RU113566U1

RU113566U1 - RADIATION REFRIGERATOR

Info

Publication number: RU113566U1
Application number: RU2011127970/06U
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Воронкевич; Кирилл Александрович Боярчук; Рашит Салихович Салихов; Виктор Владимирович Дербушев; Сергей Алексеевич Исковских; Михаил Алексеевич Косоротов; Лев Алексеевич Селиверстов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (ОАО "НИИЭМ")
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2012-02-20

Abstract

1. Радиационный холодильник, содержащий корпус с расположенными в нем теплоизолирующими экранами и двумя конструктивными ступенями: первой ступенью, включающей радиатор с закрепленным на нем зеркальным металлическим конусом-отражателем, закрепленный на корпусе холодильника с помощью теплоизоляционных стоек, и второй ступенью, включающей плоский радиатор-излучатель и средство крепления на нем приемника ИК-излучения, отличающийся тем, что вторая ступень закреплена на кронштейнах, установленных на корпусе холодильника, с помощью тонких нитей-растяжек из полимерного материала с низкой теплопроводностью. ! 2. Радиационный холодильник по п.1, отличающийся тем, что нити-растяжки образуют трехмерную пространственную ферму. ! 3. Радиационный холодильник по п.1, отличающийся тем, что каждая ступень содержит плоские электрические нагреватели. 1. Radiation refrigerator containing a body with heat-insulating screens located in it and two structural steps: the first step, including a radiator with a mirror metal reflector-cone attached to it, fixed to the refrigerator body with heat-insulating racks, and the second step, including a flat radiator emitter and means for attaching an infrared radiation receiver on it, characterized in that the second stage is fixed on brackets installed on the refrigerator body using thin stretch threads made of polymeric material with low thermal conductivity. ! 2. Radiation cooler according to claim 1, characterized in that the stretching threads form a three-dimensional iso-truss. ! 3. Radiation cooler according to claim 1, wherein each stage contains flat electric heaters.

Description

Область техникиTechnical field

Полезная модель относится к конструкции радиационных холодильников, предназначенных для охлаждения приемников инфракрасного излучения (ИК-излучения) бортовой аппаратуры космических аппаратов (КА.)The utility model relates to the design of radiation refrigerators designed to cool infrared radiation (IR) receivers of spacecraft onboard equipment (SC.)

Уровень техникиState of the art

Существуют несколько видов систем охлаждения.There are several types of cooling systems.

1. Системы разомкнутого цикла, в которых применяются криогенная жидкость, твердое криогенное вещество или газ высокого давления, при расширении которого используется эффект Джоуля-Томсона.1. Open-loop systems in which a cryogenic liquid, solid cryogenic substance or high pressure gas is used, the expansion of which uses the Joule-Thomson effect.

2. Системы замкнутого цикла с использованием газовых криогенных машин (ГКМ), обеспечивающих отвод тепла от приемника ИК-излучения.2. Closed-loop systems using gas cryogenic machines (GCM), providing heat removal from the receiver of infrared radiation.

3. Термоэлектрические системы охлаждения, использующие эффект Пельтье.3. Thermoelectric cooling systems using the Peltier effect.

4. Пассивные излучатели, которые охлаждают системы до криогенных температур путем излучения в низкотемпературную среду (открытый космос).4. Passive emitters, which cool the system to cryogenic temperatures by radiation in a low-temperature environment (open space).

Известны холодильники, в которых охлаждение приемника ИК-излучения осуществляется с помощью газовой криогенной машины (ГКМ), содержащей компрессор с электроприводом (ЕР 0339836 А2 МПК F25B 9/00, RU 2204812). Подобная конструкция системы криостатирования характеризуется большой энергоемкостью, подвержена влиянию вибраций и электромагнитных наводок, приводящих к ухудшению выходных параметров приемника.Refrigerators are known in which the infrared radiation receiver is cooled using a gas cryogenic machine (HCM) containing an electric compressor (EP 0339836 A2 MPK F25B 9/00, RU 2204812). This design of the cryostat system is characterized by high energy intensity, is subject to the influence of vibrations and electromagnetic interference, leading to a deterioration in the output parameters of the receiver.

