[發明專利]一種空間用液氦制冷裝置

有效

• 申請號: 201110401453.1
• 申請日: 2011-12-06
• 公開（公告）號: CN102519195A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 王小軍;張文瑞;陳正剛;王田剛
• 申請（專利權）人: 中國航天科技集團公司第五研究院第五一〇研究所
• 主分類號: F25D3/10
• 分類號: F25D3/10
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵;李愛英

技術領域

本發明涉及一種空間用液氦制冷裝置，屬于真空低溫設備領域。

背景技術

液氦制冷和超流氦制冷技術是一些尖端技術研究和基礎物理學研究的必備條件。為了提高裝在天文衛星上的Y射線、X射線、紅外線及亞毫米波的探測器的精度，降低其本底噪聲及熱噪聲，要求望遠鏡的溫度達到幾十K、甚至幾K。探測器的溫度要求在幾K、甚至幾十mK量級。目前，空間20K以下的低溫環境基本都是以液氦或超流氦為基礎的。

隨著空間探測距離的不斷延伸，探測器要求工作的時間不斷增加，作為為探測器提供低溫條件的低溫液體存儲器也需要提高存貯效率，盡可能長時間為探測器的工作提供低溫條件。

空間液氦及超流氦制冷技術對于開展空間天文探測，進行空間站低溫物理試驗以及發展新型空間低溫復合超低溫制冷技術都有特別重要作用，需要迫切解決。因此，研制適用于航天特殊要求及空間環境條件的，滿足長期高效存貯的液氦制冷裝置十分重要。

發明內容

本發明的目的是為克服空間技術對于設備重量、熱防護條件的限制，提供一種適用于空間應用環境的液氦制冷設備，主要為空間紅外天文觀測、空間地球科學觀測以及空間科學試驗提供深低溫的工作或環境條件。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種空間用液氦制冷裝置，所述裝置包括支撐座、安裝圈、外腔、進樣管、隔熱支撐架、多層隔熱材料、內氣冷屏、外氣冷屏、盤管、探測窗口、透光片一、透光片二、冷板、冷桿、內腔和真空系統；

其中，所述裝置從內向外依次密閉套接有內腔、內氣冷屏、外氣冷屏、外腔，內腔、內氣冷屏、外氣冷屏、外腔均為封閉圓柱筒狀結構，在內氣冷屏、外氣冷屏的外壁上設有盤管；在內腔、內氣冷屏、外氣冷屏壁上開孔，

隔熱支撐架依次通過內腔、內氣冷屏、外氣冷屏壁上的孔后，一端固定在外腔內壁上，另一端固定在內腔外壁上；

在內腔、內氣冷屏、外氣冷屏、外腔上部沿縱軸方向同軸各自開有孔；在外腔上部的孔上設有探測窗口，在外氣冷屏上部的孔上設有透光片一；

探測室位于內腔和內氣冷屏之間，透光片二位于內氣冷屏上部的開孔上并覆蓋探測室上部，探測室下方設有冷板；

冷桿位于內腔內部中軸線上，冷桿一端與冷板下部固定連接，冷桿另一端與內腔底部靠近但不接觸，在冷桿與冷板接觸處設有溫度傳感器；

進樣管位于內腔的一側，進樣管上端穿過內腔、內氣冷屏、外氣冷屏到外腔外部；其中，進樣管短于冷桿的長度；

在內氣冷屏、外氣冷屏之間，以及外氣冷屏和外腔之間設有多層隔熱材料；

在外腔外壁開有抽氣孔，真空系統通過抽氣孔與外腔連接；

所述裝置通過安裝圈將所述裝置固定安裝在支撐座上；

優選在外腔上部設置安裝板；

優選在探測室內部設有探測器，信號傳輸線一端與探測器連接，另一端依次穿過內腔、內氣冷屏、外氣冷屏、外腔后與外圍設備連接；

優選隔熱支撐架為隔熱材料，數量為6根，在外腔2內部沿周向均勻分布，隔熱支撐架的兩端通過鉸鏈固定；

優選多層隔熱材料為15～25層的鋁箔，最外層鋁箔與外腔內壁和外氣冷屏內壁不接觸；

優選隔熱支撐架的材料為環氧玻璃鋼；

優選外腔的材料為不銹鋼，內氣冷屏、外氣冷屏的材料為紫銅，內腔的材料為鋁；

一種空間用液氦制冷方法，所述方法使用本發明所述的一種空間用液氦制冷裝置，具體步驟如下：

其中，在制冷開始前依次打開探測窗口、透光片一、透光片二，將探測器放置于探測室中后，關閉探測窗口、透光片一、透光片二；

步驟一、對所述裝置抽真空，使外腔，內腔、內氣冷屏、外氣冷屏內的壓強≤10^-3Pa·m³/s后，關閉真空系統；

步驟二、向盤管內通入液氮，當溫度傳感器顯示溫度≤80K后，排空盤管內的液氮，向盤管中沖入液氦，當溫度傳感器顯示溫度≤10K時，通過進樣管向內腔中注入液氦，當液氦體積為內腔容積的70％～80％后，實現制冷；

優選此時探測器開始工作；

制冷結束時，開啟真空系統抽空盤管和內腔中的液氦，待裝置內的壓強≤10^-2Pa·m³/s且溫度升至室溫時關閉真空系統。

有益效果

1冷氦氣顯熱為液氦潛熱70多倍，冷氦氣可以吸收大量熱量，利用冷氦氣依次通過多級氣冷屏，形成隔熱性能良好的冷屏蔽。這種屏蔽方式取消了液氮冷屏蔽方式，減輕了裝置重量。