阅读说明：本技术 一种大换热量低流阻低温氦舱制造方法 (Manufacturing method of low-temperature helium tank with large heat exchange amount and low flow resistance ) 是由 吴克平 张启勇 李云恒 刘志敏 贺瑞聪 邢立明 朱志刚 陆小飞 夏根海 宋庆勇 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大换热量低流阻低温氦舱制造方法。包括有辐射紫铜板、紫铜冷却盘管、氦舱支架组成,所述氦舱辐射紫铜板内部喷涂特种低温黑漆使内部发射率>0.92,大大提高了辐射效率,所述紫铜冷却盘管采用三股流并联冷却氦舱辐射紫铜板,减小了冷却氦流的温升,使整个氦舱温差很小。采用专用设备的低温冷冻紫铜管弯制工艺保证冷却盘管不凹陷、皱褶,使得冷却氦流流阻满足要求。优化的低温锡焊焊接工艺,以及使用紫铜压片和专用铝箔都大大提高了传热面积,保证了传热效率。(The invention discloses a method for manufacturing a low-temperature helium tank with large heat exchange quantity and low flow resistance. The helium cabin radiation red copper plate cooling device comprises a radiation red copper plate, a red copper cooling coil and a helium cabin support, wherein special low-temperature black paint is sprayed inside the helium cabin radiation red copper plate to enable the internal emissivity to be larger than 0.92, the radiation efficiency is greatly improved, the red copper cooling coil adopts three strands of flow to be connected in parallel to cool the helium cabin radiation red copper plate, the temperature rise of cooling helium flow is reduced, and the temperature difference of the whole helium cabin is small. The low-temperature freezing copper tube bending process adopting special equipment ensures that the cooling coil pipe does not sag or fold, so that the flow resistance of the cooling helium flow meets the requirement. The optimized low-temperature tin soldering welding process and the use of the red copper pressing sheet and the special aluminum foil greatly improve the heat transfer area and ensure the heat transfer efficiency.)

一种大换热量低流阻低温氦舱制造方法

技术领域

本发明涉及低温真空及航空航天技术领域，主要涉及一种大换热量低流阻低温氦舱制造方法。

背景技术

在科研及航空航天领域，仪器设备需要在极低温真空环境下工作，为此，需要设计一种20K低温氦氦舱，氦舱通过辐射传热将仪器设备冷却到100K温度工作，同时设备产生的巨大的热量必须通过辐射传热的方式吸收到氦舱上带走。氦舱由5块辐射冷屏组成，每块冷屏由紫铜板和冷却盘管低温锡焊焊接而成，冷屏通过螺栓悬挂在支架上，整体结构见图1。将仪器设备放在氦舱内部，整个氦舱放在真空容器里。盘管内是低温氦流，由低温氦制冷机通过低温冷却管道提供。低温氦舱的温度由低温氦流控制，整个系统的原理见图2。

仪器设备的温度100k高于氦舱冷屏温度20k，在真空环境下，仪器设备产生的热量通过辐射传热的吸收到氦舱紫铜板上，然后紫铜氦板将热量传递给冷却盘管，由低温氦流将热量带走。整个氦舱悬挂在氦舱支架上，为了减少热传导，氦舱和支架之间，支架和基座之间都设计了绝热垫片。

同时，仪器设备要求整个氦舱温度均匀，温差小，故冷却盘管采用多股流并联冷却氦舱，这样低温氦流受热升温后，进出口温差升幅很小，要通过流量计算最佳的冷却流程和冷却流量。

另外，由氦制冷机提供的冷却氦流容许的流阻<0.1bar,对冷却盘管制造要求很高，每一个冷却路采用一根整管，减少接头产生的阻力，弯头必须圆滑不能由皱褶和凹陷，这对紫铜管弯制工艺要求很高，难度很大。

