CN102507012A - 一种分置式杜瓦不同制冷温度下热负载测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分置式杜瓦不同制冷温度下热负载测试方法及装置。一种分置式杜瓦不同制冷温度下热负载测试装置主要由待测分置式工程杜瓦、高兼容多功能测试杜瓦、工程杜瓦适配制冷机、制冷机控制箱、功率计、制冷机工作供电电源、排气机、加热电源、加热电压计和加热电流计组成。本专利在高兼容多功能测试杜瓦方面引入特定的结构，通过装配置换和热等量法来实现了分置式工程杜瓦静态热负载精确测试。本发明的装置和实现方法简单，测试精度高，通用性强，成本低廉。本专利同样适用于工程制冷机不同制冷温度下制冷量的测试。本专利同样也适用于工程用制冷机冷指上弹性冷链或碳纸或其它耦合介质在不同制冷温度和不同传输冷量下温度梯度的测试。

Description

一种分置式杜瓦不同制冷温度下热负载测试方法及装置

技术领域

本专利涉及工程杜瓦热负载测试技术，具体是指一种用于分置式红外探测器组件工程杜瓦不同制冷温度下热负载测试方法及装置。

背景技术

红外探测器杜瓦组件在航天红外领域有着广泛的应用。随着波长向长波扩展和探测灵敏度的提高，红外焦探测器必须在深低温下才能工作。由于机械制冷具有结构紧凑、体积小、重量轻、制冷量大、制冷时间短、制冷温度可控范围大等优点，目前该类探测器在空间应用中大多采用机械制冷方式。这样也使得其应用时大多采用杜瓦封装形成红外探测器杜瓦组件。热负载是杜瓦组件重要的技术指标，它直接影响制冷机的制冷量和航天应用所需要的热功耗。分置式工程杜瓦的冷平台通过弹性冷链或碳纸或其它传热介质与制冷机的冷端相连接来实现制冷机与分置式工程杜瓦的耦合。这种耦合方式的优势在于分置式工程杜瓦和制冷机可以单独研制，工艺不交叉，互换性强，并且可维修性强。

红外探测器杜瓦组件在航天领域应用的特点场合，国外对其静态热负载测试的报道很少。专利(200520022602)采用的传统液氮称重法，只是在液氮称重数据采集方法上采用计算机自动采集液氮的质量数据并自动计算杜瓦的热负载。文章《利用流量法测量微型金属杜瓦瓶热负载及其计算方法》(红外与激光工程，2011，40(1)：143-148)采用的传统液氮称重法，只是采用流量计人工采集液氮的流量，并人工计算杜瓦的热负载。传统液氮称重法其在某些场合应用时存在以下问题：1)液氮称重法只能测杜瓦组件工作温度为77K下的杜瓦的热负载；2)液氮称重法的测试精度跟天平的最小分辨精度有着很大的关系。随着天平量程增加，天平的最小分辨精度会相应的变差，这样导致测试误差变大。随着红外探测器焦平面规模的发展，工程杜瓦组件越来越重，热负载也会随之增大，这个问题就显得比较突出；3)环境的湿度对液氮称重法测试结果有较大的影响，空气中的水蒸气结霜附在杜瓦外壳表面或者杜瓦芯柱内部，直接影响了蒸发液氮质量的测量结果。

