一種在線測量杜瓦全溫度區(qū)間冷損的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種杜瓦技術(shù)，具體是指一種在線測量杜瓦全溫度區(qū)間冷損的方法，該方法可以在不改變杜瓦的耦合狀態(tài)的情況下得到杜瓦在各溫度點下的輻射漏熱、傳導(dǎo)漏熱及總漏熱。
【背景技術(shù)】
[0002]冷損是杜瓦的一個重要參數(shù)，傳熱方式主要有輻射傳熱、熱傳導(dǎo)傳熱及對流傳熱，由于是真空封裝，對流傳熱在杜瓦中一般非常小，常常忽略不計，因此在杜瓦的漏熱中，通常只考慮輻射漏熱及熱傳導(dǎo)漏熱。通常冷損的測量方法不能給出輻射漏熱及熱傳導(dǎo)漏熱分別是多少，僅能得到一個總冷損值。在杜瓦生制冷機耦合后的貯存及使用過程中，有時會發(fā)生制冷機輸入功率異常增大的情況，這有可能是杜瓦的真空變差導(dǎo)致的杜瓦冷損增大，也有可能是制冷機效率降低，也有可能是耦合界面的接觸熱阻增大等等。人們需要對輸入功率異常增大的原因進行準確有效的定位，目前的做法是分離杜瓦及制冷機分別進行測試，這雖然是可行的，但對于大的杜瓦解耦合及再耦合程序復(fù)雜且不易恢復(fù)原來的狀態(tài)，同時也破壞了原有的耦合狀態(tài)進而無法對耦合熱阻的變化作出正確認識，不利于查找問題并解決問題。本發(fā)明提供了一種在線非破壞式的冷損測試方法，可以在不破壞原有耦合狀態(tài)的情況下同時測出杜瓦的輻射漏熱及熱傳導(dǎo)漏熱，不但解決了熱學(xué)異常的原因定位問題也給出了在各個溫度下的兩種漏熱具體值，為杜瓦的熱學(xué)設(shè)計及熱學(xué)失效分析提供有效的試驗驗證手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種杜瓦冷損的全狀態(tài)在線測量方法，解決原有技術(shù)中存在的僅能在杜瓦未與制冷機耦合的狀態(tài)下測量、不能分別測出輻射漏熱及傳導(dǎo)漏熱的技術(shù)問題。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0005]和冷頭相比，引線、芯柱等的熱容很小，熱量主要被冷頭吸收，在熱流的傳導(dǎo)路徑中引線、芯柱等熱量吸收較少。而在一個比較小的時間區(qū)間內(nèi)，冷頭及熱傳導(dǎo)路徑的溫度可近似認為不變，故杜瓦與環(huán)境直接的傳熱可以穩(wěn)態(tài)過程處理，杜瓦內(nèi)的各零部件特別是冷頭的材料的比熱可近似認為恒定，同時，在有冷屏的情況下，冷屏的溫度場隨時間的變化也不大，在計算輻射漏熱時可以忽略冷屏溫度分布變化的影響。整個冷頭在溫度變化的過程中的溫度梯度一般很小，整個冷頭的溫度場在變溫過程中可近似認為是均勻的，同樣的，整個冷頭的溫度變化率在變溫過程中也近似認為是均勻的。
[0006]由傳熱學(xué)的知識可知，在穩(wěn)態(tài)下，杜瓦的冷頭在輻射漏熱功率Wr及熱傳導(dǎo)漏熱功率Wc的作用下其溫度!\緩慢均勻變化，且T 變化率在空間上也是均勻的，輻射漏熱功率Wr及熱傳導(dǎo)漏熱功率Wc分別為:
[0007]Wr = σ 0Χ ε ,,XA1 XF1^2X (T24- T(I)
[0008]Wc=(T2-T1)/!? (2)
[0009]式中
[0010]Otl為黑體輻射常數(shù)[0011 ] ε η為有效輻射系數(shù)
[0012]Fp2為冷表面對熱表面的輻射角系數(shù)
[0013]A1S低溫面的面積(m2)
[0014]T2, T1分別為熱面(環(huán)境)及冷面(冷頭)溫度
[0015]R為熱阻
[0016]對于特定的杜瓦，其0(|、ε等參數(shù)是確定的。
[0017]令Cr = σ QX ε UXA1XF1Y Ce = 1/R，則:
[0018]式⑴可以寫成:
[0019]Wr = CrX (T24 — T (3)
[0020]式⑵可以寫成:
[0021]Wc = CcX(T2-T1) (4)
[0022]故杜瓦冷損:
[0023]W = CrX (T24 — T J) +Ce X (T2 — T ) (5)
[0024]式(5)中1是T1的四次多項式函數(shù)，其中Cr、Ce均為大于零的系數(shù)，T 冷頭溫度，T2為環(huán)境溫度。
