RU170671U1 - Combined deep-cooling system for photodetectors - Google Patents

Combined deep-cooling system for photodetectors Download PDF

Info

Publication number
RU170671U1
RU170671U1 RU2016147373U RU2016147373U RU170671U1 RU 170671 U1 RU170671 U1 RU 170671U1 RU 2016147373 U RU2016147373 U RU 2016147373U RU 2016147373 U RU2016147373 U RU 2016147373U RU 170671 U1 RU170671 U1 RU 170671U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
iss
cryostat
photodetectors
cryogenic
heat
Prior art date
Application number
RU2016147373U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Николаевич Слободчиков
Людмила Геннадьевна Константинова
Наталья Евгеньевна Подшивалова
Елена Аркадьевна Одинцова
Геннадий Юрьевич Соломин
Владимир Александрович Федотов
Алексей Петрович Фоменко
Юлия Валентиновна Цветкова
Руслан Радикович Шафигуллин
Валентина Григорьевна Яковлева
Original Assignee
Акционерное общество "Конструкторское бюро точного машиностроения имени А.Э. Нудельмана"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Конструкторское бюро точного машиностроения имени А.Э. Нудельмана" filed Critical Акционерное общество "Конструкторское бюро точного машиностроения имени А.Э. Нудельмана"
Priority to RU2016147373U priority Critical patent/RU170671U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU170671U1 publication Critical patent/RU170671U1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • GPHYSICS
    • G12INSTRUMENT DETAILS
    • G12BCONSTRUCTIONAL DETAILS OF INSTRUMENTS, OR COMPARABLE DETAILS OF OTHER APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G12B15/00Cooling
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02Details
    • H01L31/024Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation

Abstract

Полезная модель относится к области криогенной техники и криогенных холодильных машин, работающих по обратному циклу Стерлинга, может быть использована для охлаждения приемников инфракрасного излучения, лазеров, элементов радиоэлектронной аппаратуры и других объектов, выполняющих исследования в космосе.Комбинированная система глубокого охлаждения фотоприемных устройств (СГО ФПУ) содержит две микрокриогенные системы (МКС) по циклу Стерлинга хладопроизводительностью 10 Вт каждая, тепловые трубы от МКС к криостату, криостат с плавящимся веществом, закрепленный через теплоизолирующие втулки с герметичным корпусом, медные хладопроводы от криостата к фотоприемным устройствам, при этом две МКС циклически работают поочередно. В качестве криогенного вещества использован Аргон.Обеспечено продление общего ресурса активной работы аппаратуры системы глубокого охлаждения фотоприемных устройств порядка 7-10 лет, при этом уменьшено механическое (вибрационное) и электромагнитное воздействие, создаваемое при работе МКС, на работу аппаратуры космического аппарата. 1 з.п. ф-лы, фиг. 1The utility model relates to the field of cryogenic technology and cryogenic refrigerators operating on the reverse Stirling cycle, can be used to cool infrared radiation receivers, lasers, elements of electronic equipment and other objects performing research in space. A combined system of deep cooling of photodetector devices ) contains two microcryogenic systems (ISS) according to the Sterling cycle with a cooling capacity of 10 W each, heat pipes from the ISS to a cryostat, a cryostat with melting I am a substance fixed through heat-insulating sleeves with a sealed casing, copper cold pipes from the cryostat to photodetectors, while the two ISS cyclically work alternately. Argon was used as a cryogenic substance. The total resource of active work of the equipment of the deep cooling system of photodetector devices was prolonged for about 7-10 years, while the mechanical (vibrational) and electromagnetic effects created by the ISS during the operation of the spacecraft equipment were reduced. 1 s.p. f-ly, fig. one

Description

Полезная модель относится к области криогенной техники, криогенных холодильных машин, работающих по обратному циклу Стерлинга, и может быть использована для охлаждения приемников инфракрасного излучения, лазеров, элементов радиоэлектронной аппаратуры и других объектов, выполняющих исследования в космосе.The utility model relates to the field of cryogenic technology, cryogenic refrigerators operating in the reverse Sterling cycle, and can be used to cool infrared radiation receivers, lasers, electronic components and other objects performing research in space.

