CN103388948A - 空间环境模拟用液氮冷氦双介质耦合热沉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液氮冷氦双介质耦合热沉，其为密闭的圆筒形，包括液氮冷却管网、冷气氦冷却管网、铜翅片和电加热器，铜翅片连接液氮冷却管网和冷气氦冷却管网并与液氮冷却管网和冷气氦冷却管网共同形成液氮冷氦双介质耦合热沉的筒体，电加热器均匀分布在铜翅片上。本发明通过液氮冷却管网和冷气氦冷却管网的嵌套耦合，液氮和冷氦气两种制冷介质独立工作，能顺利完成两者功能的切换，实现从液氮温区到低温气氦温区的过渡。并且，本发明的两介质管路的并行交错、双流道的设计可避免单一流道介质排空切换带来的流程复杂、安全性降低、容易出现温区过渡不连续及冷量浪费的情况。本发明的操作流程简单，安全可靠。

Description

空间环境模拟用液氮冷氦双介质耦合热沉

技术领域

本发明涉及一种热沉，尤其涉及一种用于空间环境模拟的液氮冷氦双介质耦合热沉。

背景技术

空间环境模拟系统模拟宇宙空间真空及冷黑环境，是检验航天设备及其组件在空间环境下安全性和可靠性的重要设备，环境模拟舱是该系统的核心组成。而环境模拟舱除了壳体及绝热方式外，舱中的冷热源发生一般都通过热沉来完成。热沉通过辐射传热等形式为待测设备提供所需的温度环境，为达这一目的，必须对热沉温度进行控制。对热沉温度的控制是通过传热介质在依附于热沉上的通道中的强迫流动或者电加热进行热交换而实现的。

空间环境模拟系统通常采用液氮为冷源，但受限于液氮的沸点温度最低极限温度在-190℃左右，无法达到更低温区的空间环境模拟需求。如中国专利“空间环境模拟试验设备液氮酒精双介质兼容热沉系统”（CN200810188293.5），通过两种介质的切换使热沉温度在-163～+50℃的范围内可调，但是其无法满足低于液氮温区的深空环境模拟需求。且同一通道的双介质切换，要求前一种介质的排空度高，容易造成温区过渡不连续、浪费冷量、降低安全性及可靠性低等问题。

又如中国专利“直筒形液氮液氦双介质兼容热沉装置及其制冷方法”（CN201110030922.3），采用液氦为超低温冷源，可实现热沉温度在4.2K～300K的范围内可调。该热沉设有内外双层结构，其中外部的液氮热沉作为液氦热沉的冷屏。由于液氦价格昂贵，该系统不仅制作成本高而且运行成本也高，因此不适合用于诸如生存性能试验等长时间运行任务，并且此热沉无法实现高于常温的高温环境条件。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种液氮冷氦双介质耦合热沉，采用液氮与冷气氦既流动独立又传热耦合地开展双介质高低温空间环境模拟。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种液氮冷氦双介质耦合热沉，通过设计嵌套耦合的液氮冷却管网和冷气氦冷却管网以及铜翅片和电加热器，通过既独立又耦合地使用液氮与冷气氦以及电加热器实现对热沉及其内部空间在大温区范围内的温度可调。

为实现上述目的，本发明提供了一种液氮冷氦双介质耦合热沉，其特征在于，所述液氮冷氦双介质耦合热沉为密闭的圆筒形，包括液氮冷却管网、冷气氦冷却管网、铜翅片和电加热器，所述铜翅片连接所述液氮冷却管网和所述冷气氦冷却管网，并与所述液氮冷却管网和所述冷气氦冷却管网共同形成所述液氮冷氦双介质耦合热沉的筒体，所述电加热器均匀分布在所述铜翅片上。

进一步地，所述液氮冷却管网包括不锈钢液氮进液总管、不锈钢液氮出液/气总管和多个不锈钢液氮支管；所述不锈钢液氮进液总管和所述不锈钢液氮出液/气总管沿所述筒体的轴向延伸；所述多个不锈钢液氮支管为半圆形且垂直于所述轴向并联地连接在所述不锈钢液氮进液总管和所述不锈钢液氮出液/气总管之间，所述多个不锈钢液氮支管彼此平行；

