斯特林制冷机静态真空系统设计与试验doc.docx
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斯特林制冷机静态真空系统设计与试验doc
斯特林制冷机静态真空系统设计与试验
72
真空与低温
Vacuum&Cryogenics
第13卷第2期
2007年o6月
斯特林制冷机静态真空系统设计与试验
许国太,邱家稳
（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）
摘要:
静态真空是星载斯特林制冷机在地面进行各项性能试验的必备条件,它主要由杜瓦和真空保持系统组
成.主要介绍斯特林制冷机杜瓦和真空抽气系统的设计.通过试验证明,该系统能够满足斯特林制冷机进行性能试验
所需的真空条件.
关键词:
斯特林制冷机;静态真空;杜瓦
中图分类号:
TB651;TB753文献标识码:
A文章编号:
1006—7086（2007）02-0072-05
DESIGNoNPERMANENTVACI『I刀ⅥoFSTIRLINGCRYoCooLERANDEXPEIUMENT
XUGuo-taiQIUJia-wen
（NafionMKeylabofVacuum&CryogenicsTechnologyandPhysics,
LanzhouInstituteofPhysi~,Lanzhou730000,China）
Abstract:
ThepermanentvacuumisessentialconditionofthespaceborneStidingcryocoderwhichvariousperformance
experimentsontheground,Itconsistsofdewarflaskandfacilitythatkeepsthevacuumconstitutes.Thedesignofdewar
flaskandpumpsystemareintroduced,ithasbeenverifiedthatthesystemcansatisfythevacuumconditionofStirling
cryocoolertest.
KeywordsiStirlingcryocooler;permanentvacuum;dewarflask
斯特林制冷机的热力学过程近似为2个等温过程和2个等容过程【",在等温膨胀过程中产生冷量,用来
冷却负载.星载斯特林制冷机地面试验过程中,必须把冷头置于小型真空杜瓦中,才能获得良好的工作性能.
由于星载斯特林制冷机制冷量都比较小（80K/1W左右）,杜瓦内真空度对其制冷性能影响比较明显,因此必
须有相应的抽气设施来满足所需的真空条件.但是作为主抽气装置的抽气系统配置比较复杂,耗能高,长期
连续工作会影响设备的寿命;而杜瓦与主抽气系统脱离后,便成为静态真空组件,这时会因杜瓦内残余气体,
材料放气及漏气等原因造成杜瓦真空度下降,使制冷机负载加大而失效.为此,考虑利用主抽气设施的高真
空机组先将杜瓦预抽到较高的真空度,然后将高真空机组与杜瓦隔离,用小型的抽气系统来维持真空度.作
者将介绍这种真空系统设计,研制的杜瓦用以配合星载斯特林制冷机进行地面性能试验.
2杜瓦设计
2.1结构方案选择
与斯特林制冷机配合的杜瓦的设计方法主要有2种陶.第一种方法是将制冷机与杜瓦分别进行设计,二
收稿日期:
2007—03—12.
基金项目:
真空低温技术与物理国家级重点实验室基金（51475040105HT6001）资助.
作者简介:
许国太（1975一）,男,青海省乐都县人,硕士研究生,从事空间机械制冷技术研究.
许国太等:
斯特林制冷机静态真空系统设计与试验73
者的单机性能达到指标后再组装成一体.这种方法的优点是便于联调和杜瓦组件的维修,更换.图1为分离
式制冷机和杜瓦系统结构示意图.此外,分项研制能够减小制冷机和杜瓦的研制难度.但是在负载和制冷机
之间的柔性耦合器,会导致漏热增大.
第二种方法就是将制冷机和杜瓦作为整体进行集成设计.随着斯特林制冷机技术发展,制冷机的平均无
故障工作寿命已有了很大的提高.工作过程中产生的振动和噪声也大幅度降低,探测器可以直接安装在制冷
机冷指上,制冷机的振动对探测器的工作性能影响很小.这种集成设计的优点是使整个系统结构较紧凑,降
温快,冷板温度均匀,温差和冷损小,寿命长,可靠性更高.图2为集成式制冷机和杜瓦系统结构示意图.
斯特林制冷机地面寿命试验静态真空系统设计,将为空间用机械制冷机[3]和探测器/杜瓦组件的研制提
供经验积累.作者选择集成式结构作为设计方案,进行制冷机和杜瓦及抽气系统的设计.
