Комбинированная система глубокого охлаждения фотоприемных устройств

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.
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.
Наиболее близкой по техническому уровню к заявленной полезной модели является криостатированная система глубокого охлаждения фотоприемного устройства (патент RU 2206027, МКИ 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.
Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
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.
Целью полезной модели является продление ресурса эксплуатации до 7-10 лет и сокращение периодичности времени работы микрокриогенных систем.
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.
В качестве криогенного вещества может быть использован инертный газ Аргон (Ar), имеющий температуру плавления 83,8K, что соответствует минус 189,35°С.
Полезная модель - комбинированная система глубокого охлаждения ФПУ поясняется рисунком фиг. 1, где:
1 - контейнером с плавящимся криогенным веществом (криостат);
2 - первая микрокриогенная система;
3 - диодные тепловые трубы;
4 - медные хладопроводы;
5 - комплекс фотоприемных устройств;
6 - ресивер;
7 - теплоизолирующие втулки;
8 - герметичный корпус;
9 - клапан разгерметизации;
10 - вторая микрокриогенная система;
11 - тепловые трубы - отвод тепла от МКС.
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).
Комбинированная система глубокого охлаждения фотоприемных устройств работает следующим образом.
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.
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.