一种安装有一体化低温光学元件的制冷装置及其控制方法

1.本发明属于低温光学技术领域，尤其涉及一种安装有一体化低温光学元件的制冷装置及其控制方法。


背景技术：

2.目前，红外探测仪器作为“眼睛”，在航空航天以及军事领域发挥重要作用。探测仪器的光学系统和视场内元器件造成的背景热噪声严重影响仪器的探测灵敏度，因此需要采用低温光学系统降低光学系统热辐射。现阶段多采用制冷机结合热管完成冷链传输的主动热控方式。随着大口径光学系统的发展，镜面上的温度均匀性问题更加突出；另外，受重量和空间限制，光学系统与机械结构、电子学以及热控系统的集成化成为发展的必然趋势。但是现有技术中系统的集成化低，光学元件降温速率慢，冷链传输过程的漏热损失大。
3.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中系统的集成化低，光学元件降温速率慢，冷链传输过程的漏热损失大。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种安装有一体化低温光学元件的制冷装置及其控制方法。
5.本发明是这样实现的，一种安装有一体化低温光学元件的制冷装置，所述安装有一体化低温光学元件的制冷装置设置有冷凝器；
6.冷凝器与液体管路连接，液体管路与入口管连接，入口管与一体化光学元件连接；
7.冷凝器与气体管路连接，气体管路与出口管连接，出口管与一体化光学元件连接。
8.进一步，所述一体化光学元件设置有多孔毛细芯体，多孔毛细芯体设置在镜面板片与背面板片构成的腔体内部，腔体形成三个不同空间；三个不同空间分别为：多孔毛细芯体、补偿腔和蒸汽槽道。
9.进一步，所述蒸汽槽道由镜面板片与多孔毛细芯体的一侧构成。
10.进一步，所述补偿腔由多孔毛细芯体的另一侧与背面板片构成，补偿腔连通入口管，蒸汽槽道连通出口管。
11.进一步，所述镜面板片与背面板片构成密封腔体，镜面板片前端面镀膜。
12.进一步，所述多孔毛细芯体在镜面板片与背面板片构成的密封腔体内部，且与两个板片间均留有一定空隙，分别形成蒸汽槽道与补偿腔。
13.进一步，所述多孔毛细芯体从镜面板片向背面板片方向孔径逐渐增大；多孔毛细芯体可以采用3d打印多孔材料、多孔泡沫金属、烧结粉末材料等。
14.进一步，所述液体管路和气体管路采用柔性材料。
15.进一步，所述冷凝器由冷凝弯管和板片固定为一体组成。
16.本发明的另一目的在于提供一种所述安装有一体化低温光学元件的制冷装置的安装有一体化低温光学元件的制冷装置控制方法，所述安装有一体化低温光学元件的制冷
装置控制方法包括：
17.冷凝器内高温工质与外界换热，释放热量，s形弯曲的冷凝弯管增大流动阻力和换热面积，通过充分换热使内部工质液化，然后进入液体管路中；通过入口管流入补偿腔，由于多孔毛细芯体的毛细作用，工质被孔径逐渐变小的多孔毛细芯体吸入蒸汽槽道，低温工质吸收光学元件上热量蒸发，利用低温工质气化潜热为光学元件降温；通过出口管流经气体管路，再返流回冷凝器中的冷凝弯管内进行放热，如此循环往复，完成光学元件的散热；多孔毛细芯体为回路中工质流动提供驱动力，工质通过气液相变实现冷热源间大量热量的传递。
18.结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
19.第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
20.本发明冷凝器上通过设置有板片和s型冷凝弯管，向外界放热降低温度；板片可以增大换热面积，冷凝弯管为s形弯曲的弯管增大了流动阻力和换热面积；多孔毛细芯体的毛细作用为回路中工质流动的驱动力，工质通过气液相变进行热量输运。
21.第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
22.光机热系统一体化
23.目前，光学元件多采用的热管通过粘贴等形式将冷端与光学元件背面侧连接，光学元件获得冷量需经过多次传热，传输路径中包括工质至热管蒸发腔传热、蒸发腔导热、蒸发腔与光学元件间连接的导热、光学元件背面至镜面间导热，短时间无法实现光学元件镜面均匀降温，冷量传输过程需要时间较长，且容易导致冷量损失。
24.本发明提出将光学元件内部体积作为热实施主要空间，将集成型热管的冷端各组件置于光学元件内部，且借助光学元件镜面板片与背面板片分别形成蒸汽槽道和补偿腔，使热管与光学元件为一体，省略了热管中冷端结构；本发明简化了结构，减轻重量；同时极大程度的缩减冷端与光学元件间冷量传输的时间；蒸汽槽道与需要被冷却的光学元件镜面板片为一体，槽道内工质直接与镜面板片换热，减少了热管蒸发端与光学系统间的漏热损失，提高系统的集成化；此外，由于蒸汽槽道内气液两相工质自由流动直接与镜面换热，更利于提高光学元件的温度均匀性。
25.集成型热管