1.冷屏;2.非真空夹层;3.膨胀机;4.冷指;5.真空夹层;
6.柔性连接器;7.探测器;8.压缩机;9.窗口.
图1分离式制冷机和杜瓦结构
1.杜瓦;2.膨胀机;3.冷指;4.冷屏;5.探测器;
6.压缩机;7.窗口.
图2集成式杜瓦和制冷机结构
2.2杜瓦材料选择及结构设计
制作杜瓦的材料一般的要求是可焊性好,气密性好,出气速率和渗透速率较低.在工作温度和烘烤温度
下饱和蒸气压足够低,且加工容易,有较好的焊接性能[4].常用的材料有玻璃和金属两类.玻璃的优点是透明,
便于观察杜瓦内部情况,电绝缘性好,易对内部金属零件用高频加热方法出气.但是玻璃质脆易碎,加工成形
难度大.金属材料强度高,机械成形容易,更容易满
足杜瓦的力学性能要求.由于系统对真空要求较
高,材料耐腐蚀性要好,为此,采用奥氏体不锈钢
（1Crl8Ni9Ti）作为制作杜瓦的材料.同样,法兰材
料也选择不锈钢.
由于圆筒形的杜瓦容易制造且强度好,所以设
计上采用圆筒形杜瓦结构.为了降低外界热流对冷
指的影响,杜瓦壁厚尽量要薄.经理论计算并结合
实际条件最终设计杜瓦真空室长度为105Into,内
径为40mm,壁厚为1mm,内表面积160cm,体积
150cms.杜瓦结构如图3所示.为保证密封的可靠
性,减少结构漏率,设计采用了国标CF法兰,完全
可以满足真空系统需要.
2-3杜瓦材料的预除气处理
材料的出气对真空度的影响很大,虽然材料的
1.膨胀机;2.（217法兰;3.真空引线法兰;4.引线;5.辅助抽气设备接口;
6.主抽气设备接口;7.温度传感器,热负载.
图3杜瓦结构
74真空与低温第13卷第2期
出气速率会随着时间增加而逐步降低,但是材料表面可能有不同程度的污染.材料的出气速率不仅和所经历
的出气时间有关,而且和材料的表面预处理方法有很大关系.金属在室温下出气的主要成分为水汽（占90%
以上）,而水汽的出气速率在一定程度上又和表面处理有关.不同的表面状态对出气速率的影响各不相同,用
有机溶剂去脂时,表面的单分子层污染是无法去除的,只能靠真空下的烘烤来去除.为获得较高的真空度,通
常采用升温烘烤的方法来降低材料的出气速率.所以杜瓦在投入使用之前一般都要对表面进行处理来降低
杜瓦工作时的出气率.在现有的条件下,对表面处理工艺为:
机械加工完成后,在超声波清洗机里面对制冷机
冷指用丙酮去除油脂,然后再用无水乙醇浸洗;对杜瓦材料进行440℃高温烘烤10h.由于制冷机冷指和温
度传感器及模拟热负载不能进行高温烘烤,为减少引线出气,温度传感器和模拟热负载引线均采用无绝缘漆
的裸线,在引线外加陶瓷套管的方式绝缘.
3抽气系统
3.1气体负荷计算
杜瓦经过一段时间的抽气后达到比较稳定的状态,此时,气体负荷主要为表面出气和结构渗漏.对金属
来说,有些金属（如不锈钢,铜,铝等）的气体渗透系数就很小,在大多数实际应用中可以忽略不计,故在气体
负荷的计算中可以不考虑渗透率.
杜瓦中的主要气体负荷如下:
经超声波清洗,真空烘烤的不锈钢（1Cr18Ni9Ti）常温出气速率按8.6xlOx133.3Pa?
L/（s?
（3m）计算,杜
瓦出气量为1.83x10Pa?
L/s;金属法兰（CV法兰）密封漏率按照lxlO{Pa?
L/s计算,设计的杜瓦共有4处cF
法兰密封结构,泄漏率估算为4xlO-sPa?
L/s;电连接器（真空引线）的氦质谱检漏泄漏率小于lxlOPa?
L/s;
由于引线为裸线,加之表面积很小,所以引线的放气可以忽略不计;焊缝采用激光焊接,选择合理的焊接参
数,焊缝用显微镜观察,无裂纹,漏率利用氦质谱检漏仪检测优于lxlO{Pa?
L/s.计算所得到总气体漏率为
2.83x10Pa?
