大面陣紅外探測器冷平臺仿真設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

黃 燕，陸永達(dá)，張 鎧，朱魁章

（中國電子科技集團(tuán)公司第十六研究所 低溫技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088）

0 引言

高分辨率紅外成像系統(tǒng)在機(jī)載光電雷達(dá)、紅外搜索與跟蹤、全天候偵察監(jiān)控等領(lǐng)域的需求越來越迫切。HgCdTe紅外焦平面探測器仍然在紅外探測領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，并向大面陣化、雙色甚至多色化、高工作溫度、低功耗和低成本方向發(fā)展[1]。拼接技術(shù)的出現(xiàn)使得HgCdTe紅外焦平面探測器在大面陣化方面取得了長足的進(jìn)步[2]。英國SELEX公司[3]通過拼接技術(shù)形成了16M規(guī)格的超級陣列，大幅拓展了探測器的探測范圍和精度。為了滿足用戶對采用拼接技術(shù)制備低溫HgCdTe紅外焦平面探測器的需求，中電16所在原有分置式制冷機(jī)的基礎(chǔ)上研制了一款大冷量、長壽命的低溫制冷機(jī)。由于制冷機(jī)的冷頭較小，無法直接支撐和冷卻拼接后的探測器，必須通過大尺寸集成冷板設(shè)計(jì)和斯特林制冷機(jī)與長線列紅外探測器耦合集成等[4-5]，才能實(shí)現(xiàn)低溫HgCdTe紅外焦平面探測器的應(yīng)用[6]。本文采用設(shè)計(jì)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，模擬及測試?yán)浒褰Y(jié)構(gòu)及熱力學(xué)性能，期望有效地解決大尺寸HgCdTe紅外焦平面探測器的支撐問題[7]。

1 大尺寸冷平臺設(shè)計(jì)

大面陣紅外冷平臺由冷板、輔助支撐柱、柔性冷鏈等組成，尺寸為136 mm×70 mm，紅外探測器及其附件的總質(zhì)量為700 g，模擬冷板的質(zhì)量應(yīng)不小于700 g。根據(jù)紅外探測器的工作要求：模擬冷板須提供制冷量≥4.5 W@80 K（環(huán)境溫度296 K±5 K），冷板溫度均勻性要求≤1 K，冷板熱應(yīng)力變形要求≤1 mm，冷平臺必須滿足力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)要求。為此設(shè)計(jì)須考慮的重點(diǎn)問題有多點(diǎn)冷卻間接耦合技術(shù)、柔性冷鏈設(shè)計(jì)、冷板溫度均勻性設(shè)計(jì)及熱應(yīng)力設(shè)計(jì)等。

1.1 集成冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行冷板與制冷機(jī)冷指耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)僅僅依靠薄壁筒狀結(jié)構(gòu)的冷指直接連接無法滿足探測器組件耐受振動、沖擊等力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)的要求。因此，必須對冷板進(jìn)行輔助支撐設(shè)計(jì)。輔助支撐采用金屬和夾布膠木棒的兩段式支撐結(jié)構(gòu)，金屬部分與冷板通過螺紋連接并固定，可以保證支撐與冷板的垂直度；金屬支撐部分與膠木棒支撐部分用高強(qiáng)度螺紋連接，保證連接強(qiáng)度；膠木棒底端與膨脹機(jī)法蘭通過金屬壓塊壓緊，再配合以螺紋連接將膠木棒緊固在膨脹機(jī)法蘭上。由于膠木棒的強(qiáng)度較金屬棒低，因此選用的直徑較大以滿足強(qiáng)度要求。采用兩段式的冷板輔助支撐結(jié)構(gòu)，既可以滿足強(qiáng)度要求，又可以利用膠木棒較低的熱導(dǎo)率特性降低冷板向膨脹機(jī)法蘭的導(dǎo)熱量，減小探測器冷平臺熱損失。同時(shí)，為了降低漏熱，將金屬支撐部分表面鍍金，降低表面的熱輻射率，減少輻射漏熱量，提高膨脹機(jī)冷量的利用率。設(shè)計(jì)的冷板與輔助支撐如圖1所示。

