РАДИАЦИОННЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК

Область техники
Полезная модель относится к конструкции радиационных холодильников, предназначенных для охлаждения приемников инфракрасного излучения (ИК-излучения) бортовой аппаратуры космических аппаратов (КА.)
Уровень техники
Существуют несколько видов систем охлаждения.
1. Системы разомкнутого цикла, в которых применяются криогенная жидкость, твердое криогенное вещество или газ высокого давления, при расширении которого используется эффект Джоуля-Томсона.
2. Системы замкнутого цикла с использованием газовых криогенных машин (ГКМ), обеспечивающих отвод тепла от приемника ИК-излучения.
3. Термоэлектрические системы охлаждения, использующие эффект Пельтье.
4. Пассивные излучатели, которые охлаждают системы до криогенных температур путем излучения в низкотемпературную среду (открытый космос).
Известны холодильники, в которых охлаждение приемника ИК-излучения осуществляется с помощью газовой криогенной машины (ГКМ), содержащей компрессор с электроприводом (ЕР 0339836 А2 МПК F25B 9/00, RU 2204812). Подобная конструкция системы криостатирования характеризуется большой энергоемкостью, подвержена влиянию вибраций и электромагнитных наводок, приводящих к ухудшению выходных параметров приемника.
Известны системы криостатирования приемника ИК-излучения, в которых криостат содержит установленный в корпусе и закрепленный в оправе вакуумированный сосуд Дьюара с внешним и внутренним входными окнами, напротив которых на охлаждаемом держателе расположен фоточувствительный элемент и диафрагма, а герметичная полость, образованная держателем и сосудом Дьюара, заполнена осушенным газом (полезная модель РФ №14666, МКИ G01J 5/02). Это обеспечивает более высокую надежность прибора, однако при охлаждении приемника часть мощности ГКМ непроизводительно расходуется на охлаждение держателя.
Пассивные системы охлаждения являются самыми простыми и надежными, обладают малым или нулевым энергопотреблением, долговечностью. Радиационные холодильники существующей конструкции способны обеспечивать охлаждение в температурном диапазоне от 85 К при милливатных нагрузках до 135 К при нагрузках до 5 Вт. Такие системы не требуют электропитания, не содержат движущихся частей, в них тепло, выделяемое приемником ИК-излучения, излучается в открытое космическое пространство. Открытый космос, имеющий эффективную температуру 4 К, является естественным теплоприемником. В подобных системах приемник устанавливается на холодной пластине, изготовленной из материала с высоким коэффициентом излучения. При этом холодная пластина защищена как от прямого солнечного потока, так и теплопритока от излучения Земли и элементов КА.
Ближайшим аналогом, выбранным за прототип предлагаемой полезной модели радиационного холодильника, является устройство по патенту США №4121434, МПК F25B 23/00. Пассивный двухступенчатый радиационный холодильник содержит один или несколько экранов, расположенных в корпусе между первой и второй ступенями. Первая ступень состоит из радиатора, соединенного с зеркальным конусом-отражателем, которые изолированы от корпуса холодильника восьмью трубчатыми теплоизоляторами из полимерного материала Synthane. Вторая ступень состоит из охлаждаемой пластины, на которой устанавливается приемник ИК-излучения, и которая изолирована от первой ступени четырьмя трубчатыми теплоизоляторами.
Недостатками аналога являются:
- ухудшение качества приема сигнала ИК-излучения из-за нарушения оптической фокусировки приемника при изменении линейных размеров теплоизолирующих трубок из-за термической деформации, возникающей при креплении второй ступени к первой ступени и первой ступени к корпусу холодильника;
- низкая эффективность тепловой развязки первой и второй ступени из-за использования теплоизолирующих трубок с большим поперечным сечением, что приводит к появлению паразитных теплопритоков и ухудшению условий охлаждения приемника
Раскрытие полезной модели
Сущность предлагаемой полезной модели заключается во введении новых признаков в конструкцию холодильника, обеспечивающих улучшение качества приема инфракрасного излучения, а именно:
- крепление второй ступени к кронштейнам, установленным на "горячем" корпусе холодильника (300 К) исключает термическую деформацию элементов тепловой развязки, обеспечивает стабилизацию оптической фокусировки второй ступени и улучшает качество приема сигнала ИК-излучения;
- использование в качестве тепловой развязки второй ступени от корпуса холодильника тонких нитей-растяжек из полимерного материала с низкой теплопроводностью существенно снижает уровень паразитных теплопритоков и улучшает качество приема;
- расположение нитей-растяжек в виде трехмерной пространственной фермы обеспечивает жесткую фиксацию второй ступени в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, стабилизацию оптической фокусировки приемника и улучшает качество приема;
- введение в конструкцию холодильника плоских электрических нагревателей, расположенных на первой и второй ступени, обеспечивает периодическую очистку поверхностей холодильника от продуктов загрязнения (криоосадков), что также способствует улучшению качества приема.