所述冷氦气冷却管网包括不锈钢冷氦气进气总管、不锈钢冷氦气出气总管和多个不锈钢冷氦气支管；所述不锈钢冷氦气进气总管和所述不锈钢冷氦气出气总管沿所述筒体的轴向延伸；所述多个不锈钢冷氦气支管为半圆形且垂直于所述轴向并联地连接在所述不锈钢冷氦气进气总管和所述不锈钢冷氦气出气总管之间，所述多个不锈钢冷氦气支管彼此平行。

进一步地，所述轴向为水平方向，所述不锈钢液氮进液总管和所述不锈钢冷氦气进气总管并排分布在所述筒体的底部；所述不锈钢液氮出液/气总管和所述不锈钢冷氦气出气总管并排分布在所述筒体的顶部；所述多个不锈钢液氮支管交替地沿顺时针和逆时针方向从所述不锈钢液氮进液总管延伸至所述不锈钢液氮出液/气总管，且在所述轴向上相邻两个所述不锈钢液氮支管之间的间距相等；所述多个不锈钢冷氦气支管交替地沿顺时针和逆时针方向从所述不锈钢冷氦气进气总管延伸至所述不锈钢冷氦气出气总管，且在所述轴向上相邻两个所述不锈钢冷氦气支管之间的间距相等。

进一步地，所述相邻两个所述不锈钢液氮支管之间的间距与所述相邻两个所述不锈钢冷氦气支管之间的间距相等；任意两个相邻的所述不锈钢液氮支管和所述不锈钢冷氦气支管之间的间距相等。

进一步地，所述不锈钢液氮进液总管的一端为液氮入口，另一端封闭；所述不锈钢冷氦气进气总管的一端为冷氦气入口，另一端封闭；所述液氮入口和所述冷氦气入口位于所述筒体的第一端面处；所述不锈钢液氮出液/气总管的一端为液氮出口，另一端封闭；所述不锈钢冷氦气出气总管的一端为冷氦气出口，另一端封闭；所述液氮出口和所述冷氦气出口位于所述筒体的第二端面处；

来自液氮储罐的液氮从所述液氮入口进入所述不锈钢液氮进液总管后通过各个所述不锈钢液氮支管进入所述不锈钢液氮出液/气总管，并从所述液氮出口离开，被回收或者被排出到大气；

来自氦低温制冷机的冷氦气从所述冷氦气入口进入所述不锈钢冷氦气进气总管后通过各个所述不锈钢冷氦气支管进入所述不锈钢冷氦气出气总管，并从所述冷氦气出口被排出并进入所述氦低温制冷机。

进一步地，还包括气氮吹除系统，所述气氮吹除系统包括气氮管路和氮气气源，所述氮气气源通过所述气氮管路连接到所述液氮入口，所述气氮管路上设有阀门；所述阀门在所述气氮吹除系统工作时打开，在所述气氮吹除系统不工作时关闭。

进一步地，两个相邻的所述不锈钢液氮支管和所述不锈钢冷氦气支管间连接一个所述铜翅片，所述铜翅片与所述不锈钢液氮支管和所述不锈钢冷氦气支管皆相切，所述铜翅片与所述不锈钢液氮支管和所述不锈钢冷氦气支管之间通过满焊连接，相邻两个所述铜翅片彼此平行且不重合。

进一步地，作为所述筒体的内壁的所述铜翅片的第一表面上喷涂有黑漆；所述铜翅片的所述第一表面的半球发射率大于0.91，对可见光的吸收率大于0.96。

进一步地，所述电加热器为薄膜式聚酰亚胺材质封结电阻丝加热器；所述电加热器分布在作为所述筒体的外壁的所述铜翅片的第二表面上。

进一步地，包括多个所述电加热器，所述多个电加热器被分为3的整数倍的电加热器组；每个所述电加热器组内的所述各个电加热器的连接方式为星形连接；每个所述电加热器组内的所述各个电加热器沿所述轴向分布在所述第二表面上；各个所述电加热器组在所述第二表面上交错分布。