Известны комбинированные системы глубокого охлаждения фотоприемных устройств на основе аккумуляторов холода на плавящихся веществах при азотных температурах (см. Формозов Б.Н., Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапазонах. Учеб. Пособие /СПб ГУАП. СПб., 2002 г., стр. 91-94). Известные системы имеют недостаточный ресурс использования, не более 3-5 лет.Known combined deep cooling systems for photodetectors based on cold accumulators on melting substances at nitrogen temperatures (see Formozov B.N., Aerospace photodetectors in the visible and infrared ranges. Textbook. Manual / SPb SUAI. St. Petersburg, 2002, p. . 91-94). Known systems have an insufficient resource of use, not more than 3-5 years.

Наиболее близкой по техническому уровню к заявленной полезной модели является криостатированная система глубокого охлаждения фотоприемного устройства (патент RU 2206027, МКИ F25B 9/14).The closest in technical level to the claimed utility model is a cryostatized deep cooling system of a photodetector (patent RU 2206027, MKI F25B 9/14).

Данная система глубокого охлаждения фотоприемного устройства (ФПУ) содержит охладитель Стерлинга, хладопровод с расположенным на нем твердотельным телевизионным фотоэлектрическим преобразователем, циркуляционный теплообменный контур и двухклапанный сильфонный мембранный насос с приводом, совершающим возвратно-поступательное движение. Контейнер с плавящимся криогенным веществом (криостат) закреплен на тепловом экране с помощью низкотеплопроводных опор из стеклопластиков и теплоизолирован от охладителя с помощью капилляров с низким значением коэффициента теплопроводности. Криогенная жидкость циркуляционного теплообменного контура имеет температуру тройной точки значительно ниже соответствующей температуры плавления плавящегося криогенного вещества, а температуру нормального кипения значительно выше температуры тройной точки плавящегося криогенного вещества. Хладопровод с твердотельным телевизионным фотоэлектрическим преобразователем также закреплен на тепловом экране с помощью низкотеплопроводных опор из стеклопластиков и теплоизолирован от контейнера с плавящимся криогенным веществом с помощью капилляров из материала с низкой теплопроводностью.This system of deep cooling of a photodetector (FPU) contains a Sterling cooler, a cold pipe with a solid-state television photoelectric converter located on it, a circulation heat exchange circuit and a two-valve bellows diaphragm pump with a reciprocating drive. A container with a melting cryogenic substance (cryostat) is mounted on a heat shield using low-conductive fiberglass supports and is insulated from the cooler using capillaries with a low value of thermal conductivity. The cryogenic liquid of the circulation heat exchange circuit has a triple point temperature significantly lower than the corresponding melting temperature of the melting cryogenic substance, and the normal boiling point is much higher than the triple point temperature of the melting cryogenic substance. A cold pipe with a solid-state television photoelectric converter is also mounted on a heat shield using low-conductive fiberglass supports and is insulated from a container with a melting cryogenic substance using capillaries made of a material with low thermal conductivity.

Данное устройство выбрано в качестве прототипа.This device is selected as a prototype.

Недостатками известного устройства являются ограниченный ресурс эксплуатации от 3 до 5 лет и часто повторяющаяся периодичность включения двигателя микрокриогенной системы (МКС), во время которого невозможна эксплуатация ФПУ по прямому назначению из-за электрических и вибрационных помех от работающего электродвигателя МКС.The disadvantages of the known device are the limited service life of 3 to 5 years and the often repeated frequency of turning on the engine of the microcryogenic system (ISS), during which the FPU cannot be used for its intended purpose due to electrical and vibration interference from the operating ISS electric motor.

Целью полезной модели является продление ресурса эксплуатации до 7-10 лет и сокращение периодичности времени работы микрокриогенных систем.The purpose of the utility model is to extend the service life to 7-10 years and reduce the frequency of operation of microcryogenic systems.

Цель достигается за счет того, что в комбинированную систему глубокого охлаждения ФПУ, содержащую первую микрокриогенную систему по циклу Стерлинга, тепловые трубы от МКС к криостату, криостат с плавящимся веществом, закрепленный через теплоизолирующие втулки с герметичным корпусом, медные хладопроводы от криостата к ФПУ, введена вторая микрокриогенная система, причем хладопроизводительность каждой МКС равна 10 Вт, а МКС включаются циклически и поочередно.The goal is achieved due to the fact that heat pipes from the ISS to the cryostat, a cryostat with fusible material, fixed through heat-insulating sleeves with a sealed casing, and copper refrigerant pipes from the cryostat to the FPU are introduced into the combined FPU deep cooling system containing the first microcryogenic system according to the Sterling cycle the second microcryogenic system, and the refrigerating capacity of each ISS is 10 W, and the ISS are turned on cyclically and alternately.

