CN108036565A - 一种航天低温冰箱 - Google Patents

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张华�
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Abstract

本发明涉及冰箱技术领域，特别涉及一种航天低温冰箱。航天低温冰箱包括斯制冷系统、箱体和导热系统。制冷系统包含制冷设备、冷量通道、电控部分；箱体包含外壳、绝热层、门、内胆；热管导热系统包含导热背板、多个热管、导热隔板、导热抽屉、导热石墨膜。本发明解决了斯特林制冷冰箱在航天空间站和航天飞机上应用时，由于没有重力作用，箱内空气不能产生自然对流换热，而导致冰箱内温差大、不能满足科研需要的难题。尤其对于低温冰箱，由于温度太低，箱内不能安装风机的情况。

Description

一种航天低温冰箱
技术领域
本发明涉及冰箱技术领域，特别涉及一种航天低温冰箱。
背景技术
随着我国航天技术的日益发展，以及生命科学和生物基因工程的日益兴起，迫切需要应用于航天空间站的低温冷冻设备，用来满足空间实验样本的长期储存要求。由于在航天空间站中重力为零，箱内空气由于无重力不能产生自然对流而处于静止状态，导致箱内传热条件恶化。所以与地面冰箱相比，箱内温度场极不均匀，最大温差通常在20K以上，而生物等样品的长期保存要求最大温差在5K以内。另外，由于低温冰箱内的温度通常在-80℃，在如此低温工作条件下，目前还没有合适的风机可以安装在箱内来进行强化对流换热。
发明内容
本发明旨在克服上述缺陷，提供一种能够在失重条件和无空气对流条件下的航天空间站工作的，箱内温度场均匀性满足航天科研需求的低温冰箱。
本发明提供的一种航天低温冰箱，可提高航天冰箱内部的温度场均匀性，可提供多个储存温区，更好地满足航天科技的高性能要求，其特征在于：包括冰箱本体、制冷系统和导热系统；
其中，上述冰箱本体包括冰箱内胆、绝热层、外壳；
上述冰箱内胆一般由导热材料制造而成，如：能用于导热的金属等。
上述绝热层设置于冰箱内胆和外壳之间，用于对冰箱进行隔热保温；
上述制冷系统包括制冷设备和冷量通道；
上述冷量通道连通制冷设备和冰箱内胆，将制冷设备产生的冷量传导至冰箱内胆；
上述导热系统对传入冰箱内胆的冷量进行箱内传导，包括导热背板、热管、导热隔板、导热抽屉、导热石墨膜；
上述导热背板与冰箱内胆固定的或可拆卸的安装，设置于冷量通道的出口端；
上述导热抽屉，为至少一个，安装于冰箱内胆内；对冰箱内胆内的空间进行划分，并且和实现不同抽屉/区域不同温度的效果。
上述导热隔板，设置于导热抽屉内；对导热抽屉内的空间进行划分。
上述热管，为至少一个，安装于导热抽屉内，其蒸发端具有呈丰字型分支结构的复数个分支蒸发段，每个分支蒸发段上装有散热翅片；上述导热系统包括至少一条热管，上述热管对通入冰箱的冷量进行传导。为了实现对整个箱体的导热的目的，一般来说，该热管贯通整个内胆的长度或宽度范围。
上述导热背板、冰箱内胆、散热翅片、导热隔板和导热抽屉的表面都贴附有高导热性能的导热石墨膜，进行强化导热。
在本发明中，按箱体内的容积和使用的需要，上述具有一个以上的设备或结构均可进行任意的调节。
进一步地，本发明提供的一种航天低温冰箱，还具有这样的结构特点：即、当热管为一个以上时，上述热管呈任意分布或呈阵列分布。
进一步地，本发明提供的一种航天低温冰箱，还具有这样的结构特点：即、上述热管蒸发段上具有丰字型分支结构，每个分支安装有至少一组热管蒸发段散热翅片。
进一步地，本发明提供的一种航天低温冰箱，还具有这样的结构特点：即、上述导热抽屉为一个以上；
