低溫面源黑體均溫結(jié)構(gòu)研究

王兆利，張洋洋，李 薇，洪國(guó)同

(1.中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所空間功熱轉(zhuǎn)換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049)

1 引言

近年來(lái)隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，面源黑體的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，例如紅外焦平面陣列探測(cè)器、紅外成像系統(tǒng)及紅外輻射測(cè)溫系統(tǒng)等都需要各種大面積低溫黑體輻射源［1］。目前國(guó)內(nèi)外面源黑體的均溫方式大部分采用熱管或恒溫浴。熱管均溫方式雖然溫度均勻性好，但由于熱管工質(zhì)的限制使得黑體工作溫區(qū)較窄。恒溫浴均溫方式主要缺點(diǎn)是體積較大，系統(tǒng)復(fù)雜［2］。紅外探測(cè)標(biāo)定用的面源黑體，工作溫度為200～450 K，采用脈沖管制冷機(jī)進(jìn)行降溫冷卻，升溫采用電加熱調(diào)溫的方式。由于結(jié)構(gòu)的特殊性不便采用熱管或恒溫浴的均溫方式，因此需要研制一種特殊的均溫結(jié)構(gòu)來(lái)保證上述面源黑體的溫度均勻性。

2 低溫面源黑體的總體結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)室自行研制的一種面源黑體裝置的主體。如圖1所示主體由黑體輻射板、均溫結(jié)構(gòu)、制冷機(jī)冷指、加熱器、支撐、底板、真空杜瓦等組成。均溫結(jié)構(gòu)位于黑體輻射板與制冷機(jī)冷指之間，以解決面源黑體的溫度均勻性問(wèn)題。均溫結(jié)構(gòu)由均溫板和熱阻環(huán)組成。此外，在黑體輻射板的側(cè)面設(shè)制兩塊輻射屏，其中一塊輻射屏與均溫板連接，溫度與黑體輻射板接近，另一塊輻射屏固定在支撐上，與均溫板隔熱連接。這種設(shè)計(jì)的目的是進(jìn)一步減少黑體側(cè)面的漏熱，保證其溫度均勻性。

黑體輻射板和均溫板由低熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度的薄壁不銹鋼筒支撐在杜瓦底板上。脈沖管制冷機(jī)冷指插入杜瓦底板，冷端直接與均溫板壓接。制冷機(jī)冷指重量全部支撐在杜瓦底板上與杜瓦底板密封。

黑體輻射板的直徑為100 mm，材料采用熱導(dǎo)熱率高的金屬，有一定的厚度，通過(guò)金屬的導(dǎo)熱達(dá)到輻射面溫度均勻。為提高面源黑體的發(fā)射率，黑體輻射板表面加工成V形槽同心環(huán)形狀，并且對(duì)表面進(jìn)行了發(fā)黑處理［3－5］。輻射板材質(zhì)選用熱導(dǎo)率較好的鋁，經(jīng)發(fā)黑處理后平面實(shí)測(cè)發(fā)射率達(dá)0.95。

圖1 200－450K面源黑體源結(jié)構(gòu)

3 均溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

面源黑體工作溫度為200～450 K，當(dāng)設(shè)定的工作溫度低于室溫時(shí)開(kāi)啟脈沖管制冷機(jī)，高于室溫時(shí)制冷機(jī)關(guān)閉并啟動(dòng)電加熱。為保證加熱時(shí)熱量也沿黑體板厚度方向傳遞，將加熱器固定在制冷機(jī)冷指上，這樣僅用一塊均溫板就能在全溫區(qū)(高溫和低溫)得到較好的溫度均勻性。制冷和加熱的熱流傳遞路徑是一致的只是方向相反，下文以制冷工況為例說(shuō)明均溫結(jié)構(gòu)的工作原理。