在本发明的较佳实施方式中，提供了一种圆筒形的液氮冷氦双介质耦合热沉，其包括液氮冷却管网、冷气氦冷却管网、铜翅片、电加热器和气氮吹除系统，铜翅片连接液氮冷却管网和冷气氦冷却管网，并与液氮冷却管网和冷气氦冷却管网共同形成形热沉的筒体，热沉的两个端面设有完全遮盖该端面的封板，电加热器均匀分布在铜翅片上。液氮冷氦双介质耦合热沉的筒体的轴向为水平方向，液氮冷却管网包括不锈钢液氮进液总管、不锈钢液氮出液/气总管和多个不锈钢液氮支管，冷氦气冷却管网包括不锈钢冷氦气进气总管、不锈钢冷氦气出气总管和多个不锈钢冷氦气支管。不锈钢液氮进液总管和不锈钢冷氦气进气总管沿筒体的轴向，并排分布在热沉的筒体的底部；不锈钢液氮出液/气总管和不锈钢冷氦气出气总管沿筒体的轴向，并排分布在热沉的筒体的顶部。多个半圆形的不锈钢液氮支管处于竖直平面且彼此平行并联地连接在不锈钢液氮进液总管和不锈钢液氮出液/气总管之间，且交替地沿顺时针和逆时针方向从不锈钢液氮进液总管延伸至不锈钢液氮出液/气总管；多个半圆形的不锈钢冷氦气支管处于竖直平面且彼此平行并联地连接在不锈钢冷氦气进气总管和不锈钢冷氦气出气总管之间，且交替地沿顺时针和逆时针方向从不锈钢冷氦气进气总管延伸至不锈钢冷氦气出气总管。水平方向上，相邻两个不锈钢液氮支管之间的间距相等，相邻两个不锈钢冷氦气支管之间的间距相等，相邻两个不锈钢液氮支管之间的间距与相邻两个不锈钢冷氦气支管之间的间距相等，且任意两个相邻的不锈钢液氮支管和不锈钢冷氦气支管之间的间距相等，由此形成本发明的液氮冷氦双介质耦合热沉的嵌套耦合的液氮冷却管网和冷气氦冷却管网结构。

由此可见，本发明的液氮冷氦双介质耦合热沉采用了液氮和冷气氦双介质兼容的热沉结构，通过不绣钢液氮支管和不锈钢冷氦气支管嵌套耦合，能顺利完成液氮和冷氦气两种制冷介质的独立不间断切换，实现从液氮温区到低温气氦温区的过渡。这种两介质管路的并行交错、双流道的设计可避免单一流道介质排空切换带来的流程复杂、安全性降低、容易出现温区过渡不连续及冷量浪费的情况。因此本发明的液氮冷氦双介质耦合热沉的操作流程相对简单，安全可靠。另外，各个不绣钢液氮支管和不锈钢冷氦气支管内的液氮或冷氦气的流向为由低向高，液氮所含气泡易于分离，有利于热沉的降温启动，有利于保障热沉温度的均匀性能。液氮进、出口及冷氦气进、出口皆采用对角线流道原理设计，可保障液氮及冷氦气在不绣钢液氮支管和不锈钢冷氦气支管的支路流导相等，这样既适用于气体流动，又适宜于液体流动，也适合于两相流流动，由此使热沉管内流动状态的转变得以顺利进行，热沉温度均匀，有利于液氮系统运行。不锈钢管路+铜翅片的热沉结构，既能充分发挥不锈钢的良好低温和防腐蚀性能，又兼备翅片铜的良好导热性，两者完美结合回避了不锈钢导热性能差以及铜抗腐蚀能力差及价格昂贵的缺点。铜翅片上设有聚酰亚胺薄膜式电加热器，能实现热沉及内部空间的复温及升温，可实现50K～373K任意温度可调。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1显示了本发明的液氮冷氦双介质耦合热沉中的液氮冷却管网和冷气氦冷却管网。