上述热管为一个以上，每个热管按照所在的导热抽屉进行分组，每组热管的吸液芯类型、填充的工质种类和充液量相同或不同；
每个导热抽屉各形成一个温区；
上述冰箱内至少有两个不同温区，满足不同物品储藏温度要求。
进一步地，本发明提供的一种航天低温冰箱，还具有这样的结构特点：即、上述热管具有丰字型分支结构的蒸发段，各分支管路内部结构相同并相通，并且每个分支蒸发段安装有至少一组散热翅片，可使冷量快速并均匀地传递到整个冰箱内部。
进一步地，本发明提供的一种航天低温冰箱，还具有这样的结构特点：即、上述导热系统还包括导热背板；
上述导热背板安装在上述冷量通道所在面的内胆上；
上述冷量通道与上述冷量通道所在面的内胆直接接触连接；
导热石墨膜贴在上述导热背板上；
上述热管的冷凝端与导热背板上的导热石墨膜相互接触。
进一步地，本发明提供的一种航天低温冰箱，还具有这样的结构特点：即、上述导热系统还包括导热抽屉；
上述导热抽屉的全部或部分与冰箱内胆和导热背板相接触；
上述热管贯通的设置于导热抽屉内。即、该热管的长度应当大于或等于该导热抽屉的深度。
进一步地，本发明提供的一种航天低温冰箱，还具有这样的结构特点：即、上述导热系统还包括至少一块导热隔板；
上述导热隔板固定的或可拆卸的安装于导热抽屉内；
上述导热隔板对导热抽屉内的空间进行横向和/或纵向的分割。
进一步地，本发明提供的一种航天低温冰箱，还具有这样的结构特点：即、上述热管与导热隔板相互接触。
进一步地，本发明提供的一种航天低温冰箱，还具有这样的结构特点：即、上述冰箱本体、制冷系统和导热系统内用于起到传导热作用的设备均由高导热材料制造而成，包含金属材料和非金属材料。
如：冰箱内胆、导热抽屉、导热隔板，冷量通道等等。
进一步地，本发明提供的一种航天低温冰箱，还具有这样的结构特点：即、上述绝热层为真空绝热板、或中空隔热层、或填充有保温材料(如：保温棉)的结构。
进一步地，本发明提供的一种航天低温冰箱，还具有这样的结构特点：即、导热背板、冰箱内胆、热管的蒸发段散热翅片、导热隔板和导热抽屉的各个表面都贴附具有高导热性能的导热石墨膜，进行强化传热；
进一步地，本发明提供的一种航天低温冰箱，还具有这样的结构特点：即、热管是具有丰字型蒸发段分支结构的铜粉烧结热管，也可以是其它结构的非重力热管，也可以是具有F型、十字形或干字型等分支结构的蒸发段。
进一步地，本发明提供的一种航天低温冰箱，还具有这样的结构特点：即、热管的冷凝段为扁平L型或T型等结构形式，增大冷凝段与导热石墨膜之间的传热面积。
进一步地，本发明提供的一种航天低温冰箱，还具有这样的结构特点：即、上述热管也可以替换成具有高导热系数的金属棒。
进一步地，本发明提供的一种航天低温冰箱，还具有这样的特征：即、制冷设备是斯特林制冷设备，也可以是复叠式蒸汽压缩式低温制冷设备、多级蒸汽压缩式等低温制冷设备。
进一步地，本发明提供的一种航天低温冰箱，还具有这样的结构特点：即、上述航天低温冰箱还可应用于地面使用。
本发明的作用与效果：
本发明采用以下方法提高冰箱内温度场的均匀性：
(1)采用真空绝热板作保温层，提高冰箱箱体的保温效果；
(2)冰箱的内胆采用高导热材料，提高箱内的传热；
(3)冷量通道(如：冷指)直接连接制冷设备(如：斯特林制冷机)和内胆，直接把冷量导入冰箱内部；
(4)在冷量通道所在冰箱背面的内胆上增加高导热的金属背板，加强冷量在冰箱背面上的导热。在此基础上，热管冷凝端布置在金属背板上，由高导热系数的热管把冷量再传递到热管的各个蒸发段分支管路上，再在蒸发段分支管路上安装散热翅片，进一步把冷量传导到冰箱储存的样品上。