26.现有热管多通过管路分别将蒸发腔(对应本发明中蒸汽槽道)、补偿腔等部件以串联型式组合以实现冷量的传输，传输路径中易产生冷量损失。
27.本发明中提出设计蒸汽槽道、毛细芯体和补偿腔为一体的集成型式的热管，提出了一种集成化设计的新方法。其中，毛细芯体通过3d打印技术、烧结粉末等手段设计加工，孔径从补偿腔至蒸汽槽道逐渐减小，促使工质可通过毛细芯体毛细作用直接进入蒸汽槽道。采用该集成型热管，一方面缩短热量传输路径，减少冷量损失；另一方面，集成型热管占用空间体积更集中，更利于在小型化和集成化的场合应用，例如，航空航天领域热管理、电子电路散热等。
28.第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
29.本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：现有技术中光学元件多采用的热管通过粘贴等形式将冷端与光学元件背面侧连接，光学元件获得冷量的传输路径中需经过多次热传导和热对流，短时间无法实现光学元件镜面均匀降温，冷量传输过程需要时间较长，且容易导致冷量损失。本发明提出充分利用光学元件内部体积作为热管理的一部分，将集成型热管的冷端各组件置于光学元件内部，且借助光学元件镜面板片与背面板片分别形成蒸汽槽道和补偿腔，使热管与光学元件为一体，省略了热管中冷端结构及其与光学元件的连接结构。本发明的技术方案转化后可在红外探测系统中发挥关键作用，无论目前直接采用热管制冷，或采用制冷机制冷的热管理系统中，均可以取代现有的冷链传输方式；更关键的是，本发明的技术方法更利于日后弹载等空间体积、重量要求更苛刻的领域的冷量传输。
附图说明
30.图1是本发明实施例提供的安装有一体化低温光学元件的制冷装置结构示意图；
31.图2是本发明实施例提供的冷凝器结构示意图；
32.图3是本发明实施例提供的一体化光学元件爆炸图；
33.图4是本发明实施例提供的一体化光学元件内部结构示意图；
34.图中：1、冷凝器；11、板片；12、冷凝弯管；2、液体管路；3、气体管路；4、一体化光学元件；41、镜面板片；42、背面板片；43、多孔毛细芯体；44、补偿腔；45、蒸汽槽道；5、入口管；6、出口管。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
37.如图1所示，本发明实施例提供的一种安装有一体化低温光学元件的制冷装置中冷凝器1与液体管路2连接，液体管路2与入口管5连接，入口管5与一体化光学元件4连接；冷凝器1与气体管路3连接，气体管路3与出口管6连接，出口管6与一体化光学元件4连接。液体管路2和气体管路3采用柔性材料。
38.如图2所示，本发明实施例提供的冷凝器1由冷凝弯管12和板片11固定为一体组成。
39.如图3-图4所示，本发明实施例提供的一体化光学元件4中多孔毛细芯体43设置在镜面板片41与背面板片42构成的腔体内部，腔体形成三个不同空间；三个不同空间分别为：多孔毛细芯体43、补偿腔44和蒸汽槽道45。蒸汽槽道45由镜面板片41与多孔毛细芯体43构成，补偿腔44由多孔毛细芯体43与背面板片42构成。镜面板片41与背面板片42构成密封腔体，镜面板片41前端面镀膜；多孔毛细芯体43分别与镜面板片41和背面板片42平行，多孔毛细芯体43径向充满内部腔体；多孔毛细芯体43从镜面板片41向背面板片42方向孔径逐渐增
大；补偿腔44连通入口管5，蒸汽槽道45连通出口管6；多孔毛细芯体43可采用多孔泡沫金属、烧结粉末等材料，不限于双孔径或多孔径毛细芯。
40.本发明的工作原理为：冷凝器1上板片11通过向外界放热降低温度，s形弯曲的冷凝弯管12增大流动阻力和换热面积，通过充分换热使内部工质液化，然后进入液体管路2中；通过入口管5流入补偿腔44，由于多孔毛细芯体43的毛细作用，工质被逐渐穿过孔径变小的多孔毛细芯体43进入蒸汽槽道45，低温工质吸收光学元件上热量蒸发；通过出口管6流经气体管路3，再返流回冷凝器1中的冷凝弯管12内，如此循环往复，完成光学元件的散热。其中多孔毛细芯体43的毛细作用为回路中工质流动的驱动力，工质通过气液相变进行热量输运。
41.二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
42.本发明主要用于航天领域红外载荷的热管理方案中，优化冷链传输路径，且为光机热集成化提供有力的条件。同时在各种电子电路的散热中也可以得到推广应用。
43.三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
44.本发明采用3d打印技术可以实现加工。本发明采用仿真计算比传统冷链传输时间快10倍甚至更高，而计算针对模型为保密结构。
45.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。