图2是图1所示的液氮冷却管网和冷气氦冷却管网在液氮冷氦双介质耦合热沉顶部处放大的示意图。

图3显示了图1所示的液氮冷却管网和冷气氦冷却管网的不锈钢液氮支管、不锈钢冷氦气支管和铜翅片、电加热器的连接关系。

具体实施方式

本发明的液氮冷氦双介质耦合热沉为密闭的圆筒形，包括液氮冷却管网、冷气氦冷却管网、铜翅片、电加热器和气氮吹除系统，铜翅片连接液氮冷却管网和冷气氦冷却管网并与液氮冷却管网和冷气氦冷却管网共同形成形热沉的筒体，热沉的两个端面（第一端面及第二端面）设有完全遮盖该端面的封板，电加热器均匀分布在铜翅片上。

图1显示了在一个较佳的实施例中，本发明的液氮冷氦双介质耦合热沉中的液氮冷却管网和冷气氦冷却管网。如图1所示，在本实施例中，本发明的液氮冷氦双介质耦合热沉的筒体的轴向为水平方向。液氮冷却管网包括不锈钢液氮进液总管11、不锈钢液氮出液/气总管12和多个如不锈钢液氮支管13的不锈钢液氮支管；冷氦气冷却管网包括不锈钢冷氦气进气总管21、不锈钢冷氦气出气总管22和多个如不锈钢冷氦气支管23的不锈钢冷氦气支管。

不锈钢液氮进液总管11和不锈钢液氮出液/气总管12沿筒体的轴向，即水平方向；不锈钢冷氦气进气总管21和不锈钢冷氦气出气总管22沿筒体的轴向，即水平方向；不锈钢液氮进液总管11和不锈钢冷氦气进气总管1并排分布在热沉的筒体的底部；不锈钢液氮出液/气总管12和不锈钢冷氦气出气总管22并排分布在热沉的筒体的顶部。多个如不锈钢液氮支管13的不锈钢液氮支管为半圆形且垂直于热沉的筒体的轴向，即这些不锈钢液氮支管处于竖直平面且彼此平行，它们并联地连接在不锈钢液氮进液总管11和不锈钢液氮出液/气总管12之间；多个如不锈钢冷氦气支管23的不锈钢冷氦气支管为半圆形且垂直于热沉的筒体的轴向，即这些不锈钢冷氦气支管处于竖直平面且彼此平行，它们并联地连接在不锈钢冷氦气进气总管21和不锈钢冷氦气出气总管22之间。由于需要充分考虑液氮汽化后的体积膨胀，不锈钢液氮出液/气总管12的管径设计为远大于不锈钢液氮进液总管11的管径，例如前者与后者的截面积之比大于2.5。

图2给出了液氮冷氦双介质耦合热沉的筒体的顶部处放大的示意图，如图2所示，这些不锈钢液氮支管交替地沿顺时针和逆时针方向从不锈钢液氮进液总管11延伸至不锈钢液氮出液/气总管12且在热沉的筒体的轴向上，即水平方向上，相邻两个不锈钢液氮支管之间的间距相等；这些不锈钢冷氦气支管交替地沿顺时针和逆时针方向从不锈钢冷氦气进气总管21延伸至不锈钢冷氦气出气总管22且在热沉的筒体的轴向上，即水平方向上，相邻两个不锈钢冷氦气支管之间的间距相等；并且，相邻两个不锈钢液氮支管之间的间距与相邻两个不锈钢冷氦气支管之间的间距相等；任意两个相邻的不锈钢液氮支管和不锈钢冷氦气支管之间的间距相等。例如如图2所示的，不锈钢液氮支管13和不锈钢液氮支管14之间的间距与不锈钢液氮支管14和不锈钢液氮支管15之间的间距相等；不锈钢冷氦气支管23和不锈钢冷氦气支管24之间的间距与不锈钢冷氦气支管24与不锈钢冷氦气支管25之间的间距相等；不锈钢液氮支管13和不锈钢液氮支管14之间的间距等于不锈钢冷氦气支管23和不锈钢冷氦气支管24之间的间距；并且，不锈钢液氮支管13和不锈钢冷氦气支管23之间的间距等于不锈钢液氮支管14和不锈钢冷氦气支管23之间的间距，等于不锈钢液氮支管14和不锈钢冷氦气支管24之间的间距，等于不锈钢液氮支管15和不锈钢冷氦气支管24之间的间距，等于不锈钢液氮支管15和不锈钢冷氦气支管25之间的间距。

