CN104748893B - 一种在线测量杜瓦全温度区间冷损的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线测量杜瓦全温度区间冷损的方法，该方法利用了杜瓦冷头温度变化与辐射漏热、传导漏热之间的函数关系，通过对冷头的变温曲线进行数值拟合，从而逆向导出冷损的表达式。本发明克服了通常的液氮称重发或标准制冷机标定法均不能给出辐射漏热及热传导漏热分别是多少，仅能得到一个总冷损值，也不能在耦合有制冷机的状态下测量等等缺点，实现了在不破坏原有耦合状态的情况下同时测出杜瓦的辐射漏热及热传导漏热，并且同时给出了杜瓦冷头在各温度点下的漏热，为杜瓦的热学设计及热学失效分析提供了有效的测量手段。

Description

一种在线测量杜瓦全温度区间冷损的方法

技术领域

本发明涉及一种杜瓦技术，具体是指一种在线测量杜瓦全温度区间冷损的方法，该方法可以在不改变杜瓦的耦合状态的情况下得到杜瓦在各温度点下的辐射漏热、传导漏热及总漏热。

背景技术

冷损是杜瓦的一个重要参数，传热方式主要有辐射传热、热传导传热及对流传热，由于是真空封装，对流传热在杜瓦中一般非常小，常常忽略不计，因此在杜瓦的漏热中，通常只考虑辐射漏热及热传导漏热。通常冷损的测量方法不能给出辐射漏热及热传导漏热分别是多少，仅能得到一个总冷损值。在杜瓦生制冷机耦合后的贮存及使用过程中，有时会发生制冷机输入功率异常增大的情况，这有可能是杜瓦的真空变差导致的杜瓦冷损增大，也有可能是制冷机效率降低，也有可能是耦合界面的接触热阻增大等等。人们需要对输入功率异常增大的原因进行准确有效的定位，目前的做法是分离杜瓦及制冷机分别进行测试，这虽然是可行的，但对于大的杜瓦解耦合及再耦合程序复杂且不易恢复原来的状态，同时也破坏了原有的耦合状态进而无法对耦合热阻的变化作出正确认识，不利于查找问题并解决问题。本发明提供了一种在线非破坏式的冷损测试方法，可以在不破坏原有耦合状态的情况下同时测出杜瓦的辐射漏热及热传导漏热，不但解决了热学异常的原因定位问题也给出了在各个温度下的两种漏热具体值，为杜瓦的热学设计及热学失效分析提供有效的试验验证手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种杜瓦冷损的全状态在线测量方法，解决原有技术中存在的仅能在杜瓦未与制冷机耦合的状态下测量、不能分别测出辐射漏热及传导漏热的技术问题。

本发明的技术方案如下：

和冷头相比，引线、芯柱等的热容很小，热量主要被冷头吸收，在热流的传导路径中引线、芯柱等热量吸收较少。而在一个比较小的时间区间内，冷头及热传导路径的温度可近似认为不变，故杜瓦与环境直接的传热可以稳态过程处理，杜瓦内的各零部件特别是冷头的材料的比热可近似认为恒定，同时，在有冷屏的情况下，冷屏的温度场随时间的变化也不大，在计算辐射漏热时可以忽略冷屏温度分布变化的影响。整个冷头在温度变化的过程中的温度梯度一般很小，整个冷头的温度场在变温过程中可近似认为是均匀的，同样的，整个冷头的温度变化率在变温过程中也近似认为是均匀的。

由传热学的知识可知，在稳态下，杜瓦的冷头在辐射漏热功率Wr及热传导漏热功率Wc的作用下其温度T₁缓慢均匀变化，且T₁的变化率在空间上也是均匀的，辐射漏热功率Wr及热传导漏热功率Wc分别为：

Wr＝σ₀×ε_n×A₁×F_1-2×(T₂ ⁴－T₁ ⁴) (1)