(5)在导热背板、冰箱内胆、热管的蒸发段散热翅片、导热隔板和导热抽屉的各个表面上都贴附高导热性能的导热石墨膜，进一步强化导热。导热石墨膜能平滑贴附在任何平面和弯曲的表面，可做成任何形状，导热性能比铜高20％，可高达1200W/m.K。
(6)为了强化热管蒸发段的传热，本发明还采取了如下三个措施：
a)热管设计成具有丰字型分支结构的蒸发段，各分支管路内部结构相同并相通，可使冷量快速并均匀地传递到整个冰箱内部；
b)在热管蒸发段设置散热翅片；
C)增设箱内抽屉的隔板，热管穿过抽屉隔板，并与之直接接触，抽屉导热隔板起到导热翅片的作用，进一步强化了箱内的传热。
附图说明
附图1、实施例涉及的航天低温冰箱的剖面结构示意图；
附图2、实施例涉及的航天低温冰箱的立体结构示意图；
附图3、实施例涉及的航天低温冰箱的热传导方式示意图。
具体实施方式
如图1和2所示，本实施例提供了一种航天低温冰箱，可提高航天冰箱内部的温度场均匀性，可提供两种储存温区，更好地满足航天科技的高性能要求，由斯特林制冷系统、箱体和热管导热系统组成；
该斯特林制冷系统，包含斯特林制冷机1、冷指2和电控部分3；
该箱体，包含外壳4、绝热层5、门6和金属内胆7；
该热管导热系统，包含热管8、热管“丰”字型分支结构的蒸发段9、抽屉10、导热隔板11、金属背板12、热管冷凝端13。
其中，在本实施例中，该冷指2的两端分别与斯特拉制冷机1和箱体背面的金属内胆7连通，通过该冷指2，斯特林制冷机1产生的冷量能够直接被传导至箱体内胆。
箱体绝热层5是真空绝热板(也可以是保温棉等任一种绝热材料)，包裹于金属内胆7和外壳4之间，隔绝外热的同时，对箱体内的冷量进行保温处理。
为了进一步提高传导热的效果，还采用了如下方案：
在本实施例中，将一块约6mm厚(根据箱体的大小和制冷要求的不同，该金属背板的厚度可进行调节)的金属背板12用螺接/焊接/铆接/粘接等各种方式与箱体背面的金属内胆7紧固贴附，用于强化冷指的冷量沿所述金属内胆壁面方向的传热，增强换热效率。为了进一步提高传导热的效果，两者之间可使用低温导热脂粘结。
在本实施例中，冰箱内有上下两个抽屉，在每个抽屉内设有一组热管(根据箱内大小和空间的差异，热管的数量和空间上的局部可进行调整。)，该热管8的冷凝端13与该金属背板12直接接触，以实现热传导；该热管8的另一端，设有“丰”字型的6个分支结构的蒸发段9，各蒸发段上安装铜翅片，以强化热管与箱内样品的冷量传递。安装在上层抽屉内的热管吸液芯是铜粉烧结型，填充30％的甲烷；安装在下层抽屉内的热管是泡沫镍吸液芯，填充20％的乙烷。
在本实施例中，该箱体的金属内胆7内还设有金属抽屉10，该金属抽屉10的一个面或多个面分别与金属内胆7和金属背板12直接接触，从而能快速的将冷量扩散到箱体的每一个面上。
此时，热管8贯通整个抽屉10深度的进行阵列设置，从而能快速的将箱体中间空腔的冷量进行均布。
在本实施例中，在上述抽屉10的内箱体内还可设有若干个抽屉导热隔板11，热管8分别穿过上述抽屉10进行布置，通过为了将冷量传导到抽屉导热隔板11上，此类热管8中的全部或部分与该抽屉导热隔板11接触，用于强化热管冷量的传递。
特别地，上述内胆包括但不限于铜，还可以是其它任何高导热金属和非金属材料。
上述金属背板包括但不限于铜，还可以是其它任何高导热金属和非金属材料。
上述热管蒸发段翅片包括但不限于铝制平翅片，还可以是任何其它材料的任何一种类型翅片。
上述热管包括但不限于金属烧结芯式热管，可以是任何一种结构型式的热管，管内填充的工作介质包括但不限于甲烷，根据温区要求选择，可以是任何一种介质。
