空間液氦制冷器隔熱屏蔽系統設計及優化

白曉明，潘雁頻，張文瑞，王小軍

（蘭州物理研究所，真空低溫技術與物理國家級重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

隨著我國空間技術的發展，空間制冷技術向著制冷溫度更低、制冷功率更大、工作壽命更長、可靠性更高的方向發展。空間探測使用的長波紅外、亞毫米波探測等要求制冷溫度達到2～10 K，是傳統機械制冷設備無法達到的，因此一般首選液氦制冷。自1975年首次將液氦制冷技術應用于空間探測器以來，世界各國已經完成發射或者預計發射的采用液氦/超流氦制冷器的飛行任務已有數十例之多。在我國，空間液氦制冷還屬于空間制冷技術的新領域。

液氦制冷系統向著長壽命、質量輕、小體積方向穩步發展，其中最關鍵的是低溫絕熱和支撐技術，又以NASA在2003年發射的空間紅外望遠鏡（SIRTF）中所使用的技術最為典型。SIRTF的制冷系統可以將超流氦浴溫穩定在1.4 K左右，如此低的液氦浴溫與一個高效的熱防護系統密不可分（如圖1所示）。其熱防護系統由防太陽輻射板、防動力艙輻射板、多層絕熱、VCS（蒸氣冷卻屏）、真空殼體等組成[1]。

圖1 SIRTF熱防護系統簡圖

國內的研究人員早在上世紀八九十年代對液氦制冷器展開了研究，有些學者研究了多屏技術、液氦制冷器的支撐冷卻以及多層絕熱和冷卻屏性質對低溫系統的影響等[2]。在理論研究的基礎上，近年來一些研究機構研制出了液氦制冷器。例如上海交通大學參與歐空局與NASA聯合開展的AMS-02計劃的研制工作，獨立制造了其低溫地面支持設備（CGSE）[3]，北京大學為其超導加速器研制了超流氦系統[4]，中電16所為其EBIT裝置設計制造了液氦杜瓦[5]。但是上述制冷器只能應用于地面，與空間應用的特殊要求相差較大。本文中空間液氦制冷器的隔熱屏蔽系統將根據系統熱力學計算和空間應用的特殊要求來設計。

2 隔熱屏蔽系統設計

2.1 液氦制冷器介紹

液氦制冷器應用于空間探測器，要求其制冷溫度為4 K。由于其工作對象以及工作環境的特殊，制冷器需要滿足高可靠性、高結構強度、小體積、輕量化等要求。液氦制冷器主要由液氦存儲器、真空殼體、隔熱屏蔽系統、冷鏈傳導系統及控制器等組成。

2.2 隔熱屏蔽系統設計思路

液氦制冷器的漏熱主要來自兩方面：通過支撐等的固體熱傳導以及外部環境與液氦容器之間的輻射傳熱。隔熱屏蔽系統要能夠盡量減少這兩方面的漏熱，使杜瓦的熱負荷降低，延長系統的工作壽命。因此，設計思路主要從以下兩方面出發：首先根據液氦容器與外部環境之間存在較大溫差的特點，采用高效的熱屏蔽結構，并盡量減少外熱流輸入來降低制冷器的漏熱損失；其次根據氦氣顯熱較大的特點，液氦制冷器需充分利用低溫氦蒸氣的顯熱來提高其熱屏蔽能力[6]。

根據系統方案可知，液氦制冷器主要由外殼殼體、多層隔熱、氣冷屏、隔熱支撐、杜瓦等組成。其功能主要是防止外界的熱量進入液氦杜瓦內部。

2.3 多層絕熱

真空多層絕熱結構是由多層低輻射系數的輻射屏及其間隔物組成，置于密封夾層中，再抽至高真空。間隔物要求有低的導熱系數、一定的機械強度，例如玻璃纖維、尼綸等。真空多層絕熱中，多層輻射屏有效地屏蔽輻射熱流，達到了高效絕熱的目的。

2.4 蒸氣冷卻屏

由于液氦的沸點很低，其汽化潛熱僅為2.4 kJ/L，這樣僅使用高真空多層絕熱結構也不能滿足要求。計算表明，一個日蒸發率為1%的50 L多層絕熱液氮容器用來貯存液氦，液氦的日蒸發率高達50%[7]。液氦的汽化潛熱較小，而氦氣的顯熱與潛熱的比值較大，當從4 K升溫至300 K的時候，氦氣的顯熱和潛熱比高達72.9。因此，利用杜瓦中蒸發氦氣的顯熱來冷卻支撐結構和保護屏對降低杜瓦中液氦的蒸發率具有很大意義。蒸氣冷卻屏是利用容器中汽化的冷氦氣來冷卻保護屏，其中保護屏外側仍采用多層絕熱。設計中氣冷屏采用薄壁銅筒體外側釬焊銅盤管的形式。