发明内容

本专利的目的是提供一种分置式杜瓦不同制冷温度下热负载测试方法及装置，解决了大热负载杜瓦组件的热负载测试及杜瓦与制冷机耦合效果的测试问题。

本专利的一种分置式杜瓦不同制冷温度下热负载测试方法及装置，如附图1所示，主要由待测分置式工程杜瓦1、高兼容多功能测试杜瓦2、工程杜瓦适配制冷机3、制冷机控制箱4、功率计5、制冷机工作供电电源6、排气机7、加热电源8、加热电压计9和加热电流计10组成。先将待测分置式工程杜瓦1与工程杜瓦适配制冷机3耦合，使用工程杜瓦适配制冷机3对待测分置式工程杜瓦1制冷，通过调节制冷机控制箱4，将待测分置式工程杜瓦1制冷到其工作温度(如80K)并达到热平衡，记录此时功率计5的功率值。然后将工程杜瓦适配制冷机3与待测分置式工程杜瓦1拆分，并将工程杜瓦适配制冷机3与高兼容多功能测试杜瓦2耦合，使用工程杜瓦适配制冷机3对高兼容多功能测试杜瓦2进行制冷，调节制冷机控制箱4，使功率计5与之前记录的功率值相同。然后对加热片2-29通电，调节加热电源8使测温传感器2-35测得的温度在待测分置式工程杜瓦1的工作温度(80K)处达到平衡，记录此时加热片2-29的电流值和电压值，计算出其发热功率Q_j，并记录活动测温传感器2-20测得的温度值，可以得到此制冷量下弹性冷链的温度梯度。待测分置式工程杜瓦1的热负载Q_x就等于高兼容多功能测试杜瓦2的固有热负载Q₀与加热片2-29的发热功率Q_j之和，即Q_x＝Q₀+Q_j。高兼容多功能测试杜瓦热负载很小，它的固有热负载Q₀通过液氮称重法测量，并且测量精度高。高兼容多功能测试杜瓦2的固有热负载Q₀是通过液氮称重法测量得到的，所以Q₀是高兼容多功能测试杜瓦2工作温度为77K时的固有热负载，但是这个固有热负载可以近似作为77K附近温度的固有热负载，原因如下：1)从理论上分析，杜瓦内漏热主要是传导漏热和辐射漏热，热传导方程为

辐射漏热方程为

高兼容多功能测试杜瓦2在77K附近温度的固有热负载相对于其在77K下的固有热负载变化非常小，所以可以把通过液氮称重法测量得到的高兼容多功能测试杜瓦2在77K下的固有热负载近似于77K附近某一温度范围内的固有热负载；2)在实际测量待测分置式工程杜瓦1的过程中，待测分置式工程杜瓦1的热负载Q_x大小主要由加热片2-29的发热功率Q_j决定，高兼容多功能测试杜瓦2的固有热负载Q₀相对于加热片2-29的发热功率Q_j很小，高兼容多功能测试杜瓦2的固有热负载Q₀的变化对待测分置式工程杜瓦1的热负载Q_x影响非常小。