圖1 冷板與輔助支撐結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Schematic diagram of cold plate and auxiliary support structure

1.2 多點(diǎn)冷卻耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了降低制冷機(jī)振動對紅外探測器的影響，冷平臺與制冷機(jī)冷頭之間采用間接耦合技術(shù)，通過導(dǎo)熱性能很好的柔性冷鏈連接制冷機(jī)冷頭和冷板，將制冷機(jī)冷頭產(chǎn)生的冷量傳遞到冷板上，冷板材料選用與芯片熱耦合匹配的鉬銅合金材料。為提高冷板的溫度均勻性采用多點(diǎn)冷卻技術(shù)，冷鏈設(shè)計(jì)為左、中、右三部分的分體式結(jié)構(gòu)，兩端分別通過壓板壓在冷頭和冷板上，用螺釘固定壓板，形成對冷板的多點(diǎn)冷卻效應(yīng)。協(xié)同設(shè)計(jì)冷板冷卻點(diǎn)位置與冷板的溫度均勻性，將柔性冷鏈冷端各部分重疊并壓緊固定在冷頭上，以增強(qiáng)傳熱邊界條件的一致性[3]。通過增加冷鏈與冷板之間的導(dǎo)熱面積，優(yōu)化各部分冷鏈的截面積，強(qiáng)化冷鏈與冷板的接觸狀態(tài)，減小冷板各部分間的傳熱熱阻，提高冷板的溫度均勻性。多點(diǎn)冷卻熱耦合結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 冷平臺多點(diǎn)冷卻熱耦合結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic diagram ofmulti-pointcooling thermal coupling structure of cooled platform

將柔性冷鏈設(shè)計(jì)成多層柔軟薄紫銅片并聯(lián)結(jié)構(gòu)，將冷鏈在特定位置壓制折彎，以減小冷鏈變形后產(chǎn)生的應(yīng)力，降低冷鏈在安裝過程中因變形對冷板和冷頭的拉伸或者擠壓作用，避免冷指受力變形[8-9]。

柔性冷鏈設(shè)計(jì)主要根據(jù)冷平臺正常工作溫度80 K所需制冷量的要求[10-11]，并考慮冷平臺輻射漏熱、輔助支撐傳導(dǎo)漏熱、引線漏熱等損失，其總傳熱量可由式（1）計(jì)算得到：

式中：Q0為冷鏈傳遞的冷量，W；Qg為冷板要求制冷量，4.5 W；Qr為冷平臺的輻射漏熱，0.4 W；Qc1為輔助支撐的傳導(dǎo)漏熱，1 W；Qc2為引線的傳導(dǎo)漏熱，0.6 W。

計(jì)算得到冷鏈傳遞的冷量為Q0=6.5 W（296 K）?？紤]到冷頭與冷平臺之間的傳熱溫差，選用能提供制冷量為6.5 W@77 K（296 K）的斯特林制冷機(jī)冷頭。

由于采用多點(diǎn)冷卻，為了保證柔性冷鏈傳熱的均勻性，柔性冷鏈的三部分結(jié)構(gòu)須采用不同截面積及長度參數(shù)，在冷鏈寬度一定的條件下還須計(jì)算不同柔性冷鏈的厚度。得到的結(jié)果為，柔性冷鏈采用柔性紫銅帶制作，左右兩根冷鏈結(jié)構(gòu)對稱，長度均為50 mm，中間冷鏈長度為30 mm，冷鏈寬度均為42 mm，冷鏈的單層紫銅片厚度為0.1 mm。假設(shè)每部分冷鏈所需的銅片層數(shù)為n，則：

式中：Q為每條冷鏈傳遞的冷量，W；L為冷鏈的長度，mm；λ為紫銅的熱導(dǎo)率，400 W/m·K；a為冷鏈寬度，mm；δ為冷鏈單層材料厚度，mm；ΔT為冷鏈兩端溫差。

通過計(jì)算，得到左、右兩根冷鏈為10層，中間為6層，如圖3所示。

圖3 柔性冷鏈結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Flexible cold chain structure diagram