本实施例中，不锈钢液氮进液总管11为Ф45×2mm（直径45mm，管壁厚2mm）的不锈钢管，不锈钢液氮出液/气总管12为Ф76×4mm（直径76mm，管壁厚4mm）的不锈钢管，如不锈钢液氮支管13的各个不锈钢液氮支管皆为Ф22×1mm的不锈钢管；各个不锈钢液氮支管通过焊接的方式连接在不锈钢液氮进液总管11和不锈钢液氮出液/气总管12之间，并且与不锈钢液氮进液总管11和不锈钢液氮出液/气总管12相连通；不锈钢液氮支管的个数为50个，形成25圈平行盘管；在水平方向上，相邻两个不锈钢液氮支管之间的间距为102mm。不锈钢冷氦气进气总管21和不锈钢冷氦气出气总管22皆为Ф32×3mm（直径32mm，管壁厚3mm）的不锈钢管，如不锈钢冷氦气支管23的各个不锈钢冷氦气支管皆为Ф22×1mm（直径22mm，管壁厚1mm）的不锈钢管；各个不锈钢冷氦气支管通过焊接的方式连接在不锈钢冷氦气进气总管21和不锈钢冷氦气出气总管22之间，并且与不锈钢冷氦气进气总管21和不锈钢冷氦气出气总管22相连通；不锈钢冷氦气支管的个数为50个，形成25圈平行盘管；在水平方向上，相邻两个不锈钢冷氦气支管之间的间距为102mm。任意两个相邻的不锈钢液氮支管和不锈钢冷氦气支管之间的间距皆为51mm。

不锈钢液氮进液总管11的一端为液氮入口111，另一端封闭；不锈钢冷氦气进气总管21的一端为冷氦气入口211，另一端封闭；液氮入口111和冷氦气入口211位于热沉的筒体的第一端面处。不锈钢液氮出液/气总管12的一端为液氮出口121，另一端封闭；不锈钢冷氦气出气总管22的一端为冷氦气出口21，另一端封闭；液氮出口121和冷氦气出口221位于热沉的筒体的第二端面处。可见，液氮入口111和液氮出口121分别位于热沉的筒体的对角的两侧，这可以保证液氮在各个不锈钢液氮支管内的流动阻力平衡；同样，冷氦气入口211和冷氦气出口221分别位于热沉的筒体的对角的两侧，这可以保证冷氦气在各个不锈钢冷氦气支管内的流动阻力平衡。使用时，来自液氮储罐的液氮从液氮入口111进入不锈钢液氮进液总管11后通过各个不锈钢液氮支管进入不锈钢液氮出液/气总管12，并从液氮出口121回收或者被排出到大气；来自氦低温制冷机的冷氦气从冷氦气入口211进入不锈钢冷氦气进气总管21后通过各个不锈钢冷氦气支管进入不锈钢冷氦气出气总管22，并从冷氦气出口221被排出并进入该氦低温制冷机。

气氮吹除系统包括气氮管路和氮气气源，氮气气源通过气氮管路连接到液氮入口111，用于吹除液氮冷却管网中的液氮。氮气气源可以是氮气钢瓶或者液氮储槽的顶部送气；气氮管路为常温或低温气氮管路，本实施例中为Ф22×1mm（直径22mm，管壁厚1mm）的不锈钢管，其通过液氮入口111与不锈钢液氮进液总管11连通。气氮管路上设有阀门，阀门在气氮吹除系统工作时打开，在气氮吹除系统不工作时关闭。使用时，来自氮气气源的氮气通过气氮管路和液氮入口111进入不锈钢液氮进液总管11以吹除液氮冷却管网中的液氮。

