CN108386656B - 用于超低温冷板的漏热防护装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超低温冷板的漏热防护装置，包含隔热罩、隔热层、冷屏、多层、组合调节机构、丝线、限位卡套以及绝热支撑，其中，冷屏通过隔热层包围在隔热罩内，冷屏内填充变密度多层，多层中设置有超低温冷板，填充变密度多层时，高密度侧靠近冷屏，低密度侧靠近超低温冷板，并用丝线辅助绝热支承一起将超低温冷板固定在冷屏的内部。本发明既降低了漏热又减轻了重量，提高了航天器冷制冷能力的利用效率，增加航天器的运行寿命。

Description

用于超低温冷板的漏热防护装置和方法
技术领域
本发明属于高真空超低温漏热防护技术领域，具体来说，本发明涉及一种在高真空环境中超低温冷板的漏热防护的装置以及使用该装置的漏热防护方法。
背景技术
随着深空探测和空间天文技术的发展，航天器应用了越来越多的温度在10K及以下的超低温冷板。在空间由于受到太阳辐射、地球红外辐射、行星反照等空间热环境的影响，需要解决这些超低温冷板漏热防护问题，提高其有效制冷能力，增加航天器的运行寿命。
目前，国内外针对高真空环境下航天器超低温冷板的漏热防护做了一定的研究工作，采用的主要防护形式有：多层隔热、气凝胶隔热、绝热板隔热等。但是这些防护方式各自有其独自的最佳适用领域，单独使用这些隔热方法或者对这些方法进行简单组合，漏热量较大，不能满足现有的超低温冷板的漏热要求。因此，有必要寻求一种综合的漏热防护装置和方法，用于降低高真空环境下超低温冷板的漏热。
发明内容
本发明的目的在于克服过去高真空环境下超低温冷板漏热防护方法的缺点，从而提出一种用于超低温冷板的漏热防护方法。该方法可以应用于航天器超低温冷板的漏热防护，也可以应用在空间环境模拟设备和其他设备中的超低温冷板的漏热防护。
本发明的另一目的在于提供一种超低温冷板漏热防护的装置，该装置可以有效降低超低温冷板的漏热量。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术解决方案：
本发明的超低温冷板的漏热防护装置，包含形成密封空间的隔热罩、隔热层、冷屏、多层、组合调节机构、丝线、限位卡套以及用于支撑超低温冷板的绝热支撑，其中，冷屏通过周围完全填充的隔热层包围在隔热罩内，其形状根据超低温冷板的外形制作，冷屏内完全填充变密度多层，多层中设置有支承在绝热支撑上的超低温冷板，并连通绝热支承一起固定设置在冷屏内的底部上，填充变密度多层时，高密度侧靠近冷屏，低密度侧靠近超低温冷板，丝线用于辅助绝热支承一起将超低温冷板固定在冷屏的内部，限位卡套将丝线一端固定在超低温冷板上，组合调节机构用于将丝线另一端固定在冷屏上，并具有调节丝线长度，从而调节丝线预紧力的功能，所述组合调节机构的螺栓和冷屏的接触为线接触，所述组合调节机构的调节块用于调节丝线的长度，调整到位之后，所述组合调节机构的防松螺母对所述调节块进行限位，所述组合调节机构的卡套用于固定丝线的长度，所述丝线采用高热阻、高强度的高分子材料制作而成。
其中，隔热罩优选聚酰亚胺材料，内外表面贴有镀铝薄膜；
其中，隔热层为多层铝箔复合气凝胶隔热层，由多层铝箔和厚约1-2mm的浊化气凝胶间隔铺设；
其中，冷屏材料优选铝合金，其结构采用加强筋强化，温度优选为；100K及以下；
其中，多层材料优选为镀铝薄膜间隔聚酰亚胺丝网，采用变层密度多层包覆；
其中，组合调节机构为线接触调节机构，用于调节丝线的拉力，同时降低接触面积，降低热传递；
其中，丝线采用高分子材料，优选玻璃纤维，线径优选0.8mm；
其中，限位卡套用于限制丝线的运动，并将丝线固定在超低温冷板上；
其中，绝热支撑优选聚酰亚胺材料，非航天器应用可省略；
本发明的超低温冷板的漏热防护方法，包括以下步骤：
1)用限位卡套将丝线固定在超低温冷板上，并留出接线头；
2)使用绝热支撑将超低冷板固定在冷屏上；
3)在冷屏和超低温冷板之间铺设变密度多层，其中超低温冷板侧多层的密度低，冷屏侧多层的密度高，在铺设变密度多层时注意将丝线穿出并将丝线穿过冷屏；