[0025]在其他條件不變的條件下，冷頭溫度！\將因有冷損的存在而不斷變化，這個過程中冷頭與環(huán)境之間發(fā)生的熱交換為Q。
[0026]Q = ZT1X Σ (CiXMi) (6)
[0027]式(4)中C1、Mi為冷頭各部分的比熱及相應(yīng)的質(zhì)量
[0028]杜瓦冷損W也等于Q對時間的一階導(dǎo)數(shù)，即
[0029]W = dQ/dt =Σ (CiXMi) XdT1Mt (7)
[0030]式(5)中Σ (CiXMi)對于確定的杜瓦是一個確定的值，假設(shè)Ci不隨溫度變化，令Cm =E (Ci XMi)，聯(lián)立式(5)及式(7)可得
[0031]CmXdVdt = CrX (T24- T ^+Cc X (T2- T1) (8)
[0032]測量出杜瓦冷頭的溫度一時間曲線并對該曲線以式⑶的形式進行多項式擬合，結(jié)合以傳統(tǒng)方法測出的杜瓦在某一溫度下的冷損值，從而提取出Cr、Ce及Cm等參數(shù)，這樣就可以通過測量杜瓦冷頭的溫度一時間曲線得到杜瓦的輻射漏熱、熱傳導(dǎo)漏熱及總漏熱。
[0033]本發(fā)明的具體步驟如下:
[0034]1.確定測試具體條件
[0035]確定測試的環(huán)境溫度并在整個測試過程中維持環(huán)境溫度不變，確定杜瓦與制冷機的耦合狀態(tài)。
[0036]2.杜瓦冷頭降溫，降溫方式視杜瓦和制冷機的耦合狀態(tài)而定，若耦合了制冷機則采用制冷機降溫，若沒有耦合制冷機則可以采用液氮降溫，杜瓦冷頭一般降溫至待測溫度點以下。
[0037]3.待杜瓦冷頭降溫至指定溫度，關(guān)閉制冷功率，停止制冷，杜瓦冷頭將在漏熱的作用下從環(huán)境吸收熱量緩慢升溫，此時以數(shù)據(jù)自動采集設(shè)備自動采集杜瓦冷頭的變溫曲線。溫度采集的采樣頻率一般在0.1?IHz范圍內(nèi)，溫度傳感器采樣杜瓦內(nèi)置的測溫二極管或PtlOOo
[0038]4.數(shù)據(jù)處理
[0039]對測得的冷頭變溫曲線以式⑶CmXdT1Mt = CrX (T24 — T +CcX (T2 — T ^的形式進行多項式擬合，并結(jié)合杜瓦在某一確定溫度下的冷損值，提取出Cr、Cc及Cm等參數(shù)。
[0040]5.把所得Cr、Ce及Cm等參數(shù)分別代入式(3) Wr = CrX (T24 — T j、式(4) Wc =CcX (T2- T J、式(5)W = CrX (T24- T +CcX (T2- T ^，得到杜瓦輻射漏熱、傳導(dǎo)漏熱及總漏熱關(guān)于溫度Tl表達式，至此得出各溫度點的輻射漏熱、熱傳導(dǎo)漏熱及總冷損。
[0041]本發(fā)明優(yōu)點是它可以在不破壞原有耦合狀態(tài)的情況下同時測出杜瓦的輻射漏熱及熱傳導(dǎo)漏熱，并且同時給出了杜瓦在各冷頭溫度點下即全溫度區(qū)間的漏熱，為杜瓦的熱學(xué)設(shè)計及熱學(xué)失效分析提供了有效的測量手段。
【附圖說明】
[0042]圖1為本發(fā)明的測量原理示意圖，圖中各編號的定義按編號從小到大的順序排列依次為:
[0043]1-杜瓦冷頭；
[0044]2-杜瓦；
[0045]3-制冷機冷指；
[0046]4-法蘭；
[0047]5-制冷機；
[0048]6-測溫二極管；
[0049]7-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0050]圖2為杜瓦冷頭的變溫曲線。
[0051]圖3為杜瓦擬合的輻射漏熱、傳導(dǎo)漏熱及總漏熱的曲線圖。
【具體實施方式】
[0052]下面對本發(fā)明的一個【具體實施方式】作詳細說明:
[0053]I確定測試具體條件
[0054]確定測試的環(huán)境溫度為300K±1K并在整個測試過程中保持環(huán)境溫度在這個范圍內(nèi)變動
[0055]確定杜瓦2與制冷機5的耦合狀態(tài)，制冷機冷指3插入杜瓦芯柱內(nèi)與杜瓦冷頭I形成良好熱接觸，在法蘭4處緊固。
[0056]2采用制冷機5對杜瓦冷頭I進行降溫，杜瓦冷頭I降溫至130Κ以下。