铜翅片连接在任意两个相邻的不锈钢液氮支管和不锈钢冷氦气支管之间，每两个相邻的不锈钢液氮支管和不锈钢冷氦气支管之间连接一个铜翅片，具体地为通过氩弧焊对铜翅片与不锈钢液氮支管和不锈钢冷氦气支管的外管壁进行满焊以实现铜翅片与不锈钢液氮支管和不锈钢冷氦气支管之间的连接。在焊接时，铜翅片与不锈钢液氮支管和所述不锈钢冷氦气支管皆相切，且相邻两个铜翅片彼此平行且不重合，即对于任何一个不锈钢液氮支管或不锈钢冷氦气支管，与其连接的两个铜翅片分别连接于其两侧，这两个铜翅片是彼此错开的。如图3所示，在不锈钢液氮支管13和不锈钢冷氦气支管23之间连接有铜翅片31，在不锈钢液氮支管14和不锈钢冷氦气支管23之间连接有铜翅片32，在不锈钢液氮支管14和不锈钢冷氦气支管24之间连接有铜翅片33；铜翅片31与不锈钢液氮支管13和不锈钢冷氦气支管23皆相切，铜翅片32与不锈钢液氮支管14和不锈钢冷氦气支管23皆相切，铜翅片33与不锈钢液氮支管14和不锈钢冷氦气支管24皆相切；铜翅片31与铜翅片32彼此错开，两者平行且不重合；铜翅片32与铜翅片33彼此错开，两者平行且不重合。本实施例中，各个铜翅片皆为2mm厚的紫铜板，在焊接前对其进行热处理以保证既不破坏铜翅片设计尺寸，而且使焊缝有足够强度。彼此错开的相邻铜翅片的设计使氩弧焊焊缝位置明显外露，由此焊工可以在简易模具帮助下，以最佳的俯焊姿势焊接，焊接的质量容易保证。

本发明的液氮冷氦双介质耦合热沉的第一端面及第二端面上设有完全遮盖该端面的封板，本实施例中的封板为3mm厚紫铜封板。

本发明的液氮冷氦双介质耦合热沉的筒体的内壁（即面向热沉内部的壁）是铜翅片的第一表面，外壁（即面向外界的壁）是铜翅片的第二表面，如图3所示的铜翅片31的第一表面311和第二表面312、铜翅片32的第一表面321和第二表面322以及铜翅片33的第一表面331和第二表面332。各个铜翅片的第一表面上喷涂有黑漆，该黑漆黑漆可耐受50K低温和373K高温，用于增强辐射传热，以使各个铜翅片的第一表面的半球发射率大于0.91，对可见光的吸收率大于0.96。在铜翅片的第二表面上设置有电加热器，如设置在铜翅片32的第二表面322上的电加热器41。本实施例中，这些电加热器皆为薄膜式聚酰亚胺材质封结电阻丝加热器，其为很薄的带状结构，可通过缠绕的方式固定在第二表面上，其适用于50K～373K的高低温环境。本实施例中，采用缠绕的方式将各个电加热器固定在第二表面的具体操作为：在各电加热器的外表面，箍一层0.3mm厚的铜皮带，环绕其一周收紧状态下，用铆钉将铜皮带固定在铜翅片上，这样可以防止脱落并且使得电加热器与铜翅片接触良好，以便传导热量。

在电连接时，这些电加热器被分为3的整数倍的电加热器组，例如本实施例中采用18个薄膜式聚酰亚胺材质封结电阻丝加热器并将它们分为6个电加热器组。每个电加热器组内的各个电加热器以星形连接的电连接方式连接到调压器，例如可控硅调压器，通过调压器控制其温度。每个电加热器组内的各个电加热器沿热沉的筒体的轴向分布在铜翅片的第二表面上并且各个电加热器组在第二表面上交错分布，以使关闭其中任何一个电加热器组都基本不影响热沉在其筒体的轴向的温度均匀性。