4)利用螺栓将组合调节机构安装到冷屏上，拉紧丝线，并将丝线的一端固定在组合调节机构的卡套上，利用调节块调整丝线的预紧力，使用螺母固定调节块的位置，所述组合调节机构的螺栓和冷屏的接触为线接触，所述组合调节机构的调节块用于调节丝线的长度，调整到位之后，所述组合调节机构的防松螺母对所述调节块进行限位，所述组合调节机构的卡套用于固定丝线的长度，所述丝线采用高热阻、高强度的高分子材料制作而成；
5)在冷屏外侧铺设多层铝箔复合气凝胶隔热层，并将隔热罩固定在多层铝箔复合气凝胶隔热层外侧。
本发明的优点在于：
1、本发明既降低了漏热又减轻了重量，提高了航天器冷制冷能力的利用效率，增加航天器的运行寿命；
2、本发明采用高热阻的丝线对超低温冷板进行固定，并且可根据需要对丝的拉力进行调节，调节机构在冷屏的外测，方便操作和使用；
3、本发明使用组合式线接触丝线调节机构，增加了机构的接触热阻，减少了通过丝线引起的漏热；
4、本发明使用绝热支撑和丝线对超低温冷板进行机械固定，在航天器的发射阶段可以有效的保护超低温冷板和防护结构不受到火箭发射时的强振动和冲击的破坏，又可以在卫星进入轨道，超低温冷板正常工作后，降低机械热传导损失。
附图说明
图1为本发明的超低温冷板的漏热防护装置的示意图。
其中：1、隔热罩；2、多层铝箔复合气凝胶隔热层；3、冷屏；4、变密度多层；5、组合调节机构；6、丝线；7、限位卡套；8、超低温冷板；9、绝热支撑。
图2为本发明的防护装置中多层铝箔复合气凝胶隔热层的示意图。
其中：10、铝箔；11、气凝胶。
图3为本发明的防护装置中冷屏加强筋的示意图。
图4为本发明的防护装置中冷屏温度优选依据图。
图5为本发明的防护装置中变层密度多层结构示意图。
图6为本发明的防护装置中组合调节机构示意图。
其中：12、螺栓；13、螺母；14、调节块；15、卡套。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施方式作进一步地说明。
参见图1，本发明一具体实施方式的超低温冷板漏热防护结构，包含形成密封空间的隔热罩1、多层铝箔复合气凝胶隔热层2、冷屏3、变密度多层4、组合调节机构5、四根丝线6、限位卡套7以及用于支撑超低温冷板8的绝热支撑9，其中，冷屏3通过周围完全填充的多层铝箔复合气凝胶隔热层2包围在隔热罩1内，其形状根据超低温冷板8的外形制作，冷屏3内完全填充变密度多层4，多层4中设置有支承在绝热支撑9上的超低温冷板8，并连通绝热支承9一起固定设置在冷屏3内的底部上，填充变密度多层4时，高密度侧靠近冷屏，低密度侧靠近超低温冷板8，四根丝线6分别用于辅助绝热支承9一起将超低温冷板8固定在冷屏3的内部，限位卡套7将丝线6一端固定在超低温冷板8上，组合调节机构5用于将丝线6另一端固定在冷屏3上，并具有调节丝线长度，从而调节丝线预紧力的功能。
具体而言，隔热罩1采用具有高强度、高热阻的高分子材料，优选聚酰亚胺。隔热罩内外表面均贴有镀铝薄膜，以减少热辐射；
如图2所示，本发明中的隔热层2为多层铝箔复合气凝胶隔热层，这种形式的隔热层将传统多层隔热材料和气凝胶的优点相结合，从而制造出一种多功能、超低导热系数的多层金属箔复合型隔热材料。多层铝箔10和厚约1-2mm的浊化气凝胶11间隔铺设，这些金属箔层可以阻断红外辐射。
在一具体实施方式中，冷屏3采用低密度高导热系数的金属材料，优选铝合金制造。冷屏的加工如图3所示的加强筋用于减重和加强力学性能。冷屏的冷源可由制冷机的一级提供或者由蒸发的低温工质提供，由图4可以看出，在其他条件相同时，当冷屏温度降低到100K时，热负载可降低为冷屏温度为300K时的98.7％，因此冷屏的温度优选100K以下。
在一具体实施方式中，变密度多层4采用航天系统常用的镀铝薄膜间隔聚酰亚胺丝网，在多层中存在着三种形式热交换，分别是相邻多层之间辐射换热、相邻多层之间剩余气体导热、相邻多层之间间隔材料固体导热。研究表明这三种热交换形式在绝热层不同厚度处所占比重不同，如图5所示。在整个多层中，气体导热变化不大，而辐射换热与固体导热变化明显。在多层低温段，固体导热起主要作用，在多层高温段，辐射换热占总热交换绝大部分，因此，可以通过改变多层层密度来提高多层绝热效果，即在辐射换热占主导地位高温段，通过增大多层层密度来抵抗辐射换热；在固体导热起主要作用低温段，通过减小多层层密度来减小固体导热。在本发明中，通过调整多层的缝合松紧程度调整多层的层密度。
