CN103499016B - 一种保持制冷接收机微波窗口干燥的充气系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种保持制冷接收机微波窗口干燥的充气系统，该系统在射电天文中用于保持1.3厘米波段制冷接收机微波窗口干燥的充气系统。该充气系统是由充气机、气体缓冲器、压力传感器、监控表头、三通、手阀、电磁阀、充气导管、供气导管、排气导管、压力传感器导管、杜瓦腔、干空气腔体、密封圈、微波窗口密封薄膜、微波窗口紧固圈、干空气腔体密封薄膜和干空气腔体紧固圈组成。该充气系统设计方案更合理，可以保证良好的波导腔体密封性，为一种用新鲜干燥空气置换干空气腔体内陈旧气体、避免水汽在微波窗口表面凝结的充气系统，从而提高了1.3厘米波段制冷接收机的接收性能，使之可以更好的用于射电天文观测。

Description

一种保持制冷接收机微波窗口干燥的充气系统

技术领域

本发明涉及一种保持1.3厘米波段制冷接收机微波窗口干燥的充气系统，专门用于射电天文观测的制冷接收机。

背景技术

射电天文学是20世纪40年代第二次世界大战后迅速发展起来的天文学中的一个新的分支，是通过接收和处理宇宙天体的无线电辐射来研究天文现象的一门学科。射电天文学已成为重大天文发现的发祥地和天文学家荣获诺贝尔奖的摇篮。

射电望远镜这种射电天文观测手段一经出现，就显示出极大的优越性，为一种“全天候”望远镜，主要由天线系统、接收机系统、终端系统等设备构成。接收机系统主要功能是把由天线汇集到的微弱电磁波信号，经低噪声放大器进行放大，再经过混频、中频放大、滤波等环节，最终输出给记录终端。

由于射电天文观测中接收到的信号极其微弱，对射电望远镜接收机系统灵敏度有很高的要求。衡量接收机灵敏度的重要参数指标是噪声温度，噪声温度越低，灵敏度越高。通常，对接收机低噪声放大器等器件制冷、降低其物理温度是减小接收机噪声温度、提高灵敏度的重要手段。

鉴于我台1.3厘米波段制冷接收机杜瓦的特殊设计，馈源及其它波导器件都放在杜瓦内部共同制冷，这样做降低了接收机的噪声温度。而在杜瓦顶端开设的微波窗口，一方面要满足真空密封以保证杜瓦内各器件的低温工作环境，另一方面用来传输微波信号。所以微波窗口选用的密封材料至关重要，需要满足力学性能、电特性、化学稳定性，以及很高的抗辐射、耐高温和耐低温性能。1.3厘米波段制冷接收机微波窗口选用的密封材料为聚酯薄膜，厚度为0.2mm，在一个大气压下真空保持能力优秀，且不需要放置泡沫支撑。当1.3厘米波段制冷接收机杜瓦正常工作时，内部器件温度低于20K，而杜瓦外部温度为常温（293K左右）。由于空气中存在水汽，当用于密封微波窗口的聚酯薄膜和外界空气直接接触时，如不加以保护，空气中的水汽就会在薄膜处遇冷凝结。而微波窗口是原始射频信号最先进入接收机的位置，水汽在该位置的凝结，势必会影响接收机的性能。

中国电子科技集团公司第十六研究所，王志杰、李大志.S／X波段制冷接收机结构设计[J].低温与超导.2008，第36卷、第5期中所述设计，该制冷接收机微波窗口选用泡沫和薄膜（聚四氟乙烯+聚酰亚胺）组合来实现密封。该薄膜用于真空密封且能承受较高的机械强度，泡沫则用在机械强度加固和支撑聚酰亚胺膜。该薄膜外部的波导管并没有采取保护措施，波导管法兰与外部馈源直接连接，当波导管中的空气与密封薄膜接触时，潜在的水汽在该处凝结不可避免。

