斯特林制冷機(jī)耦合超長(zhǎng)線(xiàn)列焦平面探測(cè)器的冷量損失分析

魏露露 陸永達(dá) 張繼宇 陳懷軍 單偉根

(1中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所 合肥 230043)

(2安徽省低溫與制冷技術(shù)省級(jí)試驗(yàn)室 合肥 230043)

1 引言

空間紅外探測(cè)器由單元、多元，發(fā)展到大規(guī)模焦平面，隨著空間紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，空間制冷技術(shù)也得到快速發(fā)展，同時(shí)也對(duì)空間制冷技術(shù)提出了更高的要求［1-2］。為滿(mǎn)足超長(zhǎng)線(xiàn)列焦平面器件的需求，使得器件杜瓦內(nèi)的冷鏈、冷平臺(tái)相關(guān)尺寸增加，導(dǎo)致斯特林制冷機(jī)與器件耦合過(guò)程中，在杜瓦內(nèi)的冷量傳輸損失變大，熱負(fù)荷的增加進(jìn)一步對(duì)斯特林制冷技術(shù)提出更高要求［3］。針對(duì)超長(zhǎng)線(xiàn)列焦平面器件對(duì)制冷性能的要求，開(kāi)展了斯特林制冷機(jī)耦合超長(zhǎng)線(xiàn)列焦平面探測(cè)器的冷量損失特性研究，分析了耦合過(guò)程中冷量損失對(duì)斯特林制冷機(jī)性能的影響，特別是輻射漏熱對(duì)制冷量和降溫時(shí)間的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和模擬計(jì)算對(duì)制冷性能進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，保證焦平面探測(cè)器對(duì)制冷性能的高要求。本文主要針對(duì)大冷量斯特林制冷機(jī)與超長(zhǎng)線(xiàn)列焦平面探測(cè)器耦合過(guò)程中，冷量損失中的熱輻射損失對(duì)具有大冷板的斯特林制冷機(jī)性能的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬對(duì)比分析，為下一步的斯特林制冷機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定良好基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)裝置

圖1 試驗(yàn)裝置耦合結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Coupling structure of experiment

為了測(cè)試?yán)涿钡郊t外焦平面探測(cè)器的冷量傳輸特性及耦合性能，搭建如圖1所示的大冷板斯特林制冷機(jī)耦合的冷量損失試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)過(guò)程中分別采用杜瓦1和杜瓦2進(jìn)行大冷板斯特林制冷機(jī)的冷量傳輸損失試驗(yàn)，其中杜瓦1為鍍鉻和金的不銹鋼杜瓦，內(nèi)表面積為4 190 cm2;杜瓦2為未鍍層的鋁杜瓦，內(nèi)表面積為2 095 cm2，在實(shí)驗(yàn)時(shí)以相同熱容量和體積的紫銅板代替焦平面探測(cè)器芯片，紫銅板表面積為225 cm2。冷帽與紫銅板通過(guò)柔性銅冷鏈連接，減小導(dǎo)熱熱阻并減緩振動(dòng)對(duì)模擬芯片的沖擊，斯特林制冷機(jī)的制冷量由紫銅板內(nèi)的加熱電阻計(jì)算所得。