进一步地，丝线采用高热阻、高强度的高分子材料制作而成。
参见图6，图6为本发明的防护装置中组合调节机构示意图。其中，组合调节机构5由螺栓12、调节块14、防松螺母13、丝线及卡套15组成，螺栓12的顶部设计为球头，这样螺栓12和冷屏3的接触变为线接触，有利于降低漏热；调节块14用于调节丝线的长度，从而调整对超低温冷板的拉力，调整到位之后，使用防松螺母13对调节块14进行限位，确保在振动和运行过程中调节块不会松动；卡套15用于固定丝线的长度。
绝热支撑采用具有高强度、高热阻的高分子材料，优选聚酰亚胺，用于固定超低温冷板，在航天器的发射阶段可以有效的保护超低温冷板和防护结构不受到火箭发射时的强振动和冲击的破坏，又可以在卫星进入轨道，超低温冷板正常工作后，降低机械热传导损失。如果本机构并非应用在非航天器中，可省略。
尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.超低温冷板的漏热防护装置，包含形成密封空间的隔热罩、隔热层、冷屏、多层、组合调节机构、丝线、限位卡套以及用于支撑超低温冷板的绝热支撑，其中，冷屏通过周围完全填充的隔热层包围在隔热罩内，其形状根据超低温冷板的外形制作，冷屏内完全填充变密度多层，多层中设置有支承在绝热支撑上的超低温冷板，并连通绝热支承一起固定设置在冷屏内的底部上，填充变密度多层时，高密度侧靠近冷屏，低密度侧靠近超低温冷板，丝线用于辅助绝热支承一起将超低温冷板固定在冷屏的内部，限位卡套将丝线一端固定在超低温冷板上，组合调节机构用于将丝线另一端固定在冷屏上，并具有调节丝线长度，从而调节丝线预紧力的功能，所述组合调节机构的螺栓和冷屏的接触为线接触，所述组合调节机构的调节块用于调节丝线的长度，调整到位之后，所述组合调节机构的防松螺母对所述调节块进行限位，所述组合调节机构的卡套用于固定丝线的长度，所述丝线采用高热阻、高强度的高分子材料制作而成。
2.如权利要求1所述的漏热防护装置，其中，隔热罩为聚酰亚胺材料，内外表面贴有镀铝薄膜。
3.如权利要求1所述的漏热防护装置，其中，隔热层为多层铝箔复合气凝胶隔热层，由多层铝箔和厚约1-2mm的浊化气凝胶间隔铺设。
4.如权利要求1所述的漏热防护装置，其中，冷屏材料为铝合金，其结构采用加强筋强化。
5.如权利要求1-4任一项所述的漏热防护装置，其中，多层材料为镀铝薄膜间隔聚酰亚胺丝网，采用变层密度多层包覆。
6.如权利要求1-4任一项所述的漏热防护装置，其中，组合调节机构为线接触调节机构，用于调节丝线的拉力，同时降低接触面积，降低热传递。
7.如权利要求1-4任一项所述的漏热防护装置，其中，丝线采用高分子材料。
8.如权利要求7所述的漏热防护装置，其中，丝线采用玻璃纤维材料，线径为约0.8mm。
9.如权利要求1-4任一项所述的漏热防护装置，其中，限位卡套用于限制丝线的运动，并将丝线固定在超低温冷板上。
10.超低温冷板的漏热防护方法，包括以下步骤：
1）用限位卡套将丝线固定在超低温冷板上，并留出接线头；
2）使用绝热支撑将超低冷板固定在冷屏上；
3）在冷屏和超低温冷板之间铺设变密度多层，其中超低温冷板侧多层的密度低，冷屏侧多层的密度高，在铺设变密度多层时注意将丝线穿出并将丝线穿过冷屏；
4）利用螺栓将组合调节机构安装到冷屏上，拉紧丝线，并将丝线的一端固定在组合调节机构的卡套上，利用调节块调整丝线的预紧力，使用螺母固定调节块的位置，所述组合调节机构的螺栓和冷屏的接触为线接触，所述组合调节机构的调节块用于调节丝线的长度，调整到位之后，所述组合调节机构的防松螺母对所述调节块进行限位，所述组合调节机构的卡套用于固定丝线的长度，所述丝线采用高热阻、高强度的高分子材料制作而成；
5）在冷屏外侧铺设多层铝箔复合气凝胶隔热层，并将隔热罩固定在多层铝箔复合气凝胶隔热层外侧。
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