发明内容

本发明目的在于提供一种在射电天文中用于保持1.3厘米波段制冷接收机微波窗口干燥的充气系统。该充气系统是由充气机、气体缓冲器、压力传感器、监控表头、三通、手阀、电磁阀、充气导管、供气导管、排气导管、压力传感器导管、杜瓦腔、干空气腔体、密封圈、微波窗口密封薄膜、微波窗口紧固圈、干空气腔体密封薄膜和干空气腔体紧固圈组成。该充气系统设计方案更合理，可以保证良好的波导腔体密封性，为一种用新鲜干燥空气置换干空气腔体内陈旧气体、避免水汽在微波窗口表面凝结的充气系统，从而提高了1.3厘米波段制冷接收机的接收性能，使之可以更好的用于射电天文观测。

本发明所述的一种保持制冷接收机微波窗口干燥的充气系统，该系统是由充气机、监控单元、充气导管、供气导管、排气导管、压力传感器导管、杜瓦腔、干空气腔体、密封圈、微波窗口密封薄膜、微波窗口紧固圈、干空气腔体密封薄膜和干空气腔体紧固圈组成，充气机（1）通过充气导管（7）与监控单元（3）内的气体缓冲器（2）连接；供气导管（8）、排气导管（9）和压力传感器导管（10）的一端分别与干空气腔体（25）上对应的导管接口连接，供气导管（8）、排气导管（9）和压力传感器导管（10）的另一端分别于与监控单元（3）上对应的接口连接，干空气腔体（25）固定在杜瓦腔（4）顶端。

所述的保持制冷接收机微波窗口干燥的充气系统中，干空气腔体（25）为一个上下开口的圆柱形腔体，高度60mm、内径105.5mm、外径124.5mm，在杜瓦腔（4）顶端开设微波窗口（18），微波窗口（18）外圈开设凹槽（19），用密封圈（20）与微波窗口密封薄膜（21）密封，微波窗口密封薄膜（21）由微波窗口紧固圈（22）通过螺丝固定在杜瓦腔（4）的顶部，在凹槽（19）的外圈开设凹槽（23），添加密封圈（24）用来密封干空气腔体（25）与杜瓦腔（4）的结合处，干空气腔体（25）上方开设凹槽（26），用密封圈（27）与干空气腔体密封薄膜（28）密封，并用干空气腔体紧固圈（29）固定。

所述的保持制冷接收机微波窗口干燥的充气系统中，气体缓冲器（2）为全封闭型，内部为全空腔体，长280mm、宽130mm、高80mm，将其放置在监控单元（3）的机箱内部。

所述的保持制冷接收机微波窗口干燥的充气系统中，监控单元（3）为一个标准19寸机柜单元箱，高度为88mm，监控单元（3）内部由气体缓冲器（2）、压力传感器（5）、监控表头（6）、三通（11）、手阀（12）、电磁阀（13）、三通（14）、三通（15）、手阀（16）、电磁阀（17）、直流电源（30）组成，气体缓冲器（2）的供气口经软管与三通（11）的第一端口连接，三通（11）的第二端口经软管与手阀（12）连接，三通（11）的第三端口与电磁阀（13）连接，电磁阀（13）的另一端与三通（14）的第一端口连接，三通（14）的第二端口经软管与监控单元（3）外部的供气导管（8）连接，手阀（12）的另一端经软管与三通（14）的第三端口连接；三通（15）的第一端口经软管与监控单元（3）外部的排气导管（9）连接，三通（15）的第二端口与电磁阀（17）连接，三通（15）的第三端口经软管与手阀（16）连接；压力传感器（5）经软管与监控单元（3）外部的压力传感器导管（10）连接。

本发明所述的保持1.3厘米波段制冷接收机微波窗口干燥的充气系统，由干空气腔体、气体缓冲器、监控单元及内部各器件组成，包括用于给系统持续提供干燥空气的充气机，以及用于密封腔体的干空气腔体密封薄膜；所述干空气腔体为一个全密封的波导腔体，填充新鲜干燥空气，排出可能含有水汽的陈旧气体；所述气体缓冲器用来调匀气体压力，减小压力波动；所述监控单元用来检测压力值，控制各阀门以确保腔体压力平稳。