2 仿真分析和試驗(yàn)

大尺寸冷平臺設(shè)計(jì)技術(shù)中主要考慮輔助支撐和冷板在各種力學(xué)環(huán)境下的強(qiáng)度適應(yīng)性以及輔助支撐的導(dǎo)熱問題。由于輔助支撐采用的是鈦合金及膠木棒的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，為了簡化仿真流程，降低仿真難度，將輔助支撐合并成一個整體，但是輔助支撐材料仍然分段設(shè)定并與實(shí)際保持一致。

（1）輔助支撐熱學(xué)仿真

熱學(xué)仿真主要是對輔助支撐的漏熱量進(jìn)行仿真計(jì)算。在仿真中，設(shè)置輔助支撐上、下端的溫度或者溫差后求解，可得到輔助支撐的熱流量。仿真結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，輔助支撐結(jié)構(gòu)能滿足支撐強(qiáng)度要求，其漏熱量也比較小，單根輔助支撐冷損不大于0.25 W，4根支撐柱總漏熱量不大于1 W。

圖4 輔助支撐結(jié)構(gòu)熱仿真結(jié)果Fig.4 Thermal simulation resultof auxiliary supportstructure

（2）冷板的熱應(yīng)力仿真

冷板熱學(xué)仿真的目的是評價(jià)溫度變化時(shí)由熱應(yīng)力引起的冷板變形量是否滿足大面陣紅外探測器芯片的要求。芯片在低溫條件下工作，可能會因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生的熱應(yīng)力引起形變使其與冷板之間的黏接失效而脫落，或被拉裂而損壞。影響最大的是冷板與芯片面垂直方向，冷板在該方向的變形將會嚴(yán)重影響芯片與冷板的貼合度，因此，仿真分析主要集中于低溫下冷板沿法線方向的變形。冷板的熱應(yīng)力變形主要取決于鉬銅材料在不同溫度下產(chǎn)生的應(yīng)力和材料的抗彎剛度，輸入冷板工作溫度條件和材料的抗彎剛度可獲得冷板的法向變形量，如圖5所示。仿真結(jié)果表明冷平臺的法向變形小于1 mm，滿足芯片使用的環(huán)境要求。

圖5 冷平臺的熱應(yīng)力仿真圖Fig.5 Thermalstress simulation of cold platform

（3）力學(xué)仿真

為了滿足力學(xué)及可靠性要求，對冷平臺和制冷機(jī)冷頭耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了正弦振動和隨機(jī)振動的力學(xué)仿真分析，試驗(yàn)條件分別如表1和表2所列。在正弦振動仿真分析中，給定的邊界條件為固定面和固定面上設(shè)置的正弦隨機(jī)振動，仿真分析結(jié)果如圖6所示。由仿真結(jié)果可知，制冷機(jī)冷頭部分在15～100 Hz的范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)諧振，與冷平臺表面平行的兩個方向振動變形相對較大，70 Hz時(shí)X向（冷平臺寬度方向）最大變形量為0.047 mm，遠(yuǎn)小于材料的性能極限?？烧J(rèn)為在這個頻率范圍內(nèi)集成冷平臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，輔助支撐和冷板設(shè)計(jì)滿足要求。

表1 正弦振動試驗(yàn)條件Tab.1 The condition of sinusoidalvibration

表2 隨機(jī)振動試驗(yàn)條件Tab.2 The condition of random vibration

圖6 正弦振動仿真設(shè)計(jì)結(jié)果Fig.6 Simulation resultdiagram of sinusoidalvibration

隨機(jī)振動的仿真分析如圖7所示。選取X、Y、Z三個方向上變形最大的一個方向Y，最大應(yīng)力約419 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)位于氣缸上，該值約為鈦合金屈服強(qiáng)度（大于930 MPa）的50%?？烧J(rèn)為隨機(jī)振動過程中集成冷平臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，輔助支撐和冷板設(shè)計(jì)滿足要求。

圖7 隨機(jī)振動仿真設(shè)計(jì)結(jié)果Fig.7 Simulation resultof random vibration

（4）力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)