[0057]3采用fluke數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7對安裝于杜瓦冷頭I上的測溫二極管6進行溫度的自動采集，獲得杜瓦冷頭的變溫曲線，見圖2。
[0058]4數(shù)據(jù)處理
[0059]對測得的數(shù)據(jù)進行多項式擬合等數(shù)據(jù)處理，結(jié)合杜瓦在137K下的總漏熱為1.8W的數(shù)據(jù)，得到 Cr、Ce 及 Cm 等參數(shù)分別為 1.379E_10w/K4、0.00449W/K、82.78J/K。
[0060]5把所得Cr、Cc及Cm等參數(shù)分別代入式(3)、(4)、(5)，得到杜瓦輻射漏熱、傳導(dǎo)漏熱及總漏熱關(guān)于溫度Tl表達式，由此得出各溫度點的輻射漏熱、熱傳導(dǎo)漏熱及總冷損(見圖3)。
[0061]Wr = 1.379E-10X (3004— T
[0062]Wc = 0.00449 X (300 — T1)
[0063]W=L 379E-10 X (3004— T +0.00449 X (300 — T1)。
【主權(quán)項】
1.一種在線測量杜瓦全溫度區(qū)間冷損的方法，其特征在于包括以下步驟: 1)確定測試具體條件 確定測試的環(huán)境溫度并在整個測試過程中維持環(huán)境溫度不變，確定杜瓦與制冷機的耦合狀態(tài)； 2)杜瓦冷頭降溫，降溫方式視杜瓦和制冷機的耦合狀態(tài)而定，若耦合了制冷機則采用制冷機降溫，若沒有耦合制冷機則可以采用液氮降溫，杜瓦冷頭降溫至待測溫度點以下； 3)待杜瓦冷頭降溫至指定溫度，關(guān)閉制冷功率，停止制冷，杜瓦冷頭將在漏熱的作用下從環(huán)境吸收熱量緩慢升溫，此時以數(shù)據(jù)自動采集設(shè)備自動采集杜瓦冷頭的變溫曲線，溫度采集的采樣頻率一般在0.1?IHz范圍內(nèi)； 4)數(shù)據(jù)處理 對步驟3)測得的冷頭變溫曲線以下式的形式進行多項式擬合， CmXdT1Mt = CrX (T24- T +CeX (T2- T ) (I) 并結(jié)合杜瓦在某一確定溫度下的冷損值，提取出系數(shù)Cr、Ce及Cm的值，其中Cr =σ0Χ SnXA1XF1^Cc = l/R,Cm = E (CiXMi) ; ο。為黑體輻射常數(shù)，ε η為有效輻射系數(shù)，F(xiàn)p2為冷表面對熱表面的輻射角系數(shù)，A ^低溫面的面積(m2)，T2、T1分別為熱面及冷面溫度，R為熱阻，Ci,Mi為冷頭各部分的比熱及相應(yīng)的質(zhì)量； 5)把所得Cr、Ce及Cm等參數(shù)分別代入下列公式 Wr = CrX (T24- T (2) Wc = CcX(T2-T1) (3) W = CrX (T24- T !4) +CcX (T2- T ^ (4)得到杜瓦輻射漏熱Wr、傳導(dǎo)漏熱Wc及總漏熱W關(guān)于溫度Tl表達式，至此得出各溫度點的輻射漏熱、熱傳導(dǎo)漏熱及總冷損。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在線測量杜瓦全溫度區(qū)間冷損的方法，該方法利用了杜瓦冷頭溫度變化與輻射漏熱、傳導(dǎo)漏熱之間的函數(shù)關(guān)系，通過對冷頭的變溫曲線進行數(shù)值擬合，從而逆向?qū)С隼鋼p的表達式。本發(fā)明克服了通常的液氮稱重發(fā)或標準制冷機標定法均不能給出輻射漏熱及熱傳導(dǎo)漏熱分別是多少，僅能得到一個總冷損值，也不能在耦合有制冷機的狀態(tài)下測量等等缺點，實現(xiàn)了在不破壞原有耦合狀態(tài)的情況下同時測出杜瓦的輻射漏熱及熱傳導(dǎo)漏熱，并且同時給出了杜瓦冷頭在各溫度點下的漏熱，為杜瓦的熱學(xué)設(shè)計及熱學(xué)失效分析提供了有效的測量手段。
【IPC分類】G01K17-00
【公開號】CN104748893
【申請?zhí)枴緾N201510130240
【發(fā)明人】張海燕, 管建安, 汪洋, 陳安森, 龔海梅
【申請人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年3月24日