圖2為黑體輻射板、均溫結(jié)構(gòu)和脈沖管制冷機(jī)冷指耦合的結(jié)構(gòu)示意圖。制冷機(jī)冷指直徑14 mm，其表面溫度可認(rèn)為是均勻的。黑體輻射板的正面、側(cè)面和背面與外界有熱交換，這些漏熱最終被脈沖管制冷機(jī)冷指帶走。黑體輻射板表面各點(diǎn)到脈沖管制冷機(jī)冷指?jìng)鳠徇^(guò)程的熱阻不同是造成表面溫度不均勻的主要原因。均溫結(jié)構(gòu)的主要作用是通過(guò)改變熱流傳遞路徑的熱阻使黑體輻射板表面各點(diǎn)到冷指的熱阻近似相等，從而使輻射板溫度均勻。均溫結(jié)構(gòu)包括均溫板和熱阻環(huán)1、2、3如圖2所示。均溫板材料采用導(dǎo)熱較好的紫銅，熱阻環(huán)如圖3所示。熱流通過(guò)接觸面1～8，再經(jīng)均溫板流向冷指，傳熱過(guò)程的熱阻主要有導(dǎo)熱熱阻和接觸熱阻。均溫結(jié)構(gòu)和黑體輻射板之間采用螺釘連接，接觸熱阻取文獻(xiàn)［7］中的數(shù)據(jù)5×10－5m2·K/W。如果黑體輻射板和均溫板結(jié)構(gòu)已確定，導(dǎo)熱熱阻是不變的，而熱阻環(huán)采用不同的材料和尺寸得到不同的熱阻(包括接觸熱阻和導(dǎo)熱熱阻)。要使各傳熱路徑熱阻相同，通過(guò)改變熱阻環(huán)的熱阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。均溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要工作是確定熱阻環(huán)的接觸熱阻和導(dǎo)熱熱阻。由于傳熱的復(fù)雜性，采用ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，最終確定的均溫結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示。熱阻環(huán)厚度為1 mm，熱阻環(huán)1的材料為紫銅，熱阻環(huán)2和3的材料均為不銹鋼。

圖2 均溫結(jié)構(gòu)和傳熱路徑示意圖

圖3 不同尺寸、不同材料的熱阻環(huán)

圖4 均溫結(jié)構(gòu)尺寸

利用有限元軟件ANSYS對(duì)黑體輻射板的溫度分布進(jìn)行了分析計(jì)算。為了對(duì)比均溫結(jié)構(gòu)的均溫效果，分別模擬了無(wú)均溫結(jié)構(gòu)和有均溫結(jié)構(gòu)時(shí)黑體輻射板在低溫和高溫下工作時(shí)的溫度分布，結(jié)果如圖5所示。分析時(shí)計(jì)算假設(shè)環(huán)境溫度為300 K，黑體輻射板與均溫板之間、均溫板與冷指之間的接觸熱阻為5 ×10－5m2·K/W［7］。

圖5中a表示制冷溫度為193 K時(shí)脈沖管制冷機(jī)冷指直接與黑體輻射板壓緊后的溫度分布，中心位置溫度最低，邊緣溫度最高，最大溫差為2.7 K。b表示工作溫度為450 K時(shí)，脈沖管制冷機(jī)冷指直接與黑體輻射板壓緊后的溫度分布，中心溫度最高，邊緣溫度最低，最大溫差9.3 K。c表示在制冷溫度為180 K時(shí)脈沖管制冷機(jī)冷指通過(guò)均溫結(jié)構(gòu)與黑體輻射板壓緊后的溫度分布，由于均溫結(jié)構(gòu)改變了熱阻的分布，黑體輻射板的最低溫度出現(xiàn)在熱阻環(huán)與黑體輻射板接觸的位置，最大溫差為0.03 K。通過(guò)比較a和c發(fā)現(xiàn)要使黑體輻射板獲得相同的表面溫度，有均溫結(jié)構(gòu)時(shí)需要更低的制冷溫度。d表示工作溫度為470 K時(shí)，脈沖管制冷機(jī)冷指通過(guò)均溫結(jié)構(gòu)與黑體輻射板壓緊后的溫度分布，最高溫度出現(xiàn)在熱阻環(huán)與黑體輻射板接觸的位置，最大溫差為0.12 K。比較b和d發(fā)現(xiàn)要使黑體輻射板獲得相同的表面溫度，有均溫結(jié)構(gòu)時(shí)需要更高的加熱溫度。比較發(fā)現(xiàn)無(wú)均溫結(jié)構(gòu)時(shí)面源黑體輻射源表面最大溫差達(dá)9.3 K，有均溫結(jié)構(gòu)時(shí)面源黑體表面最大溫差為0.12 K。模擬結(jié)果表明面源黑體通過(guò)均溫措施獲得較好的溫度均勻性。面源黑體溫度在200～450 K范圍內(nèi)溫度均勻性均小于0.2 K。