所述干空气腔体，为一个上下开口的圆柱形腔体，选用材料为不锈钢，上下密封后填充具备5mbar压力的干燥空气，用来保持微波窗口干燥。与中国电子科技集团公司第十六研究所，王志杰、李大志.S／X波段制冷接收机结构设计[J].低温与超导.2008，第36卷、第5期中所述设计相比较，本发明的优点在于为1.3厘米波段制冷接收机杜瓦的微波窗口和外界空气接触的位置设计一个密封腔体。虽然在实践中发现，密封再好的波导，在使用时都不可能没有泄露。由于湿度的变化使得波导“呼吸”，从而使潮湿的空气通过扩散进入到波导内部。本发明通过给该腔体时刻注入新鲜、干燥的空气，用小的泄露来排除腔体内部陈旧气体（可能含有水汽），这样，微波窗口与外界就始终被干燥的空气隔离开。如对制冷接收机的微波窗口不采取任何保护措施，水汽在其表面凝结，这将带来腐蚀、驻波增高等问题，进而影响接收机系统性能、寿命，甚至导致故障。

所述气体缓冲器，为一个全封闭型、内部全空的腔体，选用材料为不锈钢。本发明设计充气机将干燥空气由充气导管引入气体缓冲器，与气体缓冲器内原有的气体混合，再从气体缓冲器出口引出后，平缓的提供给下一级干空气腔体。当进入气体缓冲器的干燥空气有较大的波动时，经与气体缓冲器内原有气体均匀调和，将气体平缓的提供给下一级干空气腔体，从而减缓了由于充气机供气气压快速变化而引起的干空气腔体内大的气压变化，确保气体波动在密封薄膜所能允许的范围之内。比起直接将气源气体提供给波导腔体的设计，气体缓冲器一方面可以应对充气机提供的干空气波动的变幅与周期，另一方面也可以应对气路系统中的流量变化所带来的气压变化。

所述监控单元，为一个标准19寸机柜单元箱，由于干空气腔体内气体的流动性，腔体内气压值始终有变化。保持多大的腔体气压值得思考：一方面，腔体内气压不能太小，否则起不到增压置换腔体内陈旧气体的作用；另一方面，为了减小输入信号的插损，1.3厘米波段制冷接收机微波窗口的密封薄膜下没有效仿其它设计放置支撑物，由于微波窗口内部是真空，而外部气压是常规大气压与腔体内气压之和，因此也要兼顾薄膜上方所受压力不能过大。根据国外充气膜内压设定规范，例如日本规范、加拿大规范和IAss设计指南，通常情况下，将使用状态和气候条件按正常工作时内压、暴风时内压和积雪时内压进行分段设定。由于1.3厘米波段制冷接收机是放置在南山25米天线馈源仓内部进行观测，因此不用考虑暴风和积雪时的内压，正常工作时内压设计为5mbar（500Pa），而监控单元目标就是保持腔体内压在5mbar左右。通过压力传感器检测当前干空气腔体的气压值，采取旁路设计方式，用手阀和电磁阀结合来维持干空气腔体内气压稳定。供气部分，来自气体缓冲器（2）的干空气经三通（11）分至手阀（12）和电磁阀（13）两处，如果气压保持在正常压力范围内，干燥空气经手阀（12）缓慢的提供给干空气腔体；当监控表头监测腔体内压过低时，发送指令开启电磁阀（13），由于电磁阀（13）可以提供较大流量的干燥空气，快速补充干空气给腔体，使腔体气压快速回到正常压力；当回到正常压力后，监控表头发送指令关闭电磁阀（13），继续由手阀（12）单独给腔体供气。排气部分，排气导管（9）经三通（15）分至手阀（16）和电磁阀（17）两处，如果气压保持在正常压力范围内，陈旧气体经手阀（16）缓慢的排除出去；当监控表头监测腔体内压过大时，发送指令开启电磁阀（17），快速排除腔体内陈旧气体，使腔体内压快速下降到正常范围；当内压回到正常压力后，监控表头发送指令关闭电磁阀（17），继续由手阀（16）缓慢排除陈旧气体。这种旁路设计的优点是手阀开度调节到位后，整个系统运行不需要频繁使用电磁阀就可以良好运行，避免电磁阀的频繁跳动，从而减少了电磁阀带来的电磁干扰，这对射频信号非常重要。

