空间液氦制冷器隔热屏蔽系统设计及优化

白晓明，潘雁频，张文瑞，王小军

（兰州物理研究所，真空低温技术与物理国家级重点实验室，甘肃 兰州 730000）

1 引言

随着我国空间技术的发展，空间制冷技术向着制冷温度更低、制冷功率更大、工作寿命更长、可靠性更高的方向发展。空间探测使用的长波红外、亚毫米波探测等要求制冷温度达到2～10 K，是传统机械制冷设备无法达到的，因此一般首选液氦制冷。自1975年首次将液氦制冷技术应用于空间探测器以来，世界各国已经完成发射或者预计发射的采用液氦/超流氦制冷器的飞行任务已有数十例之多。在我国，空间液氦制冷还属于空间制冷技术的新领域。

液氦制冷系统向着长寿命、质量轻、小体积方向稳步发展，其中最关键的是低温绝热和支撑技术，又以NASA在2003年发射的空间红外望远镜（SIRTF）中所使用的技术最为典型。SIRTF的制冷系统可以将超流氦浴温稳定在1.4 K左右，如此低的液氦浴温与一个高效的热防护系统密不可分（如图1所示）。其热防护系统由防太阳辐射板、防动力舱辐射板、多层绝热、VCS（蒸气冷却屏）、真空壳体等组成[1]。

图1 SIRTF热防护系统简图

国内的研究人员早在上世纪八九十年代对液氦制冷器展开了研究，有些学者研究了多屏技术、液氦制冷器的支撑冷却以及多层绝热和冷却屏性质对低温系统的影响等[2]。在理论研究的基础上，近年来一些研究机构研制出了液氦制冷器。例如上海交通大学参与欧空局与NASA联合开展的AMS-02计划的研制工作，独立制造了其低温地面支持设备（CGSE）[3]，北京大学为其超导加速器研制了超流氦系统[4]，中电16所为其EBIT装置设计制造了液氦杜瓦[5]。但是上述制冷器只能应用于地面，与空间应用的特殊要求相差较大。本文中空间液氦制冷器的隔热屏蔽系统将根据系统热力学计算和空间应用的特殊要求来设计。

2 隔热屏蔽系统设计

2.1 液氦制冷器介绍

液氦制冷器应用于空间探测器，要求其制冷温度为4 K。由于其工作对象以及工作环境的特殊，制冷器需要满足高可靠性、高结构强度、小体积、轻量化等要求。液氦制冷器主要由液氦存储器、真空壳体、隔热屏蔽系统、冷链传导系统及控制器等组成。

2.2 隔热屏蔽系统设计思路

液氦制冷器的漏热主要来自两方面：通过支撑等的固体热传导以及外部环境与液氦容器之间的辐射传热。隔热屏蔽系统要能够尽量减少这两方面的漏热，使杜瓦的热负荷降低，延长系统的工作寿命。因此，设计思路主要从以下两方面出发：首先根据液氦容器与外部环境之间存在较大温差的特点，采用高效的热屏蔽结构，并尽量减少外热流输入来降低制冷器的漏热损失；其次根据氦气显热较大的特点，液氦制冷器需充分利用低温氦蒸气的显热来提高其热屏蔽能力[6]。

根据系统方案可知，液氦制冷器主要由外壳壳体、多层隔热、气冷屏、隔热支撑、杜瓦等组成。其功能主要是防止外界的热量进入液氦杜瓦内部。

2.3 多层绝热

真空多层绝热结构是由多层低辐射系数的辐射屏及其间隔物组成，置于密封夹层中，再抽至高真空。间隔物要求有低的导热系数、一定的机械强度，例如玻璃纤维、尼纶等。真空多层绝热中，多层辐射屏有效地屏蔽辐射热流，达到了高效绝热的目的。

2.4 蒸气冷却屏

由于液氦的沸点很低，其汽化潜热仅为2.4 kJ/L，这样仅使用高真空多层绝热结构也不能满足要求。计算表明，一个日蒸发率为1%的50 L多层绝热液氮容器用来贮存液氦，液氦的日蒸发率高达50%[7]。液氦的汽化潜热较小，而氦气的显热与潜热的比值较大，当从4 K升温至300 K的时候，氦气的显热和潜热比高达72.9。因此，利用杜瓦中蒸发氦气的显热来冷却支撑结构和保护屏对降低杜瓦中液氦的蒸发率具有很大意义。蒸气冷却屏是利用容器中汽化的冷氦气来冷却保护屏，其中保护屏外侧仍采用多层绝热。设计中气冷屏采用薄壁铜筒体外侧钎焊铜盘管的形式。