由于仪器设备产生的热量巨大(最大500W)，怎样确保通过辐射传热将热量传导氦舱紫铜板，需要极大提高辐射传热效率。怎样确保紫铜板所吸收的热量传导给紫铜管从而进一步传给冷却氦流，需要优化焊接工艺增加锡焊焊接面积，同时采取多种方法尽量增加紫铜管和紫铜板之间的传热面积。

发明内容

本发明提供一种大换热量低流阻低温氦舱制造方法，详细介绍了生产制造各个环节的制造工艺，制造的低温氦舱，满足了航空航天以及低温真空领域的特殊应用需求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种大换热量低流阻低温氦舱制造方法，包括如下步骤：

(1)根据热负荷及所需冷却流量计算管道阻力，确定冷却并联管道数量；

(2)根据冷却管道和整体板焊接管路分部图，建立传热模型进行校核进出口温差是否到达设计要求；

(3)根据设计确定管道长度及冷却管道流程，铜板根据尺寸要求进行下料，钎焊拼接，校平；

(4)紫铜管、紫铜板清洗除油，利用夹具夹紧，用紫铜压板将冷却铜管和铜板间断铆接在一起，然后采用分部立焊的方法进行低温锡焊；

(5)氦舱支架根据尺寸在钳工平台组装好，然后将氦舱冷屏安装在氦舱支架上；

(6)对氦舱内部进行特制低温黑漆喷涂，增加铜板发射率。

进一步地，步骤(1)中，为了保证来自制冷机的冷却氦流流阻<0.1bar,进行多股流阻力计算。

进一步地，步骤(3)中，确定采用三股流冷却氦舱，采用没有接头紫铜管作为冷却盘，采用低温冷冻的方法弯制冷却盘管。

进一步地，步骤(4)中，紫铜管调直下料，采用专用低温冷冻平台，根据尺寸要求进行弯制。

进一步地，步骤(5)中，整个氦舱冷屏有5块，之间的铜管采取不锈软管进行焊接；然后进行真空氦质谱检漏，确保焊缝没有泄露。

进一步地，步骤(5)中，氦舱冷屏和支架之间安装了绝热垫片。

进一步地，步骤(6)中，在氦舱外部，贴上铝箔。

在确保实现大换热量方面，采取以下几个方面措施：

1、在氦舱冷屏内部，喷涂低温F952黑漆。工艺如下：

a、将预喷的物件按要求保护。

b、预喷的氦舱用丙酮或航空汽油擦净后，待其表面晾干。

c、将F952热沉黑漆摇晃30分钟使其搅匀。待表面晾干或烘干后，进行涂料的喷涂，每次喷涂以不产生流挂现象为宜。每喷涂一次，待其表面晾干后(约10-20分钟)，进行后一次的喷涂，重复8-10次，黑色涂层厚度控制在40-80微米。喷涂完毕。

d、采用热风机将表面吹扫3个小时以上即可。

喷涂上这种F952低温黑漆在20K的低温环境下不容易脱落，涂有低温黑漆的氦舱冷屏变成高发射率板，经过专业测试，反射率>0.92.这就极大提高了辐射换热效率，保证了仪器设备高达500W的热量能通过辐射传热吸收到氦舱冷屏的紫铜板上。

2、为了保证紫铜板和紫铜管之间的热传导，首先采用紫铜压片间隔将铜管和铜板铆压在一起，确保两者之间的紧密贴合，其次优化紫铜管和紫铜板的低温锡焊焊接工艺，不虚焊。采用分部立焊方法(见图3)，利用夹具使铜板树立，焊完铜管的一边，再反过来焊紫铜管另一边，尽量让焊锡填满铜管与铜板之间的缝隙，最后，在焊接结束后，我们在整个冷屏贴上一层专用铝箔(见图4)，再一次大大提高了铜管和铜板之间的传热面积。

