輻射傳熱和殘余氣體導(dǎo)熱。而試驗(yàn)本身并未測(cè)出該部分冷損值，暫且以來(lái)表示。在液氮杜瓦的溫度、內(nèi)部壓強(qiáng)保持不變的情況下，冷鏈的表面輻射傳熱和殘余氣體導(dǎo)熱將保持不變，而不會(huì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理造成影響，由此，將全部看作是由于固體導(dǎo)熱而造成的冷量損失，當(dāng)加熱片加熱量為零時(shí)，由固體傳導(dǎo)漏熱公式得
�。�2）
式中：—冷鏈的低溫?zé)釋?dǎo)率；
—冷鏈傳熱方向上的橫截面積；
，—鉑電阻4和7測(cè)得的穩(wěn)定溫度值；
—冷鏈的有效長(zhǎng)度。
此時(shí)，公式中和均為未知量，因此無(wú)法計(jì)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(wěn)定后可測(cè)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(duì)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(jì)算出此時(shí)冷鏈的低溫?zé)釋?dǎo)率。
在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)改變加熱片的加熱功率，得出了多組穩(wěn)定的溫度值，后以加熱功率最接近的兩組測(cè)量值組成一組，代入公式組成方程組，解出多個(gè)值，對(duì)各值取平均，以表示，便可近似看作該溫度點(diǎn)附近的熱導(dǎo)率。
從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，冷鏈在我們需要的溫度范圍內(nèi)的低溫?zé)釋?dǎo)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(yīng)用的要求。
4結(jié)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(duì)其進(jìn)行了充分的試驗(yàn)，獲得了所研制的冷鏈的低溫傳熱性能。數(shù)據(jù)表明，其傳熱性能達(dá)到了設(shè)計(jì)時(shí)提出的要求，是可以滿(mǎn)足應(yīng)用需要的。
在冷鏈的研制過(guò)程中，我們總結(jié)出了一套完整的研制工藝，并可根據(jù)具體的要求，在滿(mǎn)足傳熱性能的條件下，調(diào)節(jié)冷鏈的相關(guān)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冷鏈柔性的調(diào)節(jié)，研制出滿(mǎn)足不同需要的冷鏈，為今后的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
[1]劉曉華.空間機(jī)械制冷機(jī)與紅外系統(tǒng)耦合技術(shù)的研究.博士學(xué)位論文，2000
[2]楊世銘.傳熱學(xué).高等教育出版社，1987
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