2.5 隔热支撑

液氦贮存内胆是通过隔热支撑结构悬挂在外壳体之中。隔热支撑跨在液氦温度下的杜瓦内胆与室温下的外壳之间，它不但需要支撑内胆、液氦以及气冷屏的质量，还需要尽量减少由它传导至内胆的热量，即同时满足机械强度大和热流小2个条件。在本系统中，设计采用6根玻璃钢（GFRP）制成的支撑杆，这种材料既有高的机械强度，又有很小的导热率，可以满足液氦制冷系统的需求[8]。

2.6 管道及其他

为了加注液氦以及安全考虑，系统内部共有2条管路，分别是液氦加注管路和安全管路。2根管道均选用不锈钢材料，管道分别绕内胆以及气冷屏外侧缠绕一周，这样的设计有2个优点：一方面，材料在低温下会有冷缩，缠绕成弯管可以预防冷缩；另一方面，缠绕之后，增加了内部管道的长度，从而减少了通过管道传导入内胆的热量。

为了便于监测，需要在内部布置温度、压力等传感器，由内胆引出到外壳的导线也会造成漏热，采用锰铜线来减小漏热。

3 隔热屏蔽组件优化

3.1 数学模型和基本假设

液氦制冷器的漏热主要来自两方面：通过支撑的固体热传导以及外部环境与液氦容器之间的辐射传热，故系统各部位的漏热如图2所示。

图2 系统各部分漏热示意图

根据模型，对制冷器结构进行适当的简化，并作出如下假设，以便于数值计算：1）气冷屏的几何模型为半球与圆柱状直筒的组合，其中直筒的长度为其直径的2倍，外壳和内胆均参照此模型进行计算；2）盘管与气冷屏充分换热，换热面积假定为盘管表面积；3）探测器与系统充分换热，即探测器产生的热量全部由冷链传导机构导入液氦杜瓦；4）绝热支撑杆与气冷屏连接处的接触热阻为零，两者充分换热；5）外壳、气冷屏及内胆各表面的发射率假定为一致；6）气冷屏无温度梯度。

3.2 热力学分析

由系统方案可知，制冷器的漏热主要来自两方面：通过支撑和管道的热传导以及外部环境与液氦容器之间的辐射传热。各部分漏热的大小与气冷屏的位置密切相关，故最佳隔热屏蔽设计的关键就是在一定结构尺寸之下，寻求气冷屏的最佳位置，使杜瓦内胆的漏热最小。根据系统热力学分析可知，内胆的总热负荷与单位时间内蒸发液氦的汽化潜热相平衡，气冷屏的总热负荷与其外侧盘管内氦蒸气流的对流换热量相平衡。

根据系统热分析，可得如下方程组

式中 Q1为气冷屏1热负荷；Q2为气冷屏2热负荷；Q0为杜瓦内胆热负荷；q为探测器产生的热量。

3.3 计算结果分析

针对方程组，使用FORTRAN语言进行编程，以气冷屏温度为初始值进行迭代求解，计算结果分析如图3至图5所示。

图3 内胆热负荷与气冷屏半径的关系

由图3可见，当气冷屏1、2的半径增大时，内胆漏热量随之减小，其中气冷屏1半径的影响比较明显。

图4 内胆漏热量与气冷屏1温度的关系

由图4可见，在气冷屏尺寸确定的情况下，内胆漏热量只与气冷屏1温度有关，二者基本呈线性关系。

图5 气冷屏尺寸与气冷屏温度的关系

由图5（a）可见，气冷屏1的半径增大时，气冷屏1的温度随之升高，气冷屏2的半径增大时，气冷屏1的温度随之降低。

4 结论

（1）多层绝热可以有效降低气冷屏以及内胆的辐射漏热量，尤其对于气冷屏2，多层绝热效果最为明显。

（2）气冷屏1与气冷屏2的半径对内胆热负荷有着很大的影响，当气冷屏1、2的半径增大时，气冷屏热负荷随之减小，其中气冷屏1的半径更为关键。

（3）综合分析可得，制冷器各部分尺寸确定以后，内胆热负荷与气冷屏1温度基本呈线性关系。

（4）根据作者提供的设计方法计算出的各部分漏热比实际值偏大。这是为了计算方便，对制冷器的物理模型作了一定程度的简化，进一步考虑可以细化模型，使之更接近实际，特别是利用有限差分法重新求解气冷屏外侧盘管内氦蒸气的对流换热量。

[1]SANDERS D B.The cosmic evolution of luminous infrared galaxies：from IRAS to ISO，SCUBA and SIRTF[J].Advances in Space Research，2004，34：535～542.

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