[发明专利]一种低温氦舱辐射冷屏冷却优化设计方法

说明书

本发明提出一种低温氦舱辐射冷屏冷却优化设计方法，从辐射冷屏冷却温度的优化确定，冷却流体入口温度、压力、流量选择，冷却管通道设计、冷却管道在冷屏上的排管布局，冷却管道流体出口温度、压力，冷屏的温度分布的计算等方面对辐射冷屏冷却的流程进行阐述，提出了一种对辐射冷屏设计具有普适性的方法，本发明系统地归纳了航天领域、环境模拟、低温真空等领域的辐射冷屏冷却设计流程，可以大幅度提高设计精度，并且为低温氦舱的精细化设计提供有力的技术支持。本发明能够提升航天环境模拟领域仪器设备的工作环境，降低温度对设备的性能噪声。

技术领域

本发明涉低温真空、航空航天、环境模拟等技术领域，主要涉及一种低温氦舱辐射冷屏冷却优化设计方法。

背景技术

在科研及航空航天领域，仪器设备需要在低温真空环境下工作，同时设备产生的巨大的热量必须通过辐射传热的方式带走。为此，需要设计一种低温氦舱辐射冷屏，将仪器设备放在辐射冷屏内部，整个氦舱放在真空容器里。氦舱辐射冷屏的冷却管通过低温锡焊焊接在紫铜板上，盘管内是低温流体，负载、低温恒温器对冷屏热负荷由低温流体带走。低温氦舱的温度由低温氦流控制，整个系统的原理见图1。

低温氦舱辐射冷屏的冷却设计效果是氦舱设计的重点内容之一，其性能决定了仪器设备的工作性能。由于仪器设备产生的热量大，怎样确保负载对冷屏的热负荷及支撑环境的漏热能够全部被带走，负载的温度被冷却至目标温度以下，同时如何保证冷屏的温度均匀度，降低对仪器设备的影响，是低温氦舱辐射冷屏冷却设计的关键技术。国内对该问题的研究尚少，更是缺乏系统的设计方法，所以亟需提出切实可行的设计方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种低温氦舱辐射冷屏冷却优化设计方法。

一种低温氦舱辐射冷屏冷却设计优化方法，其包括如下步骤：

步骤1.建立稳态的低温氦舱辐射冷屏系统的三维传热模型，根据负载的工作温度，假设辐射冷屏的目标冷却温度T，计算辐射冷屏的总热负荷大小Q₀；

步骤2.计算冷量

步骤3.选取不同的目标冷却温度T，计算出相应冷量E_X,Q；

步骤4.根据步骤3，确定冷量最小时的最佳冷却温度T_cooling；

步骤5.模拟最佳冷却温度T_cooling下，计算并导出辐射冷屏的热流密度分布特性函数；

步骤6.假设冷却氦流入口温度T_{f_in}，选取氦流出口与冷屏的温度差ΔT，确定冷却氦流出口温度T_{f_out}；

T_{f_out}＝T_cooling-ΔT

优选地，ΔT＝0.5K～1K

步骤7.计算出冷却氦流所需流量

步骤8.开展冷却管道及排布设计。开展冷却氦流管道设计，选择不锈钢、铝、紫铜圆管或方形管，以蛇形或螺旋形等排布。在热流密度大的地方要布置的密一些，热流密度小的地方可以布置稀疏些；

优选地，冷却管的直径在8mm～20mm，管与管的间距在200mm～500mm。

步骤9.建立冷屏、盘管的三维流固耦合传热模型，对于流体域，采用结构化网格离散，并对管壁部分边界层网格加密。可在自编程序、或商业计算流体力学软件中建立冷屏、盘管的三维流固耦合传热模型。建立的冷屏、盘管的三维流固耦合传热模型，要导入低温环境下不同温度对应的固体和流体的热物性参数；