附图说明

图1为本发明1.3厘米波段制冷接收机充气系统结构示意图；

图2为本发明监控单元内部结构示意图；

图3为本发明干空气腔体结构示意图；

图4为本发明干空气腔体外观结构示意图；

图5为本发明气体缓冲器结构示意图。

具体实施方式

实施例

本发明所述的一种保持制冷接收机微波窗口干燥的充气系统，该系统是由充气机、监控单元、充气导管、供气导管、排气导管、压力传感器导管、杜瓦腔、干空气腔体、密封圈、微波窗口密封薄膜、微波窗口紧固圈、干空气腔体密封薄膜和干空气腔体紧固圈组成，充气机1通过充气导管7与监控单元3内的气体缓冲器2连接；供气导管8、排气导管9和压力传感器导管10的一端分别与干空气腔体25上对应的导管接口连接，供气导管8、排气导管9和压力传感器导管10的另一端分别于与监控单元3上对应的接口连接，干空气腔体25固定在杜瓦腔4顶端；

干空气腔体25为一个上下开口的圆柱形腔体，高度60mm、内径105.5mm、外径124.5mm，在杜瓦腔4顶端开设微波窗口18，微波窗口18外圈开设凹槽19，用密封圈20与微波窗口密封薄膜21密封，微波窗口密封薄膜21由微波窗口紧固圈22通过螺丝固定在杜瓦腔4的顶部，在凹槽19的外圈开设凹槽23，添加密封圈24用于密封干空气腔体25与杜瓦腔4的结合处，干空气腔体25上方开设凹槽26，用密封圈27与干空气腔体密封薄膜28密封，并用干空气腔体紧固圈29固定；

气体缓冲器2为全封闭型，内部为全空腔体，长280mm、宽130mm、高80mm，将其放置在监控单元3的机箱内部；

监控单元3为一个标准19寸机柜单元箱，高度为88mm，监控单元3内部由气体缓冲器2、压力传感器5、监控表头6、三通11、手阀12、电磁阀13、三通14、三通15、手阀16、电磁阀17、直流电源30组成，气体缓冲器2的供气口经软管与三通11的第一端口连接，三通11的第二端口经软管与手阀12连接，三通11的第三端口与电磁阀13连接，电磁阀13的另一端与三通14的第一端口连接，三通14的第二端口经软管与监控单元3外部的供气导管8连接，手阀12的另一端经软管与三通14的第三端口连接；三通15的第一端口经软管与监控单元3外部的排气导管9连接，三通15的第二端口与电磁阀17连接，三通15的第三端口经软管与手阀16连接；压力传感器5经软管与监控单元3外部的压力传感器导管10连接；

使用时，打开充气机1，该设备的供气压力范围为10-80mbar，可以根据需求设定，打开监控单元3电源，通过监控表头6可以看到干空气腔体25内压力值，开启充气机1与充气导管7连接的阀门，通过监控表头6可以看到干空气腔体25内压力的实时变化，正常情况下，充气机1输出的干空气经气体缓冲器2进入三通11，由于电磁阀13是常闭状态，干空气经手阀12，通过三通14经供气导管8进入干空气腔体25内；通过增压而排出干空气腔体25的陈旧气体，通过排气导管9进入三通15，由于电磁阀17也是常闭状态，陈旧气体经手阀16排出到空气中；由于气体缓冲器2的存在，使得整个气体出入过程平缓，不会引起腔体内部气压过大的变化，除上述情况，当充气机1供气变化不规律或外界环境温度变化过大时，会导致干空气腔体25的气压变化范围增大；当干空气腔体25气压过低（小于3mbar）时，监控表头6给电磁阀13发送指令，开启电磁阀13令干空气快速进入干空气腔体25内，使得气压迅速上升，当监控表头6检测到气压值达到正常范围（5mbar）时，监控表头6发送指令关闭电磁阀13，继续由手阀12缓慢供气；当干空气腔体25气压过高（超过7mbar）时，监控表头6给电磁阀17发送指令，开启电磁阀17令陈旧气体快速排放，使得气压迅速减小，当监控表头6检测到气压值到达正常范围（5mabr）时，监控表头6发送指令关闭电磁阀17，继续由手阀16缓慢排气；