為了驗(yàn)證冷平臺和制冷機(jī)冷頭耦合結(jié)構(gòu)能否滿足力學(xué)環(huán)境要求，對制冷機(jī)進(jìn)行了正弦振動和隨機(jī)振動力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表1、表2所列。振動試驗(yàn)后輔助支撐和冷板無明顯變形，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；振動前后冷頭提供的制冷量無明顯變化，試驗(yàn)結(jié)果與力學(xué)仿真設(shè)計(jì)結(jié)果吻合。

3 冷平臺溫度均勻性分析

（1）冷平臺溫度均勻性設(shè)計(jì)和仿真

冷平臺溫度均勻性通過冷板材料、結(jié)構(gòu)形狀和冷鏈連接位置的協(xié)同來保證。冷板材料應(yīng)兼顧溫度均勻性和熱應(yīng)力要求，采用鉬銅作為冷板材料，其導(dǎo)熱率與強(qiáng)度均能滿足器件耦合變形的要求。冷平臺溫度均勻性的仿真采用有限元仿真中的熱學(xué)分析，所涉及的材料導(dǎo)熱系數(shù)為：鉬銅180 W/（m·K）、紫銅407 W/（m·K）、鈦合金11 W/（m·K），輔助支撐夾布膠布0.42 W/（m·K）。溫度均勻性仿真計(jì)算的邊界條件為：（1）冷指冷端加載恒定溫度77.000 K；（2）冷指熱端加載恒定溫度313.150 K；（3）冷板表面均勻加載5 W熱流，模擬探測器熱負(fù)載。分別如圖8中的A、B、C所示區(qū)域。

圖8 仿真分析邊界條件Fig.8 Simulation analysisof boundary condition

經(jīng)過分析計(jì)算，冷板表面溫度分布云圖如圖9所示?？梢钥闯?，最高溫度80.192 K，最低溫度為79.453 K，最大溫差為0.749 K。

圖9 冷板溫度分布云圖Fig.9 Temperature distribution of cooling plate

（2）溫度均勻性試驗(yàn)結(jié)果與分析[12]

在編號為01#和02#的制冷機(jī)冷平臺上進(jìn)行溫度均勻性測試試驗(yàn)。冷平臺上安裝5支測溫二極管，測溫二極管經(jīng)過室溫和液氮溫度的比對標(biāo)定，在液氮溫度范圍內(nèi)的誤差均小于0.2 mV，可以保證冷平臺溫度測量的準(zhǔn)確性。測試時(shí)將制冷機(jī)及冷平臺置于溫箱內(nèi)，設(shè)定環(huán)境溫度為296.000 K，制冷機(jī)通電，待冷平臺溫度低于80.000 K后，加載適當(dāng)?shù)哪M熱負(fù)載，使制冷機(jī)冷平臺溫度穩(wěn)定在80.000 K左右，測量平臺冷板上設(shè)置的5個點(diǎn)的溫度值，分別對01#和02#冷平臺試驗(yàn)三次，獲得六組共30個溫度值，每次試驗(yàn)的最大溫度與最小溫度之差為冷平臺溫度均勻性值，試驗(yàn)結(jié)果如表3所列。

從表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，01#制冷機(jī)冷平臺的溫度均勻性約為0.839 K，02#制冷機(jī)冷平臺的溫度均勻性約為0.919 K。試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算的誤差很小，滿足大面陣紅外探測器對冷平臺溫度均勻性的要求。

表3 制冷機(jī)冷平臺溫度均勻性試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Tem perature uniform ity test resultsof cryocooler cold p latform

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的多點(diǎn)冷卻柔性冷鏈結(jié)構(gòu)，在高效導(dǎo)熱的同時(shí)能夠隔離振動；在正弦和隨機(jī)振動條件下的熱力學(xué)仿真和試驗(yàn)測試證明，冷平臺變形很小，不大于1 mm，溫度均勻性不大于0.919 K，滿足大面陣紅外探測器冷板變形≤1 mm、溫度均勻性≤1 K的工作要求。