圖5 100 mm黑體源表面溫度分布

圖6 黑體板溫度均勻性測(cè)點(diǎn)布置

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

面源黑體的工作溫度范圍為200～450 K，為此針對(duì)面源黑體在該溫區(qū)內(nèi)不同溫度點(diǎn)的溫度均勻性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度300 K，面源黑體腔體內(nèi)的壓力小于1 ×10－3Pa。

黑體輻射板內(nèi)安裝4支鉑電阻溫度傳感器用來(lái)測(cè)量溫度，其中1支用于控溫儀的信號(hào)反饋，另外3支用于檢測(cè)面源黑體溫度的均勻性。

圖6為面源黑體的溫度均勻性測(cè)點(diǎn)位置，四支溫度計(jì)的測(cè)量位置處于黑體輻射板徑向不同深度，其中1號(hào)鉑電阻還用作控溫儀的信號(hào)反饋。

在200～450 K溫區(qū)范圍內(nèi)選取不同溫度點(diǎn)進(jìn)行控溫試驗(yàn)，溫度穩(wěn)定后黑體輻射板在徑向不同位置的溫度數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 不同控溫點(diǎn)黑體輻射板的溫度值

從表中數(shù)據(jù)看出，加熱時(shí)3號(hào)鉑電阻所處位置溫度最高，2號(hào)鉑電阻所處位置溫度最低;制冷時(shí)3號(hào)鉑電阻所處位置溫度最低，2號(hào)鉑電阻所處位置溫度最高，這與溫度模擬結(jié)果是一致的。在200～450 K溫區(qū)范圍內(nèi)，黑體源溫度均勻性≤0.2 K。

5 總結(jié)

提出的均溫結(jié)構(gòu)很好地改善低溫面源黑體的溫度均勻性，結(jié)構(gòu)通過(guò)改變傳熱過(guò)程的熱阻，使黑體輻射板表面各點(diǎn)到制冷機(jī)冷指的傳熱熱阻近似相等，從而獲得較好的溫度均勻性。雖然均溫結(jié)構(gòu)是針對(duì)脈沖管制冷機(jī)制冷的面源黑體提出的，但通過(guò)改變傳熱路徑的熱阻而獲得較好的溫度均勻性的思路，對(duì)其他黑體源的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

［1］Ogarev S A，Samoylov M L，Parfentyev N A，Sapritsky VI.Low－Temperature Blackbodies for IR Calibrationin a Medium－Background Environment［J］.International Journal of Thermophysics，2008，30:77 ～ 97.

［2］徐恒，韓義中，楊永軍.黑體輻射源的發(fā)展［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2009，29:1～3.

［3］張蓉，吳德華，張德功.80－345K連續(xù)調(diào)溫腔型黑體［J］.環(huán)模技術(shù)，1997，50:18～23.

［4］許杰，楊林華，李娜.低溫點(diǎn)源黑體關(guān)鍵技術(shù)及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r［J］.航天器環(huán)境，2011，(28):151～156.

［5］蘆靜華，劉剛，杜海輝.大口徑標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2008，28:49～51.

［6］Oh H－U，Shin S.Numerical study on the thermal design of on－board blackbody［J］.Aerospace Science and Technology，2011.

［7］徐圣亞，洪國(guó)同.真空低溫下螺釘壓緊的Cu－Cu界面間接觸熱阻的實(shí)驗(yàn)研究［J］.真空與低溫，2010，(3):153～157.