圖2所示為兩種測(cè)試杜瓦結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖，從A、B兩種結(jié)構(gòu)對(duì)比可以看出傳統(tǒng)測(cè)試杜瓦的杜瓦結(jié)構(gòu)內(nèi)表面積和冷指尺寸面積小，輻射損失對(duì)斯特林制冷機(jī)的制冷性能影響較小，并無(wú)導(dǎo)熱損失;本文測(cè)試杜瓦結(jié)構(gòu)中的杜瓦結(jié)構(gòu)內(nèi)表面積較大，冷指通過(guò)冷鏈與紫銅板構(gòu)成的冷平臺(tái)尺寸面積較大，因此輻射損失對(duì)斯特林制冷機(jī)的制冷性能影響較大，并存在冷指與紫銅板間的導(dǎo)熱損失以及支撐柱的導(dǎo)熱損失。本文主要基于同一冷平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)斯特林制冷機(jī)的制冷性能分析，在不同杜瓦結(jié)構(gòu)及防輻射處理過(guò)程中的導(dǎo)熱損失一定，因此主要針對(duì)輻射損失進(jìn)行研究斯特林制冷機(jī)制冷性能的影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用兩種杜瓦結(jié)構(gòu)，并采用單面鍍鋁滌綸薄膜對(duì)冷指及冷平臺(tái)進(jìn)行防輻射處理，達(dá)到研究熱輻射對(duì)大冷量斯特林制冷機(jī)制冷性能影響的目的。

圖2 測(cè)試杜瓦結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖Fig.2 Contrast of test Dewar

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

如圖3所示，分別為杜瓦1和杜瓦2在未防輻射處理情況下的降溫實(shí)驗(yàn)過(guò)程，在模擬芯片降溫過(guò)程中，經(jīng)歷相同的時(shí)間165 min后趨于平衡，杜瓦2達(dá)到80 K降溫要求，杜瓦1降溫為91 K達(dá)不到降溫要求，同時(shí)如圖4所示，在相同時(shí)間內(nèi)，冷帽都達(dá)到相同溫度75 K，說(shuō)明在相同的試驗(yàn)條件下，杜瓦1與杜瓦2相比存在較大的冷量損失，使得杜瓦1中的模擬芯片的表面溫度達(dá)不到80 K的要求，即在相同的導(dǎo)熱損失下，盡管杜瓦1表面輻射率略小于杜瓦2的表面輻射率，由于其內(nèi)表面積較大，根據(jù)熱輻射基本定律可知杜瓦1存在較大的輻射漏熱，導(dǎo)致斯特林制冷機(jī)的冷量在傳輸過(guò)程中存在較大損失，制冷性能惡化，因此在耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中要提高表面輻射率的同時(shí)減小表面積，達(dá)到減少熱輻射損失，提高冷量傳輸性能的目的。

圖3 不同杜瓦下紫銅板降溫過(guò)程Fig.3 Copper plate cooling process of different Dewar

圖4 不同杜瓦下冷帽降溫過(guò)程Fig.4 Beanie cooling process of different Dewar

為進(jìn)一步檢測(cè)輻射損失在耦合過(guò)程中冷量損失的比重，對(duì)杜瓦2內(nèi)表面、紫銅板和銅帽采用單面鍍鋁滌綸薄膜包裹和未包裹兩種方式進(jìn)行防輻射處理，以檢測(cè)輻射漏熱對(duì)降溫時(shí)間和制冷量的影響。

如圖5和圖6所示，在防輻射鋁箔包裹的情況下，紫銅板125 min時(shí)到達(dá)80 K，此時(shí)冷帽的溫度為71 K，隨時(shí)間進(jìn)行冷帽和紫銅板的溫度繼續(xù)降低;在未防輻射處理的情況下，紫銅板經(jīng)歷170 min達(dá)到80 K，此時(shí)冷帽的溫度為66 K，溫度漸漸趨于平衡，因此在防輻射包裹的情況下，一方面減少冷帽和紫銅板間的溫差，同時(shí)減少了降溫時(shí)間，增加了斯特林制冷機(jī)的冷量傳輸能力和制冷量，在未防輻射處理的情況下，冷帽和紫銅板的溫差大大增加，降低斯特林制冷機(jī)的冷量傳輸能力和制冷量，由圖5和圖6得出，在防輻射處理和未防輻射處理的情況下，輻射漏熱對(duì)斯特林制冷機(jī)在耦合過(guò)程中的冷量傳輸性能有較大影響。

圖5 防輻射與未防輻射下紫銅板降溫過(guò)程Fig.5 Copper plate cooling process of different radiation

