摘要：在空間機械製冷系統中，面對大規模焦平面探測器的使用，爲了達到探測器溫度均勻性的要求、實現大冷量的有效傳輸，並減小製冷機的振動可能對探測器的影響，該文講述了專用的冷鏈研製，並設計了專用的試驗設備，進行了大量的試驗，並對試驗數據進行了處理，結果表明，該冷鏈的研製達到了設計的要求，能夠實現其研製目的。
關鍵詞：空間製冷冷鏈熱導率
引言
隨着空間紅外探測技術的發展，空間製冷技術也得到了高速的發展，已出現了多種製冷方式，如輻射製冷、機械製冷、複合製冷等，而機械製冷中又有斯特林製冷、脈管制冷等。其結構形式則是多種多樣，如輻射製冷器中就有W型、L型、G型、V型、O型等，而機械製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，就會有不同的製冷結構形式。
目前，隨着空間紅外探測器由單元、多元，發展到大規模焦平面，對空間製冷技術也提出了更高的要求。由於焦平面探測器探測元數多，導致其長度或面積很大，而其溫度均勻性必須被控制在很小範圍內，因此不能簡單的採用製冷機冷頭與探測器冷平臺直接聯接的方式，必須對其進行多點製冷，同時涉及到對製冷機冷量的有效傳輸，而探測器對製冷機的振動也更加敏感，必須儘可能減小製冷機的振動對探測器的影響，因此，需要設計專用的冷鏈來實現以上兩個目的。
1冷鏈的研製情況
在空間應用領域，冷鏈的研製與其實用性是密切相關的，因此，國內參與研製的單位並不多。我們的研製也是以具體的型號任務研製爲背景的，具有很強的針對性，但其研製工藝具有普遍的意義，可爲將來大規模焦平面探測器及大冷量製冷機的大量應用積累技術儲備。
1.1冷鏈材料的選擇
冷鏈的研製目的之一是要在低溫下實現高效傳熱，因此，其材料必須具備良好的低溫熱導率。圖1所示爲不同材料間熱導率與溫度間的關係。由於焦平面探測器的工作溫度大多在100K左右，從圖中可以看出，在此溫度範圍內，鑽石的熱導率是最高的，其次是純銅，然後是純鋁等。由於我們研製的冷鏈還必須起到隔振的作用，因此，採用鑽石不能滿足要求，且價格昂貴。而高純銅則不同，經過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，我們選用高純銅作爲研製冷鏈的材料。
圖1不同材料間熱導率與溫度間的關係
1.2冷鏈的研製
以高純銅爲材料來研製冷鏈，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，以銅絲作爲材料來研製冷鏈，其頭部的固定將會非常困難，而爲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，這時會發現，冷鏈將變得很硬，從而失去我們所需要的柔性。因此，我們選擇銅片作爲研製冷鏈的原料。
圖2所示爲我們研製的冷鏈樣品的實物照片。在研製過程中，我們選擇了厚度爲0.1mm，經過退火處理的高純銅片爲原料，根據高純銅的相關物性作了初步計算，以確定銅片的相關尺寸，接下來將銅片切割成我們所需要的尺寸，然後採用特殊的焊接工藝將銅片兩端焊接在一起，最後在焊接好的兩端打孔，用以固定冷鏈。
2冷鏈的試驗
樣品冷鏈研製完成後，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。爲此，我們設計了專用的液氮杜瓦，並進行了充分的試驗，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，中間利用分子泵機組抽真空，使其保持較高真空狀態；爲了防止液氮的過度蒸發，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，上面裝有兩隻鉑電阻和一隻加熱片，其電極引線通過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，並連接好測溫鉑電阻及加熱片引線，同時在杜瓦外部連接兩隻萬用表來測量鉑電阻的阻值變化，另外串接一臺穩壓電源和一隻萬用表，用以實現對加熱片加熱，然後便可開始試驗。
測量冷鏈低溫熱導率的試驗過程大致可分爲三個階段：
第一階段爲杜瓦抽真空階段。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以下後，便可進行第二階段的工作。
第二階段爲降溫階段。在杜瓦內加入液氮，同時記錄鉑電阻的阻值變化情況。待鉑電阻的阻值穩定後，便可進行第三階段工作。
第三階段爲加熱階段。利用穩壓源和萬用表，向加熱片通入電流，使加熱片獲得恆定的加熱功率，同時記錄鉑電阻的電阻變化情況，待穩定後便可停止加熱。
爲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，從而爲數據處理提供足夠的資源。
3試驗數據的處理
在試驗過程中，冷鏈的傳熱性能通過安裝在其上的兩個鉑電阻和一個加熱片來反映。鉑電阻的阻值通過高精度萬用表測得，然後與鉑電阻的標定值進行比較，從而得出任意時刻準確的溫度值。加熱片的加熱功率則通過恆流源和高精度萬用表來控制，利用測得的加熱片的電阻值，以及萬用表測得的電流值，由公式
（1）
準確計算得出。
圖4所示爲其中一次試驗過程中記錄的冷鏈兩端的溫度變化情況，以及加熱後的溫度變化情況。圖中，曲線B和曲線C所示分別爲鉑電阻4和鉑電阻7所測得的降溫曲線，曲線D和曲線E分別爲鉑電阻4和鉑電阻7所測得的在加熱後的溫度變化曲線，而我們最關心的則是在穩定後的'溫度值。
試驗過程中，由冷鏈本身造成的冷量損失主要由三部分組成：固體導熱、表面輻射傳熱和殘餘氣體導熱。而試驗本身並未測出該部分冷損值，暫且以來表示。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餘氣體導熱將保持不變，而不會對試驗數據的處理造成影響，由此，將全部看作是由於固體導熱而造成的冷量損失，當加熱片加熱量爲零時，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；
—冷鏈的有效長度。
此時，公式中和均爲未知量，因此無法計算出各自的值，而則爲我們需要的量。
在冷鏈的加熱片上通上幾十毫安的微小電流，施加功率爲的加熱，穩定後可測得此時鉑電阻的電阻值，從而得出冷鏈兩端的溫度值，分別表示爲和。由於，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，同時忽略此時的變化量，由此可得
（3）
由公式（2）和（3）便可計算出此時冷鏈的低溫熱導率。
在試驗過程中，通過改變加熱片的加熱功率，得出了多組穩定的溫度值，後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，解出多個值，對各值取平均，以表示，便可近似看作該溫度點附近的熱導率。
從試驗結果來看，冷鏈在我們需要的溫度範圍內的低溫熱導率已接近高純銅本身的值，因此，該冷鏈的研製是成功的，可以滿足實際應用的要求。
4結論
經過一段時間的工作，我們研製出了樣品冷鏈，並對其進行了充分的試驗，獲得了所研製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提出的要求，是可以滿足應用需要的。
在冷鏈的研製過程中，我們總結出了一套完整的研製工藝，並可根據具體的要求，在滿足傳熱性能的條件下，調節冷鏈的相關參數，從而實現對冷鏈柔性的調節，研製出滿足不同需要的冷鏈，爲今後的工作打下了堅實的基礎。
參考文獻
[1]劉曉華.空間機械製冷機與紅外系統耦合技術的研究.博士學位論文，2000
[2]楊世銘.傳熱學.高等教育出版社，1987