Известны системы криостатирования приемника ИК-излучения, в которых криостат содержит установленный в корпусе и закрепленный в оправе вакуумированный сосуд Дьюара с внешним и внутренним входными окнами, напротив которых на охлаждаемом держателе расположен фоточувствительный элемент и диафрагма, а герметичная полость, образованная держателем и сосудом Дьюара, заполнена осушенным газом (полезная модель РФ №14666, МКИ G01J 5/02). Это обеспечивает более высокую надежность прибора, однако при охлаждении приемника часть мощности ГКМ непроизводительно расходуется на охлаждение держателя.Cryostatting systems for an infrared radiation receiver are known, in which a cryostat contains a vacuum dewar installed in the housing and mounted in a frame with external and internal entrance windows, opposite which there is a photosensitive element and a diaphragm on the cooled holder, and a sealed cavity formed by the holder and the dewar filled with dried gas (utility model of the Russian Federation No. 14666, MKI G01J 5/02). This provides a higher reliability of the device, however, when cooling the receiver, part of the power of the gas condensate compressor is unproductively spent on cooling the holder.

Пассивные системы охлаждения являются самыми простыми и надежными, обладают малым или нулевым энергопотреблением, долговечностью. Радиационные холодильники существующей конструкции способны обеспечивать охлаждение в температурном диапазоне от 85 К при милливатных нагрузках до 135 К при нагрузках до 5 Вт. Такие системы не требуют электропитания, не содержат движущихся частей, в них тепло, выделяемое приемником ИК-излучения, излучается в открытое космическое пространство. Открытый космос, имеющий эффективную температуру 4 К, является естественным теплоприемником. В подобных системах приемник устанавливается на холодной пластине, изготовленной из материала с высоким коэффициентом излучения. При этом холодная пластина защищена как от прямого солнечного потока, так и теплопритока от излучения Земли и элементов КА.Passive cooling systems are the simplest and most reliable, have low or zero power consumption, durability. Existing radiation coolers are capable of providing cooling in the temperature range from 85 K at millivate loads to 135 K at loads up to 5 watts. Such systems do not require power, do not contain moving parts, in them the heat generated by the infrared radiation receiver is radiated into open space. Deep space having an effective temperature of 4 K is a natural heat sink. In such systems, the receiver is mounted on a cold plate made of a material with a high emissivity. In this case, the cold plate is protected both from direct solar flux and heat gain from radiation from the Earth and spacecraft elements.

Ближайшим аналогом, выбранным за прототип предлагаемой полезной модели радиационного холодильника, является устройство по патенту США №4121434, МПК F25B 23/00. Пассивный двухступенчатый радиационный холодильник содержит один или несколько экранов, расположенных в корпусе между первой и второй ступенями. Первая ступень состоит из радиатора, соединенного с зеркальным конусом-отражателем, которые изолированы от корпуса холодильника восьмью трубчатыми теплоизоляторами из полимерного материала Synthane. Вторая ступень состоит из охлаждаемой пластины, на которой устанавливается приемник ИК-излучения, и которая изолирована от первой ступени четырьмя трубчатыми теплоизоляторами.The closest analogue selected for the prototype of the proposed utility model of a radiation refrigerator is the device according to US patent No. 4121434, IPC F25B 23/00. A passive two-stage radiation refrigerator contains one or more screens located in the housing between the first and second steps. The first stage consists of a radiator connected to a mirror cone-reflector, which is isolated from the refrigerator body by eight tubular heat insulators made of Synthane polymer material. The second stage consists of a cooled plate, on which an infrared radiation receiver is mounted, and which is isolated from the first stage by four tubular heat insulators.