L/s,则经过2年后,真空罩气体负荷为17.8Pa?
L,不能满足制冷机所需真空条件,需要抽气系
统继续工作,以满足制冷机对工作环境的真空条件.要保持杜瓦内部lxlOPa真空度,则需要抽气设施的有
效抽速为0.03L/s.
由于影响真空度的因素较多,实际杜瓦内真空度可能与计算相差较多,只有加工及装配过程严格保证杜
瓦内,外芯的清洁,对零件进行烘烤除气等手段提高真空水平.此外,适当增大抽气设备的抽速也是一种提高
真空度的有效措施.
3.2抽气系统设计
3.2.1主抽气设备选择
为了减轻辅助抽气设备的负担,要求主抽气系统能达到的真空度尽可能高一些.另外,为降低成本,研制
过程尽量利用现有的仪器,设备条件,主泵选用F160/450涡轮分子泵,抽速450L/s,极限真空为6xlOPa.
分子泵与杜瓦之间采用高真空角阀连接,以利于主抽气系统与杜瓦脱离后降低结构漏率.分子泵作为高真空
泵,不能直接对大气抽气,需要配置前级泵,并且其主要性能（如极限压力和抽速）都和配置的前级泵的容量,
转数,被抽气体的种类等有关.前级泵选用2XZ一4高速直连真空泵,该泵质量轻,体积小,不返油,无污染.其
抽速为4L/s,极限压力为6x10{Pa.
3.2.2辅助抽气系统设计
由于要求系统在轨工作寿命2年以上,所以斯特林制冷机的地面寿命考核试验也必须达到2年以上,杜
瓦里面满足制冷机工作的真空维持寿命必须高于制冷机和其他载荷的寿命.
在利用高真空机组获得较高真空后,再利用真空夹封钳将抽气管路与高真空机组隔离开,此后自身携带
的辅助抽气系统在杜瓦脱离主抽气系统后单独运行,用于维持杜瓦的真空度.这时气体负荷中应包括夹封口
的结构漏率,由于以前的夹封试验经检漏证明漏率极小（优于lxlO在Pa?
L/s）,在此可以忽略不计,气体负
荷可认为与夹封前相同.下面分别采用溅射离子泵或吸气剂吸附泵2种方案来计算分析保持杜瓦真空度的
可行性.
许国太等:
斯特林制冷机静态真空系统设计与试验75
（I）溅射离子泵.应用潘宁放电原理,将阳极分割成若干筒型小室,阴极采用钛板制成.放电产生的气体
阳离子在电场作用下加速飞向阴极,气体离子射入阴极与钛形成钛化合物而被固定抽除.另一方面,气体离
子在阴极板上引起溅射,溅射出的活性金属钛在阳极筒及泵壁上形成新鲜钛膜,活泼气体分子（如氧,氮等）
会被新鲜钛膜吸附而被抽除,这就是溅射离子泵的工作原理.溅射离子泵是获得清洁超高真空的真空获得设
备,它具有清洁无油,真空度高,无噪声,无振动,操作方便等优点.离子泵工作是封闭系统,不需要有连续工
作的前级真空系统.
由前面计算可知,要维持系统真空度,只要维持泵的有效抽速大于0.03L/s即可,所以溅射离子泵可以
满足需求.虽然溅射离子泵能够达到维持真空的要求,但是溅射离子泵的工作状态必须有相应控制器与其配
套工作,在地面应用比较方便,但是在空间使用将带来电磁干扰,增大功耗,增大系统复杂性等诸多问题,所
以这不是理想的选择.
（2）吸气剂吸附泵.通过管路与杜瓦连接的抽气系统的抽气效率主要受长和狭窄的管道的限制,直接安
装在杜瓦内的吸气剂如果被适当的活化,没有流导限104厂
制的吸气剂能保证较高的抽气速度,抽气速度可以达卜.
到或高于主抽气系统.目前研制的热子型（在吸气剂l
内集成加热活化电路）吸气剂容易激活,对系统影响103r
小,加热时间短,在管路夹封之前活化它,即可起到内J
部微型真空泵的作用.ST171型吸气剂为SEAS公司…f
研制的一种锆一石墨吸气剂,图4为St172/HI/4—7/200L
吸气剂泵在450℃下活化5min后吸气特性曲线.f
吸附泵所需要吸附的气源仍然为表面出气及结1otL
构渗漏.由前面的计算可知2年内吸气剂需要吸收的
气体量为17.8Pa?