3、为了保证来自制冷机的冷却氦流流阻<0.1bar,温差小，首先我们通过多股流阻力计算，再进行模型分析温差符合要求，最后确定采用三股流冷却氦舱，采用DN25X1.5mm没有接头紫铜管作为冷却盘，利用弯管机采用低温冷冻的方法弯制冷却盘管(见图5)，避免了盘管的凹陷和皱褶，以免增加阻力。

4、氦舱支架采用铝合金型材制作，方便拆装及运输，支架和氦舱之间，以及支架和基座之间都设计了导热率极小的G10垫片，减小漏热。

5、氦舱的尺寸较大，为保证尺寸的精确，氦舱支架安装以及氦舱整体组装都要放在钳工平台上组装完成。

本发明的优点是：

1、氦舱冷屏内部采用特殊工艺喷涂专用低温黑漆，提高紫铜板的发射率，使大换热量成为可能。

2、优化锡焊焊接工艺，采用紫铜压片和敷贴专用铝箔大大提高铜板和铜管之间的传导面积，提高了传热效率。

3、采用多股流冷却氦舱，并使用专用设备应用低温冷冻方式弯制冷却盘管。实现氦舱小温差低流阻性能需求。

附图说明

图1为本发明氦舱结构示意图；

图2为本发明氦舱冷却系统原理图；

图3为本发明的氦舱冷屏锡焊工艺图；

图4为本发明氦舱冷屏铝箔敷贴图；

图5为本发明低温冷冻弯制冷却盘管图；

图6为本发明氦舱整体装配外观图。

图中，1-支架，2-冷却盘管，3-紫铜板，4-紫铜压板。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。

如图1所示，整个氦舱主要包括支架1、冷却盘管2、紫铜板3、紫铜压板4等，首先利用紫铜压板4通过铆钉铆压方式将冷却盘管2规定在紫铜板3上，然后将冷却盘管2和紫铜板3通过锡焊焊接在一起(如图3)，这样做成了一块氦舱冷屏，氦舱共有前、后、左、右及顶部5块冷屏。支架1为100X100标准铝合金型材通过可拆紧固件组装而成，冷屏通过可拆螺栓安装在支架1上。

图2为本发明氦舱冷却系统原理图。如图2所示，将仪器设备放在氦舱内部，整个氦舱放在真空容器里。盘管内是低温氦流，由低温氦制冷机通过低温冷却管道提供。低温氦舱的温度由低温氦流控制。

如图3-6所示，大换热量低流阻低温氦舱制造方法实施过程如下：

1、根据热负荷及所需冷却流量计算管道阻力，确定冷却并联管道数量。优选地，为了保证来自制冷机的冷却氦流流阻<0.1bar,进行多股流阻力计算。

2、根据冷却管道和整体板焊接管路分部图，建立传热模型进行校核进出口温差是否到达设计要求。

3、根据设计确定管道长度及冷却管道流程，铜板根据尺寸要求进行下料，钎焊拼接，校平。紫铜管调直下料，采用专用低温冷冻平台，根据尺寸要求进行弯制(如图5)。优选地，确定采用三股流冷却氦舱，采用没有接头紫铜管作为冷却盘，采用低温冷冻的方法弯制冷却盘管。

4、紫铜管、紫铜板3清洗除油，利用夹具夹紧，用紫铜压板4将冷却铜管和铜板间断铆接在一起，然后采用分部立焊的方法进行低温锡焊，焊接后氦舱冷屏清洗后用热氮气吹干(如图3)。

5、氦舱支架1根据尺寸在钳工平台组装好，然后将氦舱冷屏利用螺栓安装在氦舱支架1上，氦舱冷屏和支架1之间安装了G10材料做成的绝热垫片。整个氦舱冷屏有5块，之间的铜管采取不锈软管进行焊接。然后进行真空氦质谱检漏，确保焊缝没有泄露。

6、采用专用工艺对氦舱内部进行特制低温F952黑漆喷涂，增加铜板发射率，在氦舱外部，利用贴上专用铝箔，进一步增加铜管和铜板之间的传热，提高传热效率。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。