本专利一种分置式杜瓦不同制冷温度下热负载测试方法及装置中的高兼容多功能测试杜瓦2如附图2所示，它主要包括：腔体帽2-1、引线圆盘2-2、密封卡环2-3、法兰座2-4、制冷机冷指2-5、法兰座橡胶密封圈2-6、法兰座螺钉2-7、卡环橡胶密封圈2-8、引线针2-9、引线圆盘橡胶密封圈2-10、腔体帽螺钉2-11、弹簧下压块2-12、下压块螺钉2-13、绝缘陶瓷环2-14、弹簧上压块2-15、冷头2-16、上冷屏2-17、抽气管2-18、弹性冷头2-19、活动测温传感器2-20、弹片2-21、活动测温传感器正极引线2-22、活动测温传感器负极引线2-23、引出线2-24、、弹簧甲2-25等六根弹簧、加热片正极引线2-27、加热片2-29、加热片负极引线2-31、测温传感器负极引线2-33、测温传感器2-35、测温传感器正极引线2-36。腔体帽2-1、引线圆盘2-2法兰座2-4和抽气管2-18构成杜瓦腔体外壳。抽气管2-18通过真空钎焊联接在腔体帽2-1的抽气管开口2-101处；腔体帽2-1与引线圆盘2-2间使用引线圆盘橡胶密封圈2-10密封，引线圆盘橡胶密封圈2-10安装在引线圆盘密封圈槽2-204内，通过腔体帽螺钉2-11固定；引线圆盘2-2和法兰座2-4通过引线圆盘内螺纹2-202和法兰座外螺纹2-401连接，并通过密封卡环2-3及卡环橡胶密封圈2-8密封；密封卡环2-3与引线圆盘2-2通过引线圆盘外螺纹2-203和卡环内螺纹2-301连接；法兰座2-4与制冷机冷指2-5间使用法兰座橡胶密封圈2-6密封，并通过法兰座螺钉2-7安装固定。冷头2-16安装于弹簧上压块2-15内，弹簧2-34一端与弹簧上压块2-15的上压块弹簧安装孔2-1502固定，另一端与弹簧下压块2-12的下压块弹簧安装孔2-1201固定，其余五根弹簧如此依次安装；弹簧下压块2-12与引线圆盘2-2通过下压块螺钉2-13固定，在引线圆盘2-2上开有六个引线孔2-201，在引线孔2-201中安装中空的绝缘陶瓷环2-14，绝缘陶瓷环2-14中安装引线针2-9；使用引出线2-24分别与对应的弹簧与对应的引线针固定。加热片2-29和测温传感器2-35安装于冷头上表面2-1601上，加热片2-29正极与弹簧已2-26通过加热片正极引线2-27联接加热片2-29负极与弹簧戊2-32通过加热片负极引线2-31联接；测温传感器2-35正极与弹簧甲2-25通过测温传感器正极引线2-36联接，测温传感器2-35负极与弹簧已2-34通过测温传感器负极引线2-33联接；上冷屏2-17安装在冷头上表面2-1601上，安装时通过上冷屏2-17上的让线开孔2-1701使上冷屏2-17避让开各引线；下冷屏2-1501与弹簧上压块2-15一体加工成型；在下冷屏2-1501上安装有弹片2-21，在弹片2-21顶端安装有活动测温传感器2-20，活动测温传感器2-20正极与弹簧丙2-28通过活动测温传感器正极引线2-22联接，活动测温传感器2-20负极与弹簧丁2-30通过活动测温传感器负极引线2-23联接。将法兰座橡胶密封圈2-6放置在法兰座密封槽2-402中，将制冷机冷指2-5安装至未安装腔体帽2-1的高兼容多功能测试杜瓦2内，旋松密封卡环2-3，固定引线圆盘2-2，旋转安装法兰2-4调节冷头2-16至法兰座2-4距离，使冷头2-16贴合制冷机冷指2-5的弹性冷头2-19，继续旋动法兰座2-4，调节冷头2-16对弹性冷头2-19的压紧力，调节完毕后旋紧密封卡环2-3，使用法兰座螺钉2-7固定法兰座2-4和制冷机冷指2-5，调节活动测温传感器2-20位置使其贴合制冷机冷指2-5的冷头2-501上，最后将引线圆盘橡胶密封圈2-10安放在引线圆盘密封槽2-204中使用腔体帽螺钉2-11密封固定腔体帽2-1，使用真空排气装置通过抽气管2-18将高兼容多功能测试杜瓦2抽真空，并保持真空状态。完成上述步骤后便可以进行相关的测试。

本装置的实现方法如下：

1)按照一种分置式杜瓦不同制冷温度下热负载测试装置中的高兼容多功能测试杜瓦2的各零部件的装配顺序完成腔体帽2-1、引线圆盘2-2、密封卡环2-3、法兰座2-4以及内部零部件的装配和固定；

2)使用液氮称重法测得一种分置式杜瓦不同制冷温度下热负载测试装置中高兼容多功能测试杜瓦2固有热负载Q₀；

3)将待测分置式工程杜瓦1与工程杜瓦适配制冷机3耦合，使用工程杜瓦适配制冷机3对待测分置式工程杜瓦1制冷，通过调节制冷机控制箱4，将待测分置式工程杜瓦1制冷到其工作温度(如80K)并达到热平衡，记录此时功率计5的功率值；

4)将工程杜瓦适配制冷机3与待测分置式工程杜瓦1拆分，并将工程杜瓦适配制冷机3与高兼容多功能测试杜瓦2耦合，使用工程杜瓦适配制冷机3对高兼容多功能测试杜瓦2进行制冷，调节制冷机控制箱4，使功率计5与之前记录的功率值相同；

5)对加热片2-29通电，调节加热电源8使测温传感器2-35测得的温度在待测分置式工程杜瓦1的工作温度(80K)处达到平衡，记录此时加热片2-29的电流值和电压值，计算出其发热功率Q_j，并记录活动测温传感器2-20测得的温度值，可以得到此制冷量下弹性冷链的温度梯度；