L,以国内某单位研制的吸气剂数
14
据进行折算,第10min吸氢速率5≥2000mL/s-g,
1o01O102
吸着量/（em3x133.3Pa）
图4St172/HI/4—7/200吸气剂吸附特性
4h特征吸气量t>3000mL?
Pa/g,则需要不到1g吸气剂就满足要求了.在实际使用过程中考虑到结构
漏率不是固定不变的,如在使用的过程中,它会由于腐蚀等各种原因而增大,因此相应增加吸气剂的用量就
可以满足要求.
吸气剂吸附泵的安装方式,活化温度,工作温度等具有不同的要求,所以必须根据实际工况选择合适的
型号.虽然高温下吸气剂吸附性能才能得以很好发挥,但是空间飞行时发出的热量将严重影响制冷机性能,
所以吸气剂只能在室温下工作.杜瓦在夹封之前要进行烘烤,为了避免烘烤过程中激活吸气剂,必须选择在
吸气剂最低活化温度以下进行烘烤.
分析上述2种辅助真空维持手段,考虑各种因素,最终选用国产3L一25型溅射离子泵为地面静态真空系
统维持泵,其极限压力小于等于7~10{Pa,根据前面计算数据,杜瓦内部真空度能够达到10量级.抽气系
统组成如图5所示.
1.溅射离子泵;2.真空室;3.高真空角阀;4电离规;5.FJ450分子泵;6.2XZ-4机械泵.
图5真空系统配置
76真空与低温第13卷第2期
4试验情况
按照斯特林制冷机测试中确定的参数,将制冷机充气到1.8MPa,设定控制器频率为50Hz,在制冷机冷
头装镍铬一康铜热电偶测温,装5g电阻加热器进行制冷量测定和降温试验.制冷机性能试验系统如图6所
示,降温曲线如图7所示.
图6进行寿命考核的斯特林制冷机
0I23456789101I12I3I4l5I6I7I81920
降温时间/rain
图7制冷机降温曲线
从试验结果看,制冷机在6rain的时间内降温到80K,20rain内最低温度降到60K,测得的制冷量为
80K/0.28W,功耗24W.
5结论
该静态真空系统在实验室配合斯特林制冷机已连续运行了2年寿命试验.制冷性能及通过试验观测到
杜瓦真空度无衰减,证明为斯特林制冷机的真空系统设计是合理可行的,可以满足制冷机地面测试所需真空
条件,实现了斯特林制冷机地面寿命考核无人值守运行.
参考文献
[1】陈国邦.最新低温制冷技术[M】.北京:
机械工业出版社,2003.
[2]ANDREWPOWEN.MiniatureIntegratedDewar/CoolerAssembly[J].SPIE,1990,1308:
303-311.
【3]朱建炳,潘颜频.空间制冷技术在星载红外遥感器中的应用与发展[J].真空与低温2003,9
（1）:
6-12.
[4]达道安.真空设计手册【M】.北京:
国防工业出版社,1991.
（上接第71页）
[45】MAGL,RANGZ,XUAG,et.NoveltransparentYb—basedcathodesfortop—emittingorganiclightemittingdeviceswith
highperformance叨.AppliedSurfaceScience,2006,252:
3580-3584.
[46】LIYQ,TANGJX,XIEZY,eta1.Anefficientorganicl!
ght-emittingdiodewithsilverelectrodes[J].ChemicalPhysics
Letters,2004,386:
128-131I
[47】WUUDS,LOWC,CHANGLS,eta1.PropertiesofSiO2-likebarrierlayersonpolyethersulfonesubstratesbylow—
temperatureplasma—enhancedchemicalvapordeposition[J].ThinSolidFilms,2004,468（1—2）:
105-108.
[48】KAZUHITOTSUKAGOSHI,JUNTANABE,IWAOYAGI,eta1.Organiclight-emittingdiodedrivenbyorganicthinfilm
transistoronplasticsubstrates[J].Journalofappliedphysics,2006,99（06）:
4506-4510.
[49】陈新发.AM—OLED像素及集成～体化周边电路的研究与设计[D】.长春:
吉林大学硕士学位论文,2004,53-55.
[5o]HEYI,KANICKIJERZY.High-eficiencyorganicpolymerlight-emittingheterostructuredevicesonflexibleplasticsubstrates
【J].ApplPhysLett,2000,76（6）:
661~663.
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