В качестве криогенного вещества может быть использован инертный газ Аргон (Ar), имеющий температуру плавления 83,8K, что соответствует минус 189,35°С.An inert gas Argon (Ar) having a melting point of 83.8 K, which corresponds to minus 189.35 ° C, can be used as a cryogenic substance.

Полезная модель - комбинированная система глубокого охлаждения ФПУ поясняется рисунком фиг. 1, где:Utility model — a combined FPU deep cooling system is illustrated by the figure in FIG. 1, where:

1 - контейнером с плавящимся криогенным веществом (криостат);1 - a container with a melting cryogenic substance (cryostat);

2 - первая микрокриогенная система;2 - the first microcryogenic system;

3 - диодные тепловые трубы;3 - diode heat pipes;

4 - медные хладопроводы;4 - copper cold lines;

5 - комплекс фотоприемных устройств;5 - a complex of photodetectors;

6 - ресивер;6 - receiver;

7 - теплоизолирующие втулки;7 - heat insulating bushings;

8 - герметичный корпус;8 - sealed housing;

9 - клапан разгерметизации;9 - depressurization valve;

10 - вторая микрокриогенная система;10 - the second microcryogenic system;

11 - тепловые трубы - отвод тепла от МКС.11 - heat pipes - heat removal from the ISS.

Комбинированная система глубокого охлаждения фотоприемного устройства содержит герметичный корпус 8, в котором установлена система охлаждаемых ФПУ 5 и контейнер с плавящимся веществом (криостат) 1, закрепленный внутри корпуса 8 теплоизолирующими втулками 7. Комплекс из двух микрокриогенных систем 2 и 10 на базе газовых криогенных машин типа Сплит-Стирлинга обеспечивает охлаждение криостата 1 до уровня рабочих температур (83±2)K через кислородные диодные тепловые трубы 3. Отвод тепла от фотоприемных устройств 5 к криостату 1 осуществляется через медные хладопроводы 4. Вся система размещается в герметичном корпусе 8. На корпусе 8 располагается клапан 9, предназначенный для разгерметизации изделия в космосе. Криостат 1 через трубопроводы соединен с ресивером 6, который служит для снижения давления в криостате 1, когда система находится в «теплом» состоянии и теплоаккумулирующее вещество переходит в газообразное состояние, что позволяет делать длительные перерывы в работе аппаратуры КА. Отвод тепла от микрокриогенных систем 2 и 10 в процессе работы происходит через тепловые трубы 11 в систему обеспечения теплового режима космического аппарата (СОТР КА).The combined deep-cooling system of the photodetector contains a sealed enclosure 8, in which a system of cooled FPU 5 and a container with a melting substance (cryostat) 1 are installed, mounted inside the enclosure 8 with heat-insulating sleeves 7. A complex of two microcryogenic systems 2 and 10 based on gas cryogenic machines of the type Split-Stirling provides cooling of the cryostat 1 to the level of operating temperatures (83 ± 2) K through oxygen diode heat pipes 3. Heat is removed from the photodetector 5 to cryostat 1 without copper cold pipes 4. The entire system is placed in a sealed enclosure 8. On the enclosure 8 is a valve 9, designed to depressurize the product in space. The cryostat 1 is connected through the pipelines to the receiver 6, which serves to reduce the pressure in the cryostat 1 when the system is in the “warm” state and the heat-accumulating substance passes into the gaseous state, which allows for long interruptions in the operation of the spacecraft equipment. Heat removal from microcryogenic systems 2 and 10 during operation occurs through heat pipes 11 into the system for ensuring the thermal regime of the spacecraft (SOTR KA).

Комбинированная система глубокого охлаждения фотоприемных устройств работает следующим образом.The combined deep cooling system of photodetectors works as follows.