Wc＝(T₂－T₁)/R (2)

式中

σ₀为黑体辐射常数

ε_n为有效辐射系数

F_1-2为冷表面对热表面的辐射角系数

A₁为低温面的面积(m²)

T₂、T₁分别为热面(环境)及冷面(冷头)温度

R为热阻

对于特定的杜瓦，其σ₀、ε_n、A₁、F_1-2等参数是确定的。

令Cr＝σ₀×ε_n×A₁×F_1-2，Cc＝1/R，则：

式(1)可以写成：

Wr＝Cr×(T₂ ⁴－T₁ ⁴) (3)

式(2)可以写成：

Wc＝Cc×(T₂－T₁) (4)

故杜瓦冷损：

W＝Cr×(T₂ ⁴－T₁ ⁴)+Cc×(T₂－T₁) (5)

式(5)中W是T₁的四次多项式函数，其中Cr、Cc均为大于零的系数，T₁为冷头温度，T₂为环境温度。

在其他条件不变的条件下，冷头温度T₁将因有冷损的存在而不断变化，这个过程中冷头与环境之间发生的热交换为Q。

Q＝⊿T₁×∑(Ci×Mi) (6)

式(4)中Ci、Mi为冷头各部分的比热及相应的质量

杜瓦冷损W也等于Q对时间的一阶导数，即

W＝dQ/dt＝∑(Ci×Mi)×dT₁/dt (7)

式(5)中∑(Ci×Mi)对于确定的杜瓦是一个确定的值，假设Ci不随温度变化，令Cm＝∑(Ci×Mi)，联立式(5)及式(7)可得

Cm×dT₁/dt＝Cr×(T₂ ⁴－T₁ ⁴)+Cc×(T₂－T₁) (8)

测量出杜瓦冷头的温度－时间曲线并对该曲线以式(8)的形式进行多项式拟合，结合以传统方法测出的杜瓦在某一温度下的冷损值，从而提取出Cr、Cc及Cm等参数，这样就可以通过测量杜瓦冷头的温度－时间曲线得到杜瓦的辐射漏热、热传导漏热及总漏热。

本发明的具体步骤如下：

1.确定测试具体条件

确定测试的环境温度并在整个测试过程中维持环境温度不变，确定杜瓦与制冷机的耦合状态。

2.杜瓦冷头降温，降温方式视杜瓦和制冷机的耦合状态而定，若耦合了制冷机则采用制冷机降温，若没有耦合制冷机则可以采用液氮降温，杜瓦冷头一般降温至待测温度点以下。

3.待杜瓦冷头降温至指定温度，关闭制冷功率，停止制冷，杜瓦冷头将在漏热的作用下从环境吸收热量缓慢升温，此时以数据自动采集设备自动采集杜瓦冷头的变温曲线。温度采集的采样频率一般在0.1～1Hz范围内，温度传感器采样杜瓦内置的测温二极管或Pt100。

4.数据处理

对测得的冷头变温曲线以式(8)Cm×dT₁/dt＝Cr×(T₂ ⁴－T₁ ⁴)+Cc×(T₂－T₁)的形式进行多项式拟合，并结合杜瓦在某一确定温度下的冷损值，提取出Cr、Cc及Cm等参数。

5.把所得Cr、Cc及Cm等参数分别代入式(3)Wr＝Cr×(T₂ ⁴－T₁ ⁴)、式(4)Wc＝Cc×(T₂－T₁)、式(5)W＝Cr×(T₂ ⁴－T₁ ⁴)+Cc×(T₂－T₁)，得到杜瓦辐射漏热、传导漏热及总漏热关于温度T1表达式，至此得出各温度点的辐射漏热、热传导漏热及总冷损。

本发明优点是它可以在不破坏原有耦合状态的情况下同时测出杜瓦的辐射漏热及热传导漏热，并且同时给出了杜瓦在各冷头温度点下即全温度区间的漏热，为杜瓦的热学设计及热学失效分析提供了有效的测量手段。