2.5 隔熱支撐

液氦貯存內膽是通過隔熱支撐結構懸掛在外殼體之中。隔熱支撐跨在液氦溫度下的杜瓦內膽與室溫下的外殼之間，它不但需要支撐內膽、液氦以及氣冷屏的質量，還需要盡量減少由它傳導至內膽的熱量，即同時滿足機械強度大和熱流小2個條件。在本系統中，設計采用6根玻璃鋼（GFRP）制成的支撐桿，這種材料既有高的機械強度，又有很小的導熱率，可以滿足液氦制冷系統的需求[8]。

2.6 管道及其他

為了加注液氦以及安全考慮，系統內部共有2條管路，分別是液氦加注管路和安全管路。2根管道均選用不銹鋼材料，管道分別繞內膽以及氣冷屏外側纏繞一周，這樣的設計有2個優點：一方面，材料在低溫下會有冷縮，纏繞成彎管可以預防冷縮；另一方面，纏繞之后，增加了內部管道的長度，從而減少了通過管道傳導入內膽的熱量。

為了便于監測，需要在內部布置溫度、壓力等傳感器，由內膽引出到外殼的導線也會造成漏熱，采用錳銅線來減小漏熱。

3 隔熱屏蔽組件優化

3.1 數學模型和基本假設

液氦制冷器的漏熱主要來自兩方面：通過支撐的固體熱傳導以及外部環境與液氦容器之間的輻射傳熱，故系統各部位的漏熱如圖2所示。

圖2 系統各部分漏熱示意圖

根據模型，對制冷器結構進行適當的簡化，并作出如下假設，以便于數值計算：1）氣冷屏的幾何模型為半球與圓柱狀直筒的組合，其中直筒的長度為其直徑的2倍，外殼和內膽均參照此模型進行計算；2）盤管與氣冷屏充分換熱，換熱面積假定為盤管表面積；3）探測器與系統充分換熱，即探測器產生的熱量全部由冷鏈傳導機構導入液氦杜瓦；4）絕熱支撐桿與氣冷屏連接處的接觸熱阻為零，兩者充分換熱；5）外殼、氣冷屏及內膽各表面的發射率假定為一致；6）氣冷屏無溫度梯度。

3.2 熱力學分析

由系統方案可知，制冷器的漏熱主要來自兩方面：通過支撐和管道的熱傳導以及外部環境與液氦容器之間的輻射傳熱。各部分漏熱的大小與氣冷屏的位置密切相關，故最佳隔熱屏蔽設計的關鍵就是在一定結構尺寸之下，尋求氣冷屏的最佳位置，使杜瓦內膽的漏熱最小。根據系統熱力學分析可知，內膽的總熱負荷與單位時間內蒸發液氦的汽化潛熱相平衡，氣冷屏的總熱負荷與其外側盤管內氦蒸氣流的對流換熱量相平衡。

根據系統熱分析，可得如下方程組

式中 Q1為氣冷屏1熱負荷；Q2為氣冷屏2熱負荷；Q0為杜瓦內膽熱負荷；q為探測器產生的熱量。

3.3 計算結果分析

針對方程組，使用FORTRAN語言進行編程，以氣冷屏溫度為初始值進行迭代求解，計算結果分析如圖3至圖5所示。

圖3 內膽熱負荷與氣冷屏半徑的關系

由圖3可見，當氣冷屏1、2的半徑增大時，內膽漏熱量隨之減小，其中氣冷屏1半徑的影響比較明顯。

圖4 內膽漏熱量與氣冷屏1溫度的關系

由圖4可見，在氣冷屏尺寸確定的情況下，內膽漏熱量只與氣冷屏1溫度有關，二者基本呈線性關系。

圖5 氣冷屏尺寸與氣冷屏溫度的關系

由圖5（a）可見，氣冷屏1的半徑增大時，氣冷屏1的溫度隨之升高，氣冷屏2的半徑增大時，氣冷屏1的溫度隨之降低。

4 結論

（1）多層絕熱可以有效降低氣冷屏以及內膽的輻射漏熱量，尤其對于氣冷屏2，多層絕熱效果最為明顯。

（2）氣冷屏1與氣冷屏2的半徑對內膽熱負荷有著很大的影響，當氣冷屏1、2的半徑增大時，氣冷屏熱負荷隨之減小，其中氣冷屏1的半徑更為關鍵。

（3）綜合分析可得，制冷器各部分尺寸確定以后，內膽熱負荷與氣冷屏1溫度基本呈線性關系。

（4）根據作者提供的設計方法計算出的各部分漏熱比實際值偏大。這是為了計算方便，對制冷器的物理模型作了一定程度的簡化，進一步考慮可以細化模型，使之更接近實際，特別是利用有限差分法重新求解氣冷屏外側盤管內氦蒸氣的對流換熱量。

[1]SANDERS D B.The cosmic evolution of luminous infrared galaxies：from IRAS to ISO，SCUBA and SIRTF[J].Advances in Space Research，2004，34：535～542.

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