После выведения КА на орбиту, для вакуумирования внутреннего объема системы, происходит открытие клапана разгерметизации 9 и начинает работать система обеспечения теплового режима СОТР КА, создавая рабочую температуру комплекса из двух МКС 2 и 10 в диапазоне температур от минус 20°С до плюс 35°С. При наземной эксплуатации и на этапе вывода КА на орбиту ресивер 6 и сообщающийся с ним криостат 1 заполнены теплоаккумулирующим веществом в газообразном состоянии, например, Аргоном. Комплекс из двух МКС 2 и 10 обеспечивает охлаждение криостата 1 до температуры кристаллизации теплоаккумулирующего вещества. После окончания процесса кристаллизации первая и вторая МКС 2 и 10 выключаются. Дальнейшее поддержание температуры для охлаждения фотоприемных устройств 5 осуществляется за счет фазового перехода теплоаккумулирующего вещества из твердой фазы в жидкую фазу (плавления). После того как все вещество перейдет в жидкую фазу, один из двух МКС 2 или 10 снова включается. Поддержание стабильных значений температуры фотоприемных устройств в заданном диапазоне температур обеспечивается поочередной циклической работой комплекса МКС. Циклограмма работы МКС подбирается таким образом, чтобы период активной работы аппаратуры КА совпадал с перерывом в работе МКС, что позволяет исключить механическое (вибрационное) и электромагнитное воздействие, создаваемое при работе МКС, на работу аппаратуры КА.After the spacecraft is put into orbit, to evacuate the internal volume of the system, the depressurization valve 9 opens and the system for providing thermal control of the SOTR spacecraft begins to work, creating the operating temperature of the complex from two ISS 2 and 10 in the temperature range from minus 20 ° С to plus 35 ° С . During ground operation and at the stage of launching the spacecraft into orbit, the receiver 6 and the cryostat 1 communicating with it are filled with a heat-accumulating substance in a gaseous state, for example, Argon. The complex of two ISS 2 and 10 provides cooling of the cryostat 1 to the crystallization temperature of the heat-accumulating substance. After the crystallization process is completed, the first and second ISS 2 and 10 are turned off. Further temperature maintenance for cooling the photodetectors 5 is carried out due to the phase transition of the heat-accumulating substance from the solid phase to the liquid phase (melting). After all the substance goes into the liquid phase, one of the two ISS 2 or 10 is turned on again. Maintaining stable temperature values of photodetectors in a given temperature range is ensured by the alternate cyclic operation of the ISS complex. The ISS operation cycle is selected so that the period of active operation of the spacecraft equipment coincides with the interruption in the work of the ISS, which eliminates the mechanical (vibrational) and electromagnetic effects created by the operation of the ISS on the operation of the spacecraft equipment.

В состав изделия входят две микрокриогенные системы мощностью холодопроизводительность около 10 Вт каждая, причем ресурс каждой из них составляет порядка 10000 ч. Циклическая поочередная работа двух МКС значительно уменьшает влияние работы МКС на аппаратуру КА за счет более быстрого охлаждения криостата, что позволяет обеспечить общий ресурс активной работы аппаратуры КА порядка 7-10 лет.The structure of the product includes two microcryogenic systems with a cooling capacity of about 10 W each, and each of them has a life of about 10,000 hours. Cyclical alternate operation of two ISS significantly reduces the effect of the ISS operation on the spacecraft due to faster cooling of the cryostat, which allows providing a common active resource operation of spacecraft equipment for about 7-10 years.

Claims (2)

1. Комбинированная система глубокого охлаждения фотоприемных устройств, содержащая герметичный корпус, первую микрокриогенную систему по циклу Стерлинга, криостат с плавящимся веществом, закрепленный через теплоизолирующие втулки внутри герметичного корпуса, медные хладопроводы, соединяющие криостат и фотоприемные устройства, отличающаяся тем, что введена вторая микрокриогенная система, причем первая и вторая упомянутые системы подключены через тепловые трубы к криостату с возможностью поочередного циклического подключения каждой системы, при этом хладопроизводительность каждой микрокриогенной системы равна 10 Вт.1. The combined deep cooling system of photodetectors, comprising a sealed enclosure, a first microcryogenic system according to the Sterling cycle, a cryostat with a melting substance, fixed through heat-insulating sleeves inside the sealed enclosure, copper cold pipes connecting the cryostat and photodetectors, characterized in that a second microcryogenic system is introduced moreover, the first and second mentioned systems are connected through heat pipes to a cryostat with the possibility of alternating cyclic connection each system, wherein the refrigeration capacity of each microcryogenic system is 10 watts. 2. Комбинированная система глубокого охлаждения фотоприемных устройств по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве криогенного вещества использован Аргон.2. The combined deep cooling system of photodetectors according to claim 1, characterized in that Argon is used as a cryogenic substance.
RU2016147373U 2016-12-02 2016-12-02 Combined deep-cooling system for photodetectors RU170671U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016147373U RU170671U1 (en) 2016-12-02 2016-12-02 Combined deep-cooling system for photodetectors

