2. 中国电子科技集团第十六研究所, 安徽 合肥 230031)
2. The 16th Research Institute of CETC, Hefei 230031, Anhui, China
传统分置式斯特林制冷机的冷量传输中, 主要是将红外探测器直接与斯特林制冷机冷头端面耦合[1-2], 此种方式利于装配、真空排气、引线处理等工作, 维修方便, 具有冷量传输效率高, 冷量损失小, 寿命较长等优点[3-6], 适用于小冷量的斯特林制冷机, 在红外探测器装置中有着广泛的应用。然而为了提高视场面积和地面分辨率, 大规模超长线列扫描成像与大面阵凝视成像技术将作为重要发展方向[6-8], 因此需要用大冷量斯特林制冷机满足探测器对冷量的要求。
目前大规模超长线列的红外探测器与斯特林制冷机冷头端面耦合主要采用间接方式[9-13], 由冷链进行耦合, 此种方式主要依靠冷链来传递冷量, 支撑柱起到支撑整个平台的作用。冷链传输的优点是能满足长距离冷量传输的要求[14-15], 并且自身的柔韧性能减少制冷机本身振动对探测器的影响, 但增加冷链的同时导致制冷量损失增加[16]。针对大冷量斯特林制冷机与超长线列红外探测器耦合中的冷量传输损失, 包括热辐射损失、导热损失及耦合损失进行试验研究, 对大冷量斯特林制冷机应用中优化设计大冷量传输性能、制冷性能和机械性能有重要指导意义。
1 研究内容及试验装置为研究热辐射损失、导热损失及耦合损失对斯特林制冷机传输性能、制冷性能和机械性能的影响, 主要从以下几方面进行试验研究:
(1) 不同杜瓦结构下的辐射影响;(2) 防辐射处理与未防辐射下的辐射影响;(3) 支撑柱的导热影响;(4) 冷链的耦合影响。
针对4个方面的影响分布搭建相应的导热损失、辐射损失以及耦合损失试验平台, 见图 1~3。图 2中杜瓦1为未镀防辐射层的铝杜瓦, 内表面积为2095cm2;杜瓦2为镀铬和金的不锈钢防辐射杜瓦, 内表面积为4190cm2;图 3在试验时以相同热容量和体积的紫铜板代替焦平面探测器芯片, 紫铜板表面积为225cm2, 质量为700g。斯特林制冷机的冷头与紫铜板通过6层0.1mm厚的柔性铜冷链连接, 采用此种冷链可以减小导热热阻并减缓振动对模拟芯片的冲击, 提高实际过程中芯片的稳定性和温度均匀性;针对冷量传输过程中的辐射采用单面镀铝涤纶薄膜对冷头、冷链及紫铜板进行包裹防辐射处理, 首先采用单面镀铝涤纶薄膜自带的岩棉纸对冷头、冷链、紫铜板包覆, 采用8层岩棉纸, 起到隔热作用, 然后采用2～4层的薄膜进行包覆, 起到防辐射作用;为减小导热传输损失, 支撑紫铜板的支撑柱由钛合金支撑柱和热绝缘材料支撑柱两部分组成。斯特林制冷机的制冷量由紫铜板内的加热电阻和加载电阻两端的电压计算所得, 试验过程中的测温统一采用标定过的三极管测得, 并由安捷伦数据采集仪实时采集三极管变化情况。
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图 1 大冷量传输试验装置图 Figure 1 High capacity transmission test device |
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图 2 不同杜瓦结构对比 Figure 2 Comparison of different Dewar structures |
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图 3 测试结构示意图 Figure 3 Schematic diagram of test structure |
由于模型芯片的紫铜板在80K以下才能满足探测器芯片的正常工作环境, 见图 4, 分别为杜瓦1和杜瓦2在未防辐射处理情况下的降温Tcool过程, 在模拟芯片降温过程中, 经历相同的时间165min后趋于平衡, 杜瓦1达到80K, 满足降温要求;杜瓦2降温为91K, 达不到降温要求, 说明在相同的试验条件下, 杜瓦2与杜瓦1相比存在较大的冷量损失, 使得杜瓦2中的模拟芯片的表面温度达不到80K的要求, 即在相同的导热损失下, 尽管杜瓦2表面辐射率略小于杜瓦1的表面辐射率, 由于其内表面积较大, 根据热辐射基本定律可知杜瓦2存在较大的辐射漏热, 导致斯特林制冷机的冷量在传输过程中存在较大损失, 制冷性能恶化, 因此在耦合优化设计过程中要提高表面辐射率的同时减小表面积, 达到减少热辐射损失, 提高冷量传输性能的目的。