6)计算待测分置式工程杜瓦1的热负载Q_x，等于高兼容多功能测试杜瓦2的固有热负载Q₀与加热片2-29的发热功率Q_j之和，即Q_x＝Q₀+Q_j。

本发明的优点是：

1)本专利的装置和实现方法简单，测试精度高，通用性强，成本低廉；

2)本专利可以测量大热负载工程杜瓦组件的热负载值；

3)本专利同样也适用于工程用制冷机冷指上弹性冷链或碳纸或其它耦合介质在不同制冷温度和不同传输冷量下温度梯度的测试；

4)本专利可以测试高兼容多功能测试杜瓦与制冷机的耦合效果。

附图说明

图1为一种分置式杜瓦不同制冷温度下热负载测试方法及装置示意图。

图2为一种分置式杜瓦不同制冷温度下热负载测试装置中高兼容多功能测试杜瓦2示意图。

图中：

2-1-腔体帽；

2-101-抽气开口；

2-2-引线圆盘；

2-201-引线孔；

2-202-引线圆盘内螺纹；

2-203-引线圆盘外螺纹；

2-204-引线圆盘密封槽；

2-3-密封卡环；

2-301-卡环内螺纹；

2-4-法兰座；

2-401-法兰座外螺纹；

2-402-法兰座密封槽；

2-5-制冷机冷指；

2-501-冷头；

2-6-法兰座橡胶密封圈；

2-7-法兰座螺钉；

2-8-卡环橡胶密封圈；

2-9-引线针；

2-10-引线圆盘橡胶密封圈；

2-11-腔体帽螺钉；

2-12-弹簧下压块；

2-1201-下压块弹簧安装孔；

2-13-下压块螺钉；

2-14-绝缘陶瓷环；

2-15-弹簧上压块；

2-1501-下冷屏；

2-1502-上压块弹簧安装孔；

2-16-冷头；

2-1601-冷头上表面；

2-17-上冷屏；

2-1701-让线开孔；

2-18-抽气管；

2-19-弹性冷头；

2-20-活动测温传感器；

2-21-弹片；

2-22-活动测温传感器正极引线；

2-23-活动测温传感器负极引线；

2-24-引出线；

2-25-弹簧甲；

2-26-弹簧已；

2-27-加热片正极引线；

2-28-弹簧丙；

2-29-加热片；

2-30-弹簧丁；

2-31-加热片负极引线；

2-32-弹簧戊；

2-33-测温传感器负极引线；

2-34-弹簧已；

2-35-测温传感器；

2-36-测温传感器正极引线。

具体实施方式

下面结合附图对本专利的具体实施方式作进一步的详细说明：

实施例是某大热负载(据估算热负载值大于1.5瓦)红外探测器焦平面杜瓦组件的热负载测试，如附图1所示，它的主要实施方法如下：

1、本专利中高兼容多功能测试杜瓦各零部件的制备方法和装配顺序如下：

a)腔体帽2-1材料为不锈钢304L，抽气管2-18为外径6mm内径4mm长60mm的无氧铜管，将抽气管2-18使用钎焊炉钎焊至腔体帽2-1的抽气管开口2-101处，使用检漏仪检验焊接处，漏率达到1.0×10^-11torr·l/s量级，满足使用要求，并对腔体帽2-1内表面进行抛光处理；

b)引线圆盘2-2材料为4J29，将绝缘陶瓷环2-14和引线针2-9使用钎焊炉焊接至引线孔2-201处，圆周方向均匀分布共有六组，使用检漏仪检验焊接处，漏率达到2.0×10^-11torr·l/s量级，满足使用要求，并对引线圆盘2-2盘面进行抛光处理；

c)冷头2-16材料为无氧铜，双面抛光，弹簧上压块2-15使用聚四氟乙烯材料，将冷头2-16嵌入弹簧上压块2-15内，弹簧上压块2-15与冷头2-16过盈配合；

d)使用低温胶将加热片2-29与测温传感器2-35粘贴到冷头上表面2-1601上，测温传感器2-35选用测温Pt电阻，使用电烙铁将加热片正极引线2-27、加热片负极引线2-31、测温传感器正极引线2-36和测温传感器负极引线2-33分别铟焊至加热片2-29的正负极与测温传感器2-35的正负极；