Недостатками аналога являются:The disadvantages of the analogue are:

- ухудшение качества приема сигнала ИК-излучения из-за нарушения оптической фокусировки приемника при изменении линейных размеров теплоизолирующих трубок из-за термической деформации, возникающей при креплении второй ступени к первой ступени и первой ступени к корпусу холодильника;- deterioration in the quality of reception of the infrared signal due to a violation of the optical focus of the receiver when changing the linear dimensions of the insulating tubes due to thermal deformation that occurs when the second stage is attached to the first stage and the first stage to the refrigerator body;

- низкая эффективность тепловой развязки первой и второй ступени из-за использования теплоизолирующих трубок с большим поперечным сечением, что приводит к появлению паразитных теплопритоков и ухудшению условий охлаждения приемника- low efficiency of thermal isolation of the first and second stages due to the use of heat-insulating tubes with a large cross section, which leads to the appearance of spurious heat inflows and worsen the cooling conditions of the receiver

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Сущность предлагаемой полезной модели заключается во введении новых признаков в конструкцию холодильника, обеспечивающих улучшение качества приема инфракрасного излучения, а именно:The essence of the proposed utility model is the introduction of new features in the design of the refrigerator, providing improved reception quality of infrared radiation, namely:

- крепление второй ступени к кронштейнам, установленным на "горячем" корпусе холодильника (300 К) исключает термическую деформацию элементов тепловой развязки, обеспечивает стабилизацию оптической фокусировки второй ступени и улучшает качество приема сигнала ИК-излучения;- attaching the second stage to the brackets mounted on the “hot” refrigerator case (300 K) eliminates thermal deformation of the thermal isolation elements, ensures stabilization of the optical focusing of the second stage and improves the quality of reception of the infrared signal;

- использование в качестве тепловой развязки второй ступени от корпуса холодильника тонких нитей-растяжек из полимерного материала с низкой теплопроводностью существенно снижает уровень паразитных теплопритоков и улучшает качество приема;- the use as a thermal isolation of the second stage from the refrigerator body of thin strands of stretch marks made of polymer material with low thermal conductivity significantly reduces the level of spurious heat gain and improves the quality of reception;

- расположение нитей-растяжек в виде трехмерной пространственной фермы обеспечивает жесткую фиксацию второй ступени в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, стабилизацию оптической фокусировки приемника и улучшает качество приема;- the location of the stretching threads in the form of a three-dimensional spatial truss provides rigid fixation of the second stage in three mutually perpendicular planes, stabilization of the optical focusing of the receiver and improves reception quality;

- введение в конструкцию холодильника плоских электрических нагревателей, расположенных на первой и второй ступени, обеспечивает периодическую очистку поверхностей холодильника от продуктов загрязнения (криоосадков), что также способствует улучшению качества приема.- the introduction to the design of the refrigerator flat electric heaters located on the first and second stage, provides periodic cleaning of the surfaces of the refrigerator from pollution products (cryogenic deposits), which also improves the quality of reception.

Согласно полезной модели радиационный холодильник состоит из двух ступеней, размещенных в одном корпусе. Первая ступень включает металлический радиатор, жестко связанный с зеркальным конусом-отражателем. Вторая ступень состоит из плоского радиатора-излучателя и рамы, являющейся средством крепления приемника ИК-излучения на этом радиаторе-излучателе. Крепление второй ступени не к первой ступени, а к кронштейнам на корпусе холодильника исключает термическую деформацию элементов тепловой развязки и обеспечивает стабильность оптической фокусировки приемника. Тепловая развязка второй ступени от корпуса холодильника выполнена в виде тонких нитей-растяжек из полимерного материала с низкой теплопроводностью. Первая и вторая ступени для уменьшения паразитных теплопритоков дополнительно теплоизолированы от корпуса системой экранов, прикрепленным к первой ступени. Для стабилизации оптической фокусировки приемника ИК-излучения нити-растяжки образуют пространственную ферму, что обеспечивает жесткую фиксацию положения второй ступени в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.According to a utility model, a radiation refrigerator consists of two steps placed in one housing. The first stage includes a metal radiator, rigidly connected with a mirror cone-reflector. The second stage consists of a flat radiator-emitter and a frame, which is a means of attaching an infrared radiation receiver to this radiator-emitter. The fastening of the second stage not to the first stage, but to the brackets on the refrigerator case eliminates the thermal deformation of the thermal isolation elements and ensures the stability of the optical focusing of the receiver. The thermal isolation of the second stage from the refrigerator’s body is made in the form of thin stretching threads made of a polymer material with low thermal conductivity. The first and second stages are additionally insulated from the housing by a system of screens attached to the first stage to reduce spurious heat inflows. To stabilize the optical focusing of the infrared radiation receiver, the stretching threads form a spatial truss, which provides rigid fixation of the position of the second stage in three mutually perpendicular planes.

