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冷链的研制及其热传导性能的试验研究材料工程学
何兴伟 吴明勋 吴亦农 纪国林 曲晓萍
摘要：在空间机械制冷系统中，面对大规模焦平面探测器的使用，为了达到探测器温度匀称性的要求、实现大冷量的有效传输，并减小制冷机的振动可能对探测器的影响，该文叙述了专用的冷链研制，并设计了专用的试验设备，进行了大量的试验，并对试验数据进行了处理，结果表明，该冷链的研制达到了设计的要求，能够实现其研制目的。
关键词：空间制冷 冷链 热导率
0 引言随着空间红外探测技术的进展，空间制冷技术也得到了高速的进展，已消失了多种制冷方式，如辐射制冷、机械制冷、复合制冷等，而机械制冷中又有斯特林制冷、脉管制冷等。其结构形式则是多种多样，如辐射制冷器中就有W型、L型、G型、V型、O型等，而机械制冷的结构形式则更是多种多样，很不规章，针对每一不同的探测器及冷箱结构，就会有不同的制冷结构形式。
目前，随着空间红外探测器由单元、多元，进展到大规模焦平面，对空间制冷技术也提出了更高的要求。由于焦平面探测器探测元数多，导致其长度或面积很大，而其温度匀称性必需被掌握在很小范围内，因此不能简洁的采纳制冷机冷头与探测器冷平台直接联接的方式，必需对其进行多点制冷，同时涉及到对制冷机冷量的有效传输，而探测器对制冷机的振动也更加敏感，必需尽可能减小制冷机的振动对探测器的影响，因此，需要设计专用的冷链来实现以上两个目的。
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1 冷链的研制状况在空间应用领域，冷链的研制与其有用性是亲密相关的，因此，国内参加研制的单位并不多。我们的研制也是以详细的型号任务研制为背景的，具有很强的针对性，但其研制工艺具有普遍的意义，可为将来大规模焦平面探测器及大冷量制冷机的大量应用积累技术储备。
11 冷链材料的选择
冷链的研制目的之一是要在低温下实现高效传热，因此，其材料必需具备良好的低温热导率。图1所示为不同材料间热导率与温度间的关系。由于焦平面探测器的工作温度大多在100K左右，从图中可以看出，在此温度范围内，钻石的热导率是最高的，其次是纯铜，然后是纯铝等。由于我们研制的冷链还必需起到隔振的作用，因此，采纳钻石不能满意要求，且价格昂贵。而高纯铜则不同，经过退火处理的铜片或铜丝具有很好的柔性，且低温热导率比铝好，因此，我们选用高纯铜作为研制冷链的材料。
图1 不同材料间热导率与温度间的关系
12 冷链的研制
以高纯铜为材料来研制冷链，其原料的主要结构形式可有两种考虑，即铜丝和铜片。
以往的讨论表明，以铜丝作为材料来研制冷链，其头部的固定将会特别困难，而为了达到很好的传热效果，以及从冷链的牢靠性上考虑，需将铜丝捆绑在一起，这时会发觉，冷链将变得很硬，从而失去我们所需要的柔性。因此，我们选择铜片作为研制冷链的原料。
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图2所示为我们研制的冷链样品的实物照片。在研制过程中，我们选择了厚度为01mm，经过退火处理的高纯铜片为原料，依据高纯铜的相关物性作了初步计算，以确定铜片的相关尺寸，接下来将铜片切割成我们所需要的尺寸，然后采纳特别的焊接工艺将铜片两端焊接在一起，最终在焊接好的两端打孔，用以固定冷链。
2 冷链的试验样品冷链研制完成后，其最重要的性能就是它在低温下的热传导性能，即冷链的低温热