本发明的液氮冷氦双介质耦合热沉可实现50K～373K任意温度可调，其工作方式如下：

进行低温试验时，向液氮冷却管网供给液氮，来自液氮储罐的液氮从液氮入口111进入不锈钢液氮进液总管11后均匀地进入各个不锈钢液氮支管，各个不锈钢液氮支管内的液氮将冷量传递给与其相连的各个铜翅片以用于冷却目标空间及被冷物体，各个不锈钢液氮支管中的液氮自身被加热汽化或部分汽化，气态氮汇集到不锈钢液氮出液/气总管12，并从液氮出口121排除，根据所排流体的气液两相组成决定排空还是回收，即如果所排流体为气氮，则直接被排出到大气；如果所排流体为气液两相（液氮较多）则进行回收。此过程通过热沉的外部测量及阀门执行机构控制实现，在此不赘述。使用上述的液氮制冷模式可使热沉降温最低至85K温区。制冷更低的温度可以通过切换为冷气氦制冷模式实现：首先，为避免进一步降温使存留在各个不锈钢液氮支管中的液氮固化堵塞甚至膨胀导致不锈钢液氮支管破裂，需要使用气氮吹除系统吹除液氮冷却管网中的液氮；然后，开启氦低温制冷机，来自氦低温制冷机的20～50K温区受控的低温冷气氦从冷氦气入口211进入不锈钢冷氦气进气总管21后均匀地进入各个不锈钢冷氦气支管，各个不锈钢冷氦气支管内的冷氦气将冷量传递给与其相连的各个铜翅片以用于对目标空间和被冷物体的进一步冷却，冷氦气自身温度升高，汇集到不锈钢冷氦气出气总管22，并从冷氦气出口221被排出并进入该氦低温制冷机，以此形成了冷氦气的循环。使用该冷氦气制冷模式可使热沉继续降温最低至50K。并且，通过变频调节氦低温制冷机的压缩机的功率或者调节电加热器的功率进行冷热对冲，可实现热沉在目标温区的精确控温。

进行高温试验时，首先对热沉内空间进行复温，释放液氮冷却管网和冷气氦冷却管网内的压力；开启各个电加热器，通过与电加热连接的调压器连续调节各个电加热的功率，使热沉持续升温；通过空间的辐射和空间内介质的自然对流换热对热沉内的空间气体和被测物体进行加热复温，直至室温，完成复温过程。然后进一步通过电加热器提供热量，使空间保持3～10℃/min的速度进行升温，最高可实现空间目标温度+100℃。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种液氮冷氦双介质耦合热沉，其特征在于，液氮冷氦双介质耦合热沉为密闭的圆筒形，包括液氮冷却管网、冷气氦冷却管网、铜翅片和电加热器；所述铜翅片连接所述液氮冷却管网和所述冷气氦冷却管网，并与所述液氮冷却管网和所述冷气氦冷却管网共同形成所述液氮冷氦双介质耦合热沉的筒体，所述电加热器均匀分布在所述铜翅片上。

2.如权利要求1所述的液氮冷氦双介质耦合热沉，其中所述液氮冷却管网包括不锈钢液氮进液总管、不锈钢液氮出液/气总管和多个不锈钢液氮支管；所述不锈钢液氮进液总管和所述不锈钢液氮出液/气总管沿所述筒体的轴向延伸；所述多个不锈钢液氮支管为半圆形且垂直于所述轴向并联地连接在所述不锈钢液氮进液总管和所述不锈钢液氮出液/气总管之间，所述多个不锈钢液氮支管彼此平行；

所述冷氦气冷却管网包括不锈钢冷氦气进气总管、不锈钢冷氦气出气总管和多个不锈钢冷氦气支管；所述不锈钢冷氦气进气总管和所述不锈钢冷氦气出气总管沿所述筒体的轴向延伸；所述多个不锈钢冷氦气支管为半圆形且垂直于所述轴向并联地连接在所述不锈钢冷氦气进气总管和所述不锈钢冷氦气出气总管之间，所述多个不锈钢冷氦气支管彼此平行。