圖6 防輻射與未防輻射下冷帽降溫過(guò)程Fig.6 Beanie cooling process of different radiation

4 模擬對(duì)比分析

由之前實(shí)驗(yàn)結(jié)果的制冷性能可知，輻射漏熱對(duì)整個(gè)耦合過(guò)程有較大影響，采用模擬計(jì)算對(duì)防輻射和未防輻射處理的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析，模擬過(guò)程中假定防輻射包裹的杜瓦內(nèi)表面、紫銅板和冷帽的輻射率為0，而未進(jìn)行防輻射處理時(shí)的杜瓦內(nèi)表面、紫銅板和冷帽的輻射率根據(jù)相應(yīng)材料屬性設(shè)置其表面輻射率。

圖7為杜瓦2在防輻射處理和未防輻射處理情況下，具有大冷板斯特林制冷機(jī)與焦平面探測(cè)器耦合過(guò)程中制冷量隨溫度變化圖。從圖中可以看出杜瓦2在未防輻射處理時(shí)，紫銅板溫度為了穩(wěn)定在80 K時(shí)，其制冷量為1 W;在防輻射處理時(shí)，紫銅板在80 K時(shí)的制冷量為3.2 W，制冷量提升了3.2倍，并在71 K時(shí)有1.6 W的制冷量，對(duì)杜瓦、紫銅板和冷帽采用單面鍍鋁滌綸薄膜包裹到達(dá)防輻射處理的目的，大大減少了斯特林制冷機(jī)與焦平面探測(cè)器耦合過(guò)程中的輻射漏熱，提高了斯特林制冷機(jī)的綜合性能。

如圖8所示為模擬杜瓦內(nèi)表面、紫銅板和冷帽在杜瓦2內(nèi)進(jìn)行防輻射處理情況下的紫銅板溫度分布情況，其中圖8aˉ圖8c加載制冷量分別為:1.6，2.5，3.2 W，與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的制冷量相同，從模擬結(jié)果可以看出紫銅板的溫度分布較為均勻，最高溫度均在中心孔熱電阻加載位置處，模擬溫度結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有良好的一致性。

圖7 防輻射與未防輻射下的制冷量Fig.7 Cooling capacity of different radiation

圖8 防輻射處理下紫銅板的溫度分布情況Fig.8 Copper plate temperature of no radiation

圖9 未放輻射處理下紫銅板溫度分布情況Fig.9 Copper plate temperature of radiation

圖9為模擬杜瓦內(nèi)表面、紫銅板和冷帽在杜瓦2內(nèi)未防輻射處理情況下的制冷量，紫銅板加載制冷量為1 W。從圖中可以得知紫銅板的溫度均勻性較好，其制冷量、紫銅板表面溫度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)得基本一致。

通過(guò)模擬分析對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有良好的一致性，說(shuō)明為了提高斯特林制冷機(jī)與超長(zhǎng)線(xiàn)列焦平面探測(cè)器耦合的制冷性能，可以提高杜瓦、紫銅板和冷帽等的發(fā)射率，減少輻射損失，對(duì)杜瓦表面進(jìn)行相應(yīng)處理，同時(shí)通過(guò)模擬計(jì)算分析耦合過(guò)程的損失分布情況，有利于在優(yōu)化設(shè)計(jì)階段采取相應(yīng)措施，提高耦合的綜合性能。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)大冷量斯特林制冷機(jī)與超長(zhǎng)線(xiàn)列焦平面耦合過(guò)程中出現(xiàn)的冷量損失進(jìn)行模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析，性能曲線(xiàn)顯示不同方式的杜瓦對(duì)紫銅板和冷帽的降溫時(shí)間和制冷量有較大影響，解決大冷量斯特林制冷機(jī)與超長(zhǎng)線(xiàn)列焦平面耦合過(guò)程中漏熱問(wèn)題，特別是輻射漏熱，對(duì)整個(gè)耦合系統(tǒng)有積極作用。

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