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016147373U RU170671U1 (en) 2016-12-02 2016-12-02 Combined deep-cooling system for photodetectors

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU170671U1 true RU170671U1 (en) 2017-05-03

Family

ID=58697188

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016147373U RU170671U1 (en) 2016-12-02 2016-12-02 Combined deep-cooling system for photodetectors

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU170671U1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2702269A1 (en) * 1993-03-02 1994-09-09 Cryotechnologies Chiller fitted with a cold finger of the pulsed tube type.
RU2206027C2 (en) * 2001-04-09 2003-06-10 Формозов Борис Николаевич Cryostatted photodetecting system for extra- atmospheric astronomy, space exploration, and remote earth sounding
RU161595U1 (en) * 2015-10-15 2016-04-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) SYSTEM OF THERMAL STABILIZATION OF PHOTO RECEPTION DEVICE FOR INFRARED SPACE APPARATUS OF THE REMOTE SURVEILLANCE OF THE EARTH WITH A CYCLIC OPERATION MODE

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2702269A1 (en) * 1993-03-02 1994-09-09 Cryotechnologies Chiller fitted with a cold finger of the pulsed tube type.
RU2206027C2 (en) * 2001-04-09 2003-06-10 Формозов Борис Николаевич Cryostatted photodetecting system for extra- atmospheric astronomy, space exploration, and remote earth sounding
RU161595U1 (en) * 2015-10-15 2016-04-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) SYSTEM OF THERMAL STABILIZATION OF PHOTO RECEPTION DEVICE FOR INFRARED SPACE APPARATUS OF THE REMOTE SURVEILLANCE OF THE EARTH WITH A CYCLIC OPERATION MODE

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Грезин А.К., Зиновьев В.С., Микрокриогенная техника, Москва, Машиностроение, 1977. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101307862B (en) Conduction cooling superconducting magnet dewar convenient for loading and unloading
CN106679217B (en) Mechanical vibration isolation liquid helium recondensation low-temperature refrigeration system
JP5665963B2 (en) Superconducting cable cooling system
CN106461291B (en) Refrigeration system
CN101692368B (en) High-temperature superconductive magnet system for magnetically confined plasma propeller
EP3477225B1 (en) Cryogenic system
CN102980321B (en) Multi-stage pulse tube refrigerator adopting relay linear compressor
WO1997007368A1 (en) Refrigerator with interior mounted heat pump
Kotsubo et al. Compact 2.2 K cooling system for superconducting nanowire single photon detectors
ES2358356T3 (en) REFRIGERATION SYSTEM FOR SUPERCONDUCTING DEVICES.
US10030919B2 (en) Cooling apparatus for superconductor
CA2875270C (en) Scalable apparatus and arrangement for storing and releasing energy
RU170671U1 (en) Combined deep-cooling system for photodetectors
Penswick et al. High-capacity and efficiency Stirling cycle cryocooler
US6640552B1 (en) Cryogenic superconductor cooling system
JPWO2015002200A1 (en) Superconducting power transmission system and cooling method
Shirron et al. Salt pill design and fabrication for adiabatic demagnetization refrigerators
US3397549A (en) Cyclic desorption refrigerator
Trollier et al. Remote helium cooling loops for laboratory applications
Caughley et al. Commercial pulse tube cryocoolers producing 330 W and 1000 W at 77 K for liquefaction
JP2007078310A (en) Cryogenic cooling device
Agapov et al. Cryogenics for the future accelerator complex NICA at JINR
JP2020056533A (en) Cryogenic temperature cooling device
Cao et al. Theoretical and experimental study on a pulse tube cryocooler driven with a linear compressor
Oguri et al. Note: Sub-Kelvin refrigeration with dry-coolers on a rotating system