3.如权利要求2所述的液氮冷氦双介质耦合热沉，其中所述轴向为水平方向，所述不锈钢液氮进液总管和所述不锈钢冷氦气进气总管并排分布在所述筒体的底部；所述不锈钢液氮出液/气总管和所述不锈钢冷氦气出气总管并排分布在所述筒体的顶部；所述多个不锈钢液氮支管交替地沿顺时针和逆时针方向从所述不锈钢液氮进液总管延伸至所述不锈钢液氮出液/气总管，且在所述轴向上相邻两个所述不锈钢液氮支管之间的间距相等；所述多个不锈钢冷氦气支管交替地沿顺时针和逆时针方向从所述不锈钢冷氦气进气总管延伸至所述不锈钢冷氦气出气总管，且在所述轴向上相邻两个所述不锈钢冷氦气支管之间的间距相等。

4.如权利要求3所述的液氮冷氦双介质耦合热沉，其中所述相邻两个所述不锈钢液氮支管之间的间距与所述相邻两个所述不锈钢冷氦气支管之间的间距相等；任意两个相邻的所述不锈钢液氮支管和所述不锈钢冷氦气支管之间的间距相等。

5.如权利要求2-4中任何一个所述的液氮冷氦双介质耦合热沉，其中所述不锈钢液氮进液总管的一端为液氮入口，另一端封闭；所述不锈钢冷氦气进气总管的一端为冷氦气入口，另一端封闭；所述液氮入口和所述冷氦气入口位于所述筒体的第一端面处；所述不锈钢液氮出液/气总管的一端为液氮出口，另一端封闭；所述不锈钢冷氦气出气总管的一端为冷氦气出口，另一端封闭；所述液氮出口和所述冷氦气出口位于所述筒体的第二端面处；

来自液氮储罐的液氮从所述液氮入口进入所述不锈钢液氮进液总管后通过各个所述不锈钢液氮支管进入所述不锈钢液氮出液/气总管，并从所述液氮出口离开；

来自氦低温制冷机的冷氦气从所述冷氦气入口进入所述不锈钢冷氦气进气总管后通过各个所述不锈钢冷氦气支管进入所述不锈钢冷氦气出气总管，并从所述冷氦气出口被排出并进入所述氦低温制冷机。

6.如权利要求5所述的液氮冷氦双介质耦合热沉，其中还包括气氮吹除系统，所述气氮吹除系统包括气氮管路和氮气气源，所述氮气气源通过所述气氮管路连接到所述液氮入口，所述气氮管路上设有阀门；所述阀门在所述气氮吹除系统工作时打开，在所述气氮吹除系统不工作时关闭。

7.如权利要求4或6所述的液氮冷氦双介质耦合热沉，其中两个相邻的所述不锈钢液氮支管和所述不锈钢冷氦气支管间连接一个所述铜翅片，所述铜翅片与所述不锈钢液氮支管和所述不锈钢冷氦气支管皆相切，所述铜翅片与所述不锈钢液氮支管和所述不锈钢冷氦气支管之间通过满焊连接，相邻两个所述铜翅片彼此平行且不重合。

8.如权利要求7所述的液氮冷氦双介质耦合热沉，其中作为所述筒体的内壁的所述铜翅片的第一表面上喷涂有黑漆；所述铜翅片的所述第一表面的半球发射率大于0.91，对可见光的吸收率大于0.96。

9.如权利要求8所述的液氮冷氦双介质耦合热沉，其中所述电加热器为薄膜式聚酰亚胺材质封结电阻丝加热器；所述电加热器分布在作为所述筒体的外壁的所述铜翅片的第二表面上。

10.如权利要求9所述的液氮冷氦双介质耦合热沉，其中包括多个所述电加热器，所述多个电加热器被分为3的整数倍的电加热器组；每个所述电加热器组内的所述各个电加热器的连接方式为星形连接；每个所述电加热器组内的所述各个电加热器沿所述轴向分布在所述第二表面上；各个所述电加热器组在所述第二表面上交错分布。

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