[发明专利]一种空间用液氦制冷装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间用液氦制冷装置，属于真空低温设备领域。

背景技术

液氦制冷和超流氦制冷技术是一些尖端技术研究和基础物理学研究的必备条件。为了提高装在天文卫星上的Y射线、X射线、红外线及亚毫米波的探测器的精度，降低其本底噪声及热噪声，要求望远镜的温度达到几十K、甚至几K。探测器的温度要求在几K、甚至几十mK量级。目前，空间20K以下的低温环境基本都是以液氦或超流氦为基础的。

随着空间探测距离的不断延伸，探测器要求工作的时间不断增加，作为为探测器提供低温条件的低温液体存储器也需要提高存贮效率，尽可能长时间为探测器的工作提供低温条件。

空间液氦及超流氦制冷技术对于开展空间天文探测，进行空间站低温物理试验以及发展新型空间低温复合超低温制冷技术都有特别重要作用，需要迫切解决。因此，研制适用于航天特殊要求及空间环境条件的，满足长期高效存贮的液氦制冷装置十分重要。

发明内容

本发明的目的是为克服空间技术对于设备重量、热防护条件的限制，提供一种适用于空间应用环境的液氦制冷设备，主要为空间红外天文观测、空间地球科学观测以及空间科学试验提供深低温的工作或环境条件。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种空间用液氦制冷装置，所述装置包括支撑座、安装圈、外腔、进样管、隔热支撑架、多层隔热材料、内气冷屏、外气冷屏、盘管、探测窗口、透光片一、透光片二、冷板、冷杆、内腔和真空系统；

其中，所述装置从内向外依次密闭套接有内腔、内气冷屏、外气冷屏、外腔，内腔、内气冷屏、外气冷屏、外腔均为封闭圆柱筒状结构，在内气冷屏、外气冷屏的外壁上设有盘管；在内腔、内气冷屏、外气冷屏壁上开孔，

隔热支撑架依次通过内腔、内气冷屏、外气冷屏壁上的孔后，一端固定在外腔内壁上，另一端固定在内腔外壁上；

在内腔、内气冷屏、外气冷屏、外腔上部沿纵轴方向同轴各自开有孔；在外腔上部的孔上设有探测窗口，在外气冷屏上部的孔上设有透光片一；

探测室位于内腔和内气冷屏之间，透光片二位于内气冷屏上部的开孔上并覆盖探测室上部，探测室下方设有冷板；

冷杆位于内腔内部中轴线上，冷杆一端与冷板下部固定连接，冷杆另一端与内腔底部靠近但不接触，在冷杆与冷板接触处设有温度传感器；

进样管位于内腔的一侧，进样管上端穿过内腔、内气冷屏、外气冷屏到外腔外部；其中，进样管短于冷杆的长度；

在内气冷屏、外气冷屏之间，以及外气冷屏和外腔之间设有多层隔热材料；

在外腔外壁开有抽气孔，真空系统通过抽气孔与外腔连接；

所述装置通过安装圈将所述装置固定安装在支撑座上；

优选在外腔上部设置安装板；

优选在探测室内部设有探测器，信号传输线一端与探测器连接，另一端依次穿过内腔、内气冷屏、外气冷屏、外腔后与外围设备连接；

优选隔热支撑架为隔热材料，数量为6根，在外腔2内部沿周向均匀分布，隔热支撑架的两端通过铰链固定；

优选多层隔热材料为15～25层的铝箔，最外层铝箔与外腔内壁和外气冷屏内壁不接触；

优选隔热支撑架的材料为环氧玻璃钢；

优选外腔的材料为不锈钢，内气冷屏、外气冷屏的材料为紫铜，内腔的材料为铝；

一种空间用液氦制冷方法，所述方法使用本发明所述的一种空间用液氦制冷装置，具体步骤如下：

其中，在制冷开始前依次打开探测窗口、透光片一、透光片二，将探测器放置于探测室中后，关闭探测窗口、透光片一、透光片二；

步骤一、对所述装置抽真空，使外腔，内腔、内气冷屏、外气冷屏内的压强≤10^-3Pa·m³/s后，关闭真空系统；

步骤二、向盘管内通入液氮，当温度传感器显示温度≤80K后，排空盘管内的液氮，向盘管中冲入液氦，当温度传感器显示温度≤10K时，通过进样管向内腔中注入液氦，当液氦体积为内腔容积的70％～80％后，实现制冷；

优选此时探测器开始工作；

制冷结束时，开启真空系统抽空盘管和内腔中的液氦，待装置内的压强≤10^-2Pa·m³/s且温度升至室温时关闭真空系统。

有益效果

1冷氦气显热为液氦潜热70多倍，冷氦气可以吸收大量热量，利用冷氦气依次通过多级气冷屏，形成隔热性能良好的冷屏蔽。这种屏蔽方式取消了液氮冷屏蔽方式，减轻了装置重量。