当充气机（供气气压为20-30mbar）时，单独供气给1.3厘米波段制冷接收机的干空气腔体五天的测试情况，见表：

日期	最大值	最小值
			2010年4月11日	4.8mbar	4.3mbar
2010年4月12日	5.1mbar	4.5mbar
			2010年4月13日	4.9mbar	4.4mbar
2010年4月14日	4.8mbar	4.4mbar
			2010年4月15日	5.1mbar	4.5mbar

测试结果表明，干空气腔体气压稳定的保持在4.3—5.1mbar之间，没有超出设定的上限7mbar及下限3mbar，供气、回气完全通过两路手阀，没有用到电磁阀，避免电磁阀的频繁跳动，从而减少了电磁阀带来的电磁干扰，这对射频信号非常重要。

Claims (1)

1.一种保持制冷接收机微波窗口干燥的充气系统，其特征在于该系统是由充气机、监控单元、充气导管、供气导管、排气导管、压力传感器导管、杜瓦腔、干空气腔体、密封圈、微波窗口密封薄膜、微波窗口紧固圈、干空气腔体密封薄膜和干空气腔体紧固圈组成，充气机（1）通过充气导管（7）与监控单元（3）内的气体缓冲器（2）连接，气体缓冲器（2）为全封闭型，内部为全空腔体，将其放置在监控单元（3）的机箱内部，供气导管（8）、排气导管（9）和压力传感器导管（10）的一端分别与干空气腔体（25）上对应的导管接口连接，供气导管（8）、排气导管（9）和压力传感器导管（10）的另一端分别于与监控单元（3）对应的接口连接，干空气腔体（25）固定在杜瓦腔（4）顶端，监控单元（3）内部由气体缓冲器（2）、压力传感器（5）、监控表头（6）、第一三通（11）、第一手阀（12）、第一电磁阀（13）、第二三通（14）、第三三通（15）、第二手阀（16）、第二电磁阀（17）、直流电源（30）组成，气体缓冲器（2）的供气口经软管与第一三通（11）的第一端口连接，第一三通（11）的第二端口经软管与第一手阀（12）连接，第一三通（11）的第三端口与第一电磁阀（13）连接，第一电磁阀（13）的另一端与第二三通（14）的第一端口连接，第二三通（14）的第二端口经软管与监控单元（3）外部的供气导管（8）连接，第一手阀（12）的另一端经软管与第二三通（14）的第三端口连接；第三三通（15）的第一端口经软管与监控单元（3）外部的排气导管（9）连接，第三三通（15）的第二端口与第二电磁阀（17）连接，第三三通（15）的第三端口经软管与第二手阀（16）连接；压力传感器（5）经软管与监控单元（3）外部的压力传感器导管（10）连接，通过压力传感器（5）检测当前干空气腔体（25）的气压值，采取旁路设计方式，用第一手阀（12），第二手阀（16）和第一电磁阀（13），第二电磁阀（17）结合来维持干空气腔体（25）内气压稳定，具体操作按下列步骤进行：

a、供气部分，来自气体缓冲器（2）的干空气经第一三通（11）分至第一手阀（12）和第一电磁阀（13）两处，气压保持在正常压力范围内，干燥空气经第一手阀（12）缓慢的提供给干空气腔体（25)；当监控表头(6)监测干空气腔体（25）内压过低时，发送指令开启第一电磁阀（13），由于第一电磁阀（13）提供较大流量的干燥空气，快速补充干空气给干空气腔体（25），使干空气腔体（25）气压快速回到正常压力；当回到正常压力后，监控表头（6）发送指令关闭第一电磁阀（13），继续由第一手阀（12）单独给干空气腔体（25）供气；

b、排气部分，排气导管（9）经第三三通（15）分至第二手阀（16）和第二电磁阀（17）两处，气压保持在正常压力范围内，陈旧气体经第二手阀（16）缓慢的排除出去；当监控表头（6）监测腔体内压过大时，发送指令开启第二电磁阀（17），快速排除干空气腔体（25）内陈旧气体，使干空气腔体（25）内压快速下降到正常范围；当内压回到正常压力后，监控表头（6）发送指令关闭第二电磁阀（17），继续由第二手阀（16）缓慢排除陈旧气体。