Первая ступень крепится к корпусу холодильника с помощью четырех стоек. Стойки обладают необходимой прочностью и имеют высокое тепловое сопротивление. На первой и второй ступени располагаются плоские электрические нагреватели системы очистки от криоосадков. Входное окно для приема ИК-излучения располагается на корпусе холодильника.The first stage is attached to the refrigerator body using four racks. Racks have the necessary strength and have high thermal resistance. At the first and second stage, there are flat electric heaters of the cryogenic precipitation cleaning system. The input window for receiving infrared radiation is located on the refrigerator.

Графическая иллюстрацияGraphic illustration

На фигуре представлен общий вид радиационного холодильника в разрезе.The figure shows a General view of the radiation refrigerator in the context.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Согласно одному из вариантов конкретной конструкции радиационный холодильник состоит из двух ступеней. Первая ступень содержит радиатор 1, жестко связанный с зеркальным конусом-отражателем 2 из полированного металла, например, алюминиевого сплава АМг-6. Вторая ступень состоит из рамы 3, предназначенной для установки на ней приемника ИК-излучения 4, и плоского радиатора-излучателя 5 из сплава АМг-6.According to one embodiment of a particular design, the radiation refrigerator consists of two steps. The first stage contains a radiator 1, rigidly connected with a mirror cone-reflector 2 of polished metal, for example, aluminum alloy AMg-6. The second stage consists of a frame 3, designed to install an infrared radiation receiver 4 on it, and a flat radiator-emitter 5 of alloy AMg-6.

Вторая ступень крепится к кронштейнам 6 на корпусе 7 холодильника. Тепловая развязка второй ступени от корпуса холодильника выполнена в виде тонких нитей-растяжек 8 диаметром 0.3 мм из полимерного материала с низкой теплопроводностью, например, типа Армалон. Первая и вторая ступени теплоизолированы от корпуса системой экранов 9 и 10. Система 9 состоит из трех экранов, система 10 из двух. Экраны крепятся в нескольких точках к первой ступени холодильника. Для стабилизации оптической фокусировки приемника ИК-излучения нити-растяжки образуют пространственную ферму, что обеспечивает жесткую фиксацию положения второй ступени в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.The second stage is attached to the brackets 6 on the housing 7 of the refrigerator. The thermal isolation of the second stage from the refrigerator’s body is made in the form of thin strands of strands 8 with a diameter of 0.3 mm from a polymer material with low thermal conductivity, for example, Armalon type. The first and second steps are thermally insulated from the housing by a system of screens 9 and 10. System 9 consists of three screens, system 10 of two. Screens are attached at several points to the first stage of the refrigerator. To stabilize the optical focusing of the infrared radiation receiver, the stretching threads form a spatial truss, which provides rigid fixation of the position of the second stage in three mutually perpendicular planes.

