吴明勋 何兴伟 吴亦农 纪国林
摘要：本文提出了一种双光路超长线列红外探测器的制冷方案，并在数值模拟和理论计算的基础上，对影响传热温差、红外探测器温度均匀性因素进行了分析。在此基础上，重点开展该制冷方案的冷量传输特性实验研究。
关键词：机械制冷 超长线列 焦平面 冷量传输
本文的研究对象，超长线列红外焦平面与制冷机耦合系统采用间接耦合方式，其结构如图1所示。该系统有两个波段，每个波段探测器的工作温度为100K，由一台斯特林制冷机制冷，试验时也可由液氮杜瓦代替。探测器冷平台尺寸约为200×40，制冷机冷头通过柔性冷链连接与之相连。为了实现探测器温度均匀性的目标，每个冷平台上都安装了5条由SITP研制的一种新型的柔性冷链。其由厚度为0.05mm或0.1mm的紫铜片构成。经测试得到，该冷链具有很高的热导率，且具有较大柔度。
本耦合系统的热学目标是在斯特林制冷机提供6W@95K的制冷量时，探测器冷平台的温度达到100K，冷箱的寄生漏热达到使用要求。
由于需要进行多点制冷，柔性冷链两端的空间位置关系和冷链的折弯余量决定了冷链的长度不都相同，因此需计算确定不同冷链的厚度，进而确定每条冷链所需铜片的数目n，如式(1)：
(1)
Q—每条冷链需传输的热量；
L—冷链的长度；
—热导率；a —冷链宽度;
b—组成冷链的铜片厚度；
由于耦合系统内部结构复杂，且存在很多不确定因素，要建立一个精确的热力学模型来研究冷平台的温度均匀性是比较费力的，因此需要对模型进行简化。如图2所示，
图2 探测器冷平台热分析模型示意图
冷平台的得热包括：
Qg―探测器本身产生的热量
Qr－外壳的辐射漏热
Qc－通过支撑的传导漏热
而Q0为通过冷链传走的热量，根据能量守恒可知：
Q0= Qg+ Qr+ Qc
Qr的数值可以根据式(2)近似计算得
T1、T2分别为外壳和冷平台的温度；
F1、F2分别为外壳的内表面积与冷平台的估算面积；
Qc可由式(3)算得：
(3) 为支撑的热导率；D、d分别为支撑的粗端外经与细端外经；
为薄壁支撑厚度； 分别为粗端与细端温度，可通过试验以往的实验数据中得到；L为支撑高度；
假设冷平台的支撑部件及冷链从周围通过辐射得到的热量可以近似地转移到冷平台上，即包含于Qr中。此时冷链传热特性为线性，即(1)式是可行的。
同时假设Qr+ Qc为等效冷平台体积热而作用于整个冷平台上，而Qg由于是探测器所耗散的热，故作用于冷平台的表面。
冷平台上冷链的布置点均匀分布于中间线上，当用6W@95K斯特领制冷机制冷时，其温度理论值应该为设计温度100K。
根据上述模型通过数值计算得到的结果如图3所示。
图3 探测器冷平台的温度场
从计算结果中可以看出冷平台的温度均匀性较好。
3 冷量传输试验
3.1 试验台
为了测试系统从冷指到冷平台的传热特性以及冷平台温度均匀性，我们搭建了如图4所示的试验平台。由液氮杜瓦代替斯特林制冷机进行试验。冷箱内部的关键部位上共布置了27个Pt100电阻温度传感器，每个Pt电阻通过三点法标定（液氮、冰水混合物、常温）。为减小漏热，信捷职称论文写作发表网，Pt电阻与冷箱电缆接口处用Ф0.1的锰铜丝连接。为了模拟红外探测器的耗散热，在一个探测器冷平台的上安装了4片相互串连的30×30的薄膜加热片，以提供总量为0.7—1w的加热量。
图4 冷量传输试验台
1－液氮杜瓦；2－冷箱底板；
3－箱体罩；4－数据采集引线
3.2 试验步骤
实验时，先对系统抽真空，同时对液氮杜瓦内的活性炭加热，以使其尽量放气，直至真空升至5×10－6 Pa。这个过程进行了约2小时。
然后启动温度自动采集系统，将液氮灌入液氮杜瓦中，此时可以记录冷箱内部各点温度变化的过程。试验刚开始时，液氮蒸发量较大，液氮杜瓦管口有明显的雾气，随着冷箱内部部件温度的降低，液氮蒸发量逐渐变小，约3小时后管口仅有少量雾气。约4小时后，系统达到稳定状态。
随后接通加热电源，给冷平台加热1W，经过约1.5小时后达到稳定。
随后将加热量变为0.7W，约1小时后，达到稳定。
3.3 实验结果和分析
中波冷平台中心点、液氮杜瓦冷头及冷平台钛合金支撑的上下端在无加热时的降温曲线如图5所示。可以发现，系统经过约4小时达到稳定状态。
图5 降温曲线图
中波、短波冷平台上各测温点在无加热、加热0.7W、加热1W时的温度分别如图6、图7所示，图中横坐标的数值表示温度传感器的编号。
图6 中波冷平台各测温点温度
图7 短波冷平台各测温点温度
各工况下冷平台平均温度、液氮杜瓦冷头温度如表1所示。
表1 冷平台与冷头温度汇总
工况
中波冷平台平均温度(K)
短波冷平台平均温度(K)
冷头(K)
中波冷平台与冷头∆T(K)
短波冷平台与冷头∆T(K)
无加热
103.6
106.6
98.5
5.1
8.1
加热0.7W
104.9
109.4
99.9
5
9.5
加热1W
105.4
110.6
100.5
4.9