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图 4 两种杜瓦结构时降温对比 Figure 4 Comparison of different cooling Dewar structures |
为进一步研究冷链的辐射损失、紫铜板的辐射损失, 分别进行全包裹处理、冷链不包裹紫铜板包裹处理以及全不包裹处理。由如图 5可以看出在经历130min后, 全包裹情况下紫铜板温度达到65K;仅紫铜板包裹, 冷链未包裹情况下紫铜板温度达到68.8K;全不包裹情况下紫铜板温度达到85K。由此对比全包裹处理时的温度, 在仅紫铜板包裹, 冷链未包裹情况下的温升为3.8K, 全不包裹处理情况下的温升为20K, 说明防辐射处理有利于冷量的传输和提高组件制冷性能, 同时说明紫铜板的热辐射损失大于冷链的热辐射损失。
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图 5 辐射对降温影响 Figure 5 Effect of radiation on cooling |
如图 6所示在全包裹防辐射处理情况下, 紫铜板温度到达平衡时镀铝薄膜的温度为198K, 说明采用镀铝薄膜有效的隔绝了紫铜板对空间的辐射, 减少辐射损失, 同时在辐射损失方面还有待进一步提高, 以提高斯特林制冷量性能达到提高紫铜板表面的制冷量;热绝缘材料支柱温度为224K, 说明此时采用的热绝缘支柱有效隔绝紫铜板与环境之间的导热。
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图 6 防辐射处理下降温过程 Figure 6 Cooling process for radiation protection |
为进一步研究支撑柱对导热损失的影响, 如图 7所示, 在采用2个支撑柱和4个支撑柱的情况下, 紫铜板降温过程趋于一致, 说明采用热绝缘材料支撑柱有效的解决了支撑柱的导热损失。
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图 7 支撑柱对降温影响 Figure 7 Effect of support column on cooling |
在试验过程中发现导热损失不仅有支撑柱的导热, 也存在于冷指与紫铜板之间连接的冷链耦合损失, 冷链层数的厚度影响冷量传输的横截面积, 同时层与层之间接触损失对冷量传输过程也有一定影响。在图 8中分别采用1层0.6mm紫铜板组成的冷链, 6层0.1mm紫铜箔组成的冷链及12层0.1mm紫铜箔组成的冷链一端耦合冷指, 另一端与紫铜板下表面连接。从图 8中可以看出采用1层0.6mm的冷链冷量传输效果最佳, 但1层冷链的刚度也最大, 在实际使用过程中, 由斯特林制冷机振动对芯片产生的影响也最大;采用6层0.1mm紫铜铂组成的冷链的冷量传输效果次之, 因为随着冷链紫铜铂层数的增加, 层与层之间的接触热阻增加, 导致冷量传输损失增加, 故12层0.1mm紫铜箔组成的冷链的冷量传输效果最差, 但由6层0.1mm紫铜箔组成的冷链柔韧度效果大于1层0.6mm紫铜板和12层0.1mm紫铜铂组成的冷链。因此在考虑冷链冷量传输性能的同时需要考虑芯片使用环境对振动的需求, 本试验过程中采用的由6层0.1mm紫铜箔组成的冷链综合性能最佳。
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图 8 冷链对降温影响 Figure 8 Effect of cold chain on cooling |
针对大冷量斯特林制冷机与超长线列焦平面耦合过程中的导热损失、辐射损失以及耦合损失进行试验研究, 通过制冷机与探测器耦合的3种方式与制冷机制冷温度的性能曲线关系可以看出不同方式对斯特林制冷机的降温时间有较大影响, 不同方式对降温时间影响的研究对有效解决大冷量斯特林制冷机与超长线列焦平面探测器耦合冷量损失大的难题, 有效地提高大冷量斯特林制冷组件的制冷效率, 为今后该领域的进一步优化工作打下了坚实的基础。
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