Первая ступень крепится к корпусу холодильника с помощью четырех стоек 11, выполненных, например, из стеклотекстолита. На первой и второй ступени располагаются плоские электрические нагреватели 12 системы очистки от криоосадков. Входное окно 13 для приема ИК-излучения располагается на корпусе холодильника.The first stage is attached to the refrigerator case using four racks 11 made, for example, of fiberglass. At the first and second stage, there are flat electric heaters 12 of the cryogenic precipitation cleaning system. The input window 13 for receiving infrared radiation is located on the refrigerator body.

Работа радиационного холодильника по захолаживанию ИК-приемника до криогенных температур (80-100) К осуществляется следующим образом. Температура ИК-приемника определяется балансом между излучательной способностью радиатора второй ступени и теплопритоками на вторую ступень по конструкции холодильника и собственным тепловыделением приемника. Тепловой поток от горячего корпуса 7 проходит через систему экранов первой ступени 9 и попадает на теплопровод первой ступени, образованный конусом-отражателем 2 и радиатором 1. Этот поток сбрасывается в открытый космос излучением с радиатора. Зеркальный конус-отражатель 2 защищает вторую ступень от тепловых потоков с Земли и элементов космического аппарата. Тепловой поток с первой ступени на вторую ослабляется системой экранов второй ступени 10. ИК-излучение поступает на приемник 4 через входное окно 13, выполненное в корпусе 7 холодильника. Тепловой поток от тепловыделения приемников ИК-излучения и паразитные теплопритоки на вторую ступень по конструкции холодильника сбрасываются радиатором второй ступени 5 в открытый космос.The work of the radiation refrigerator to cool the IR receiver to cryogenic temperatures (80-100) K is as follows. The temperature of the infrared receiver is determined by the balance between the emissivity of the radiator of the second stage and the heat influx to the second stage according to the design of the refrigerator and the receiver's own heat emission. The heat flux from the hot casing 7 passes through the system of screens of the first stage 9 and enters the heat pipe of the first stage formed by the cone-reflector 2 and radiator 1. This stream is discharged into outer space by radiation from the radiator. Mirror cone-reflector 2 protects the second stage from heat fluxes from the Earth and spacecraft elements. The heat flux from the first stage to the second is attenuated by the system of screens of the second stage 10. Infrared radiation enters the receiver 4 through the input window 13, made in the case 7 of the refrigerator. The heat flux from the heat generation of infrared detectors and spurious heat inflows to the second stage, according to the design of the refrigerator, are dumped by the radiator of the second stage 5 into outer space.

В процессе работы холодильника происходит накопление криоосадков, что приводит к ослаблению сигнала с приемника. Для улучшения качества приема проводится очистка холодильника. Проведение очистки осуществляется периодическим прогревом холодильника до температуры +40ºС с помощью электрических нагревателей 12, установленных на первой и второй ступенях холодильника.During the operation of the refrigerator, cryogenic deposits accumulate, which leads to a weakening of the signal from the receiver. To improve the quality of reception, the refrigerator is cleaned. Cleaning is carried out by periodically heating the refrigerator to a temperature of + 40 ° C using electric heaters 12 installed on the first and second steps of the refrigerator.

Результаты экспериментальной проверки радиационного холодильника подтверждают возможность использования данной полезной модели на космических аппаратах типа «Метеор» и «Электро».The results of an experimental verification of the radiation refrigerator confirm the possibility of using this utility model on spacecraft of the Meteor and Electro type.

Claims

1. Radiation refrigerator, comprising a housing with heat-insulating shields located in it and two structural steps: the first step, including a radiator with a mirror-mounted metal cone-reflector mounted on it, mounted on the refrigerator body using heat-insulating racks, and the second step, including a flat radiator emitter and means of fastening an infrared radiation receiver on it, characterized in that the second stage is mounted on brackets mounted on the refrigerator body using thin stretch threads made of a polymer material with low thermal conductivity.

2. The radiation refrigerator according to claim 1, characterized in that the stretching threads form a three-dimensional spatial truss.

3. The radiation refrigerator according to claim 1, characterized in that each stage contains flat electric heaters.