e)上冷屏2-17为不锈钢材料，内外抛光处理，将上冷屏2-17安装至冷头上表面2-1601上，安装时将各引线从让线开孔2-1701中引出，使用低温胶固定上冷屏2-17与冷头2-16；活动测温传感器2-20选用测温Pt电阻，分别将活动测温传感器正极引线2-22和活动测温传感器负极引线2-23使用电烙铁铟焊至活动测温传感器2-20的正负极上，弹片2-21为1mm×2mm长20mm的不锈钢长条，使用低温胶将活动测温传感器2-20粘贴至弹片2-21的一端，将弹片2-21的另一端使用低温胶粘贴至弹簧上压块2-15的下冷屏2-1501上；将以上粘有低温胶的各部分放入电子干燥箱室温固化12小时；

f)弹簧甲2-25等六根弹簧规格长度一致，将弹簧已2-34的一端穿过弹簧上压块2-15的上压块弹簧安装孔2-1502，使用虎钳将其压紧固定在弹簧上压块2-15上；将弹簧已2-34的另一端穿过弹簧下压块2-12的下压块弹簧安装孔2-1201，使用虎钳将其压紧固定在弹簧下压块2-12上；使用同样方法将其余五根弹簧依次固定在弹簧上压块2-15和弹簧下压块2-12上；

g)使用下压快螺钉2-13将弹簧下压快2-12安装固定至引线圆盘2-2上；

h)使用电烙铁将加热片正极引线2-27、加热片负极引线2-31、测温传感器正极引线2-36和测温传感器负极引线2-33分别铟焊至弹簧已2-26、弹簧戊2-32、弹簧甲2-25和弹簧已2-34，将活动测温传感器正极引线2-22和活动测温传感器负极引线2-23分别铟焊至弹簧丙2-28和弹簧丁2-30；再通过引出线将各弹簧与各引出针一一对应铟焊固定；

i)将密封卡环2-3套在法兰座2-4的柱体上，再套上卡环橡胶密封圈2-8，卡环橡胶密封圈2-8均匀涂抹有真空硅脂，将法兰座外螺纹2-301旋入引线圆盘内螺纹2-202中，旋入约10mm；将密封卡环内螺纹2-301旋至引线圆盘外螺纹2-203上，旋紧至卡住卡环橡胶密封圈2-8。将引线圆盘橡胶密封圈2-10均匀涂抹真空硅脂放入引线圆盘密封槽2-204中，使用腔体帽螺钉2-11固定腔体帽2-1与引线圆盘2-2。

2、本专利中高兼容多功能测试杜瓦2装配工程杜瓦适配制冷机3的过程如下：

a)拆卸下腔体帽2-1，旋松密封卡环2-3，将均匀涂抹有真空硅脂的法兰座橡胶密封圈2-6放置在法兰座密封槽2-402内；

b)将制冷机冷指2-5安装于高兼容多功能测试杜瓦2中，固定引线圆盘2-2，在保证法兰座2-4底面与工程杜瓦适配制冷机3安装面贴合的同时，观察制冷机冷指2-5上弹性冷头2-19与冷头2-16间的位置关系，旋转法兰座2-4调节弹性冷头2-19与冷头2-16间的位置关系；根据实验要求，旋转法兰座2-4，调节冷头2-16对弹性冷头2-19的压紧力大小；旋紧密封卡环2-3，使用法兰座螺钉2-7固定高兼容多功能测试杜瓦2与工程杜瓦适配制冷机3；

c)使用尖头镊子调节弹片2-21使活动测温传感器贴紧制冷机的冷头2-501部分，使用腔体帽螺钉2-11固定腔体帽2-1与引线圆盘2-2，完成高兼容多功能测试杜瓦2的安装。

3、对某待测分置式工程杜瓦(据估算热负载值大于1.5瓦)进行热负载测试的过程如下：

a)使用液氮称重法测得一种分置式杜瓦不同制冷温度下热负载测试装置中高兼容多功能测试杜瓦2固有热负载Q₀＝135mw；选择的工程杜瓦适配制冷机3的参数为额定电压28v，P_max＝240W，η＝0.85；

b)将待测分置式工程杜瓦1与工程杜瓦适配制冷机3耦合，使用工程杜瓦适配制冷机3对待测分置式工程杜瓦1制冷，通过调节制冷机控制箱4，将待测分置式工程杜瓦1制冷到其工作温度(该待测分置式工程杜瓦1的工作温度为80K)并达到热平衡，记录此时功率计5的功率值P＝80W；