本实施例采用热管导热技术，加强斯特林制冷冰箱冷量在箱内的传递，降低了冰箱内的温差，提高了箱内温度场的均匀性。本发明解决了斯特林制冷冰箱在航天空间站和航天飞机上应用时，由于没有重力作用，箱内空气不能产生自然对流换热，而导致冰箱内温差大、不能满足科研需要的难题。尤其对于低温冰箱，由于温度太低，箱内不能安装风机的情况。如图3所示，通过采用本发明的箱内冷量强化传递系统和结构设计，当冷指温度为-90℃时，上层抽屉内的第一个温区可达到-85℃±2℃，下层抽屉内的第二个温区可达到-75℃±2℃，实现了一个冰箱两个温区，各温区的最大温差低于5K的目标。通过该冰箱也适用于冷藏、冷冻、低温、深冷等任一温度范围的应用。

Claims (10)

1.一种航天低温冰箱，可提高航天冰箱内部的温度场均匀性，可提供多个储存温区，更好地满足航天科技的高性能要求，其特征在于：包括冰箱本体、制冷系统和导热系统；
其中，所述冰箱本体包括冰箱内胆、绝热层和外壳；
所述绝热层设置于冰箱内胆和外壳之间，用于对冰箱进行绝热保温；
所述制冷系统包括制冷设备和冷量通道；
所述冷量通道连通制冷设备和冰箱内胆，将制冷设备产生的冷量导入冰箱内胆；所述导热系统对传入冰箱内胆的冷量进行箱内传导，包括导热背板、热管、导热隔板、导热抽屉、导热石墨膜；
所述导热背板与冰箱内胆固定的或可拆卸的安装，设置于冷量通道的出口端；所述导热抽屉，为至少一个，安装于冰箱内胆内；
所述导热隔板，设置于导热抽屉内；
所述热管，为至少一个，安装于导热抽屉内，其蒸发端具有呈丰字型分支结构的复数个分支蒸发段，每个分支蒸发段上装有散热翅片；
所述导热背板、冰箱内胆、散热翅片、导热隔板和导热抽屉的表面都贴附有高导热性能的导热石墨膜。
2.如权利要求1所述的一种航天低温冰箱，其特征在于：
所述热管呈任意分布或呈阵列分布。
3.如权利要求1所述的一种航天低温冰箱，其特征在于：
所述导热抽屉为一个以上；
所述热管为一个以上，每个热管按照所在的导热抽屉进行分组，每组热管的吸液芯类型、填充的工质种类和充液量相同或不同；
每个导热抽屉各形成一个温区；
所述冰箱内至少有两个不同温区，满足不同物品储藏温度要求。
4.如权利要求1所述的一种航天低温冰箱，其特征在于：
所述分支蒸发段中具有分支管路，各分支管路内部结构相同并相通。
5.如权利要求1所述的一种航天低温冰箱，其特征在于：
所述冷量通道与冷量通道所在面的内胆直接接触连接；
所述导热背板与所述冷量通道所在面的内胆相互贴附的安装；
所述导热石墨膜贴在导热背板上；
所述热管的冷凝端与导热背板上的导热石墨膜直接接触。
6.如权利要求1所述的一种航天低温冰箱，其特征在于：
所述导热抽屉的全部或部分与冰箱内胆和导热背板相接触；
所述热管贯通地设置于导热抽屉内；
所述导热隔板固定的或可拆卸的安装于导热抽屉内；
所述导热隔板对导热抽屉内的空间进行横向和/或纵向的分割；
所述热管与导热隔板相互接触。
7.如权利要求1所述的一种航天低温冰箱，其特征在于：
所述冰箱内胆、冷量通道和导热系统内用于起到导热作用的设备均由高导热材料制造而成；
所述绝热层为真空绝热板、或中空隔热层、或填充有保温材料的结构；
所述热管的内部是铜粉烧结型吸液芯，或为其它类型吸液芯的非重力热管；
所述蒸发端呈F型、干字型分支结构。
8.如权利要求1所述的一种航天低温冰箱，其特征在于：
所述热管的冷凝端为扁平L型、T型或十字形结构，冷凝端贴附在石墨导热膜上。
9.如权利要求1所述的一种航天低温冰箱，其特征在于：
所述热管可以被替换成具有高导热系数的金属棒。
10.如权利要求1所述的一种航天低温冰箱，其特征在于：
所述制冷设备是斯特林制冷设备、复叠式蒸汽压缩式低温制冷设备、或多级蒸汽压缩式低温制冷设备。
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