Согласно полезной модели радиационный холодильник состоит из двух ступеней, размещенных в одном корпусе. Первая ступень включает металлический радиатор, жестко связанный с зеркальным конусом-отражателем. Вторая ступень состоит из плоского радиатора-излучателя и рамы, являющейся средством крепления приемника ИК-излучения на этом радиаторе-излучателе. Крепление второй ступени не к первой ступени, а к кронштейнам на корпусе холодильника исключает термическую деформацию элементов тепловой развязки и обеспечивает стабильность оптической фокусировки приемника. Тепловая развязка второй ступени от корпуса холодильника выполнена в виде тонких нитей-растяжек из полимерного материала с низкой теплопроводностью. Первая и вторая ступени для уменьшения паразитных теплопритоков дополнительно теплоизолированы от корпуса системой экранов, прикрепленным к первой ступени. Для стабилизации оптической фокусировки приемника ИК-излучения нити-растяжки образуют пространственную ферму, что обеспечивает жесткую фиксацию положения второй ступени в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.
Первая ступень крепится к корпусу холодильника с помощью четырех стоек. Стойки обладают необходимой прочностью и имеют высокое тепловое сопротивление. На первой и второй ступени располагаются плоские электрические нагреватели системы очистки от криоосадков. Входное окно для приема ИК-излучения располагается на корпусе холодильника.
Графическая иллюстрация
На фигуре представлен общий вид радиационного холодильника в разрезе.
Осуществление полезной модели
Согласно одному из вариантов конкретной конструкции радиационный холодильник состоит из двух ступеней. Первая ступень содержит радиатор 1, жестко связанный с зеркальным конусом-отражателем 2 из полированного металла, например, алюминиевого сплава АМг-6. Вторая ступень состоит из рамы 3, предназначенной для установки на ней приемника ИК-излучения 4, и плоского радиатора-излучателя 5 из сплава АМг-6.
Вторая ступень крепится к кронштейнам 6 на корпусе 7 холодильника. Тепловая развязка второй ступени от корпуса холодильника выполнена в виде тонких нитей-растяжек 8 диаметром 0.3 мм из полимерного материала с низкой теплопроводностью, например, типа Армалон. Первая и вторая ступени теплоизолированы от корпуса системой экранов 9 и 10. Система 9 состоит из трех экранов, система 10 из двух. Экраны крепятся в нескольких точках к первой ступени холодильника. Для стабилизации оптической фокусировки приемника ИК-излучения нити-растяжки образуют пространственную ферму, что обеспечивает жесткую фиксацию положения второй ступени в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.
Первая ступень крепится к корпусу холодильника с помощью четырех стоек 11, выполненных, например, из стеклотекстолита. На первой и второй ступени располагаются плоские электрические нагреватели 12 системы очистки от криоосадков. Входное окно 13 для приема ИК-излучения располагается на корпусе холодильника.
Работа радиационного холодильника по захолаживанию ИК-приемника до криогенных температур (80-100) К осуществляется следующим образом. Температура ИК-приемника определяется балансом между излучательной способностью радиатора второй ступени и теплопритоками на вторую ступень по конструкции холодильника и собственным тепловыделением приемника. Тепловой поток от горячего корпуса 7 проходит через систему экранов первой ступени 9 и попадает на теплопровод первой ступени, образованный конусом-отражателем 2 и радиатором 1. Этот поток сбрасывается в открытый космос излучением с радиатора. Зеркальный конус-отражатель 2 защищает вторую ступень от тепловых потоков с Земли и элементов космического аппарата. Тепловой поток с первой ступени на вторую ослабляется системой экранов второй ступени 10. ИК-излучение поступает на приемник 4 через входное окно 13, выполненное в корпусе 7 холодильника. Тепловой поток от тепловыделения приемников ИК-излучения и паразитные теплопритоки на вторую ступень по конструкции холодильника сбрасываются радиатором второй ступени 5 в открытый космос.
В процессе работы холодильника происходит накопление криоосадков, что приводит к ослаблению сигнала с приемника. Для улучшения качества приема проводится очистка холодильника. Проведение очистки осуществляется периодическим прогревом холодильника до температуры +40ºС с помощью электрических нагревателей 12, установленных на первой и второй ступенях холодильника.
Результаты экспериментальной проверки радиационного холодильника подтверждают возможность использования данной полезной модели на космических аппаратах типа «Метеор» и «Электро».