c)将工程杜瓦适配制冷机3与待测分置式工程杜瓦1拆分，并将工程杜瓦适配制冷机3与高兼容多功能测试杜瓦2耦合，使用工程杜瓦适配制冷机3对高兼容多功能测试杜瓦2进行制冷，调节制冷机控制箱4，使功率计5与之前记录的功率值P＝80W相同；

d)对加热片2-29通电，调节加热电源8使测温传感器2-35测得的温度在待测分置式工程杜瓦1的工作温度(80K)处达到平衡，记录此时加热片2-29的电流值I＝0.083A和电压值V＝24V，计算出其发热功率Q_j＝1.992W，并记录活动测温传感器2-20测得的温度值T＝78.5K，可以得到此制冷量下弹性冷链的温度梯度；

e)计算待测分置式工程杜瓦1的热负载Q_x，等于高兼容多功能测试杜瓦2的固有热负载Q₀与加热片2-29的发热功率Q_j之和，即Q_x＝Q₀+Q_j＝2.127W。

以上就完成了一种分置式杜瓦不同制冷温度下热负载测试方法及装置，解决了大热负载工程杜瓦组件的热负载测试及杜瓦与制冷机耦合效果的测试问题。

Claims (2)

1.一种分置式杜瓦在不同制冷温度下热负载测试装置，由高兼容多功能测试杜瓦(2)、工程杜瓦适配制冷机(3)、制冷机控制箱(4)、功率计(5)、制冷机工作供电电源(6)、排气机(7)、加热电源(8)、加热电压计(9)和加热电流计(10)组成，其特征在于：

A.工程杜瓦适配制冷机(3)与功率计(5)输出端连接，功率计(5)输入端与制冷机控制箱(4)输出端连接，制冷机控制箱(4)输入端连接制冷机工作供电电源(6)；

B.高兼容多功能测试杜瓦(2)连接排气机(7)，高兼容多功能测试杜瓦(2)中的加热片(2-29)与加热电源(8)连接，中间串联一个加热电流计(10)，高兼容多功能测试杜瓦(2)中的加热片(2-29)与加热电压计(9)连接；

C.对待测分置式工程杜瓦(1)进行测试时，待测分置式工程杜瓦(1)与工程杜瓦适配制冷机(3)装配；对高兼容多功能测试杜瓦(2)进行测试时，高兼容多功能测试杜瓦(2)与工程杜瓦适配制冷机(3)装配。

2.一种基于权利要求1所述的装置的分置式杜瓦在不同制冷温度下热负载的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

1)按照一种分置式杜瓦不同制冷温度下热负载测试装置中的高兼容多功能测试杜瓦(2)的各零部件的装配顺序完成腔体帽(2-1)、引线圆盘(2-2)、密封卡环(2-3)、法兰座(2-4)以及内部零部件的装配和固定；

2)使用液氮称重法测得一种分置式杜瓦不同制冷温度下热负载测试装置中高兼容多功能测试杜瓦(2)固有热负载Q₀；

3)将待测分置式工程杜瓦(1)与工程杜瓦适配制冷机(3)耦合，使用工程杜瓦适配制冷机(3)对待测分置式工程杜瓦(1)制冷，通过调节制冷机控制箱(4)，将待测分置式工程杜瓦(1)制冷到其工作温度并达到热平衡，记录此时功率计(5)的功率值；

4)将工程杜瓦适配制冷机(3)与待测分置式工程杜瓦(1)拆分，并将工程杜瓦适配制冷机(3)与高兼容多功能测试杜瓦(2)耦合，使用工程杜瓦适配制冷机(3)对高兼容多功能测试杜瓦(2)进行制冷，调节制冷机控制箱(4)，使功率计(5)与之前记录的功率值相同；

5)对加热片(2-29)通电，调节加热电源(8)使测温传感器(2-35)测得的温度在待测分置式工程杜瓦(1)的工作温度处达到平衡，记录此时加热片(2-29)的电流值和电压值，计算出其发热功率Q_j，并记录活动测温传感器(2-20)测得的温度值，可以得到此制冷量下弹性冷链的温度梯度；

6)计算待测分置式工程杜瓦(1)的热负载Q_x，等于高兼容多功能测试杜瓦(2)的固有热负载Q₀与加热片(2-29)的发热功率Q_j之和，即Q_x＝Q₀+Q_j。

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