附图说明

图1为本发明的测量原理示意图，图中各编号的定义按编号从小到大的顺序排列依次为：

1-杜瓦冷头；

2-杜瓦；

3-制冷机冷指；

4-法兰；

5-制冷机；

6-测温二极管；

7-数据采集系统。

图2为杜瓦冷头的变温曲线。

图3为杜瓦拟合的辐射漏热、传导漏热及总漏热的曲线图。

具体实施方式

下面对本发明的一个具体实施方式作详细说明：

1确定测试具体条件

确定测试的环境温度为300K±1K并在整个测试过程中保持环境温度在这个范围内变动

确定杜瓦2与制冷机5的耦合状态，制冷机冷指3插入杜瓦芯柱内与杜瓦冷头1形成良好热接触，在法兰4处紧固。

2采用制冷机5对杜瓦冷头1进行降温，杜瓦冷头1降温至130K以下。

3采用fluke数据采集系统7对安装于杜瓦冷头1上的测温二极管6进行温度的自动采集，获得杜瓦冷头的变温曲线，见图2。

4数据处理

对测得的数据进行多项式拟合等数据处理，结合杜瓦在137K下的总漏热为1.8W的数据，得到Cr、Cc及Cm等参数分别为1.379E-10w/K⁴、0.00449W/K、82.78J/K。

5把所得Cr、Cc及Cm等参数分别代入式(3)、(4)、(5)，得到杜瓦辐射漏热、传导漏热及总漏热关于温度T1表达式，由此得出各温度点的辐射漏热、热传导漏热及总冷损(见图3)。

Wr＝1.379E-10×(300⁴－T₁ ⁴)

Wc＝0.00449×(300－T₁)

W＝1.379E-10×(300⁴－T₁ ⁴)+0.00449×(300－T₁)。

Claims (1)

1.一种在线测量杜瓦全温度区间冷损的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)确定测试具体条件

确定测试的环境温度并在整个测试过程中维持环境温度不变，确定杜瓦与制冷机的耦合状态；

2)杜瓦冷头降温，降温方式视杜瓦和制冷机的耦合状态而定，若耦合了制冷机则采用制冷机降温，若没有耦合制冷机则采用液氮降温，杜瓦冷头降温至待测温度点以下；

3)待杜瓦冷头降温至指定温度，关闭制冷功率，停止制冷，杜瓦冷头将在漏热的作用下从环境吸收热量缓慢升温，此时以数据自动采集设备自动采集杜瓦冷头的变温曲线，温度采集的采样频率在0.1～1Hz范围内；

4)数据处理

对步骤3)测得的冷头变温曲线以下式的形式进行多项式拟合，

Cm×dT₁/dt＝Cr×(T₂ ⁴－T₁ ⁴)+Cc×(T₂－T₁) (1)

并结合杜瓦在某一确定温度下的冷损值，提取出系数Cr、Cc及Cm的值，其中Cr＝σ₀×ε_n×A₁×F_1-2，Cc＝1/R，Cm＝∑(Ci×Mi)；σ₀为黑体辐射常数，ε_n为有效辐射系数，F_1-2为冷表面对热表面的辐射角系数，A₁为低温面的面积，A₁的单位为m²，T₂、T₁分别为热面及冷面温度，R为热阻，Ci、Mi为冷头各部分的比热及相应的质量；

5)把所得Cr、Cc及Cm参数分别代入下列公式

Wr＝Cr×(T₂ ⁴－T₁ ⁴) (2)

Wc＝Cc×(T₂－T₁) (3)

W＝Cr×(T₂ ⁴－T₁ ⁴)+Cc×(T₂－T₁) (4)得到杜瓦辐射漏热Wr、传导漏热Wc及总漏热W关于温度T1表达式，至此得出各温度点的辐射漏热、热传导漏热及总冷损。