1、空间机械制冷超长线列红外焦平面探测器的冷量传输特性研究吴明勋 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 0 前言大规模超长线列扫描成像和凝视成像是航天光学遥感器的重要发展方向，它能够大大地提高视场面积和地面分辨率。红外探测器通常工作在低温下,因此需要用到低温制冷设备，如辐射制冷器、储能式制冷器、机械制冷机等。机械制冷机体积小、冷量大、安装方式灵活，且可靠性日益提高，因此在红外
2、遥感系统中的应用越来越广泛。超长线列红外器件与制冷机的耦合方式通常为间接耦合，即探测器与制冷机冷头之间通过柔性“冷链”连接。这种方式可以明显地降低冷指振动对探测器的影响，且制冷机与探测器的设计位置也比较灵活，可以实现多点制冷。但由于在超长线列的焦平面系统中，冷平台的尺寸很大，单冷源多点制冷可能会造成探测单元间温度不均。当探测器单元间温度有差异时，单元间将产生 D*和 D (, T)的差异，从而在图像上产生由响应单元温差引起的空间非均匀性，导致红外成像系统的性能下降。因此解决好温度均匀性问题是至关重要的。同时，由于焦平面杜瓦（冷箱）的体积比小型的杜瓦大大增加，系统的漏热量将大幅增加，因此必须有高
3、效的传热部件，以降低冷源与负载之间的温差，从而使制冷机发挥最大功效。1 耦合系统介绍本文的研究对象，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 20040，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。2 冷量传输理论分析本耦合系统的热学目标是在
4、斯特林制冷机提供 6W95K 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
5、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+ QcQr 的数值可以根据式(2)近似计算得(2)式中：称为相当发射率；5.67W/m2K4；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)式中：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
6、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 6W95K 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
7、电阻通过三点法标定（液氮、冰水混合物、常温） 。为减小漏热，Pt 电阻与冷箱电缆接口处用 0.1 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 3030 的薄膜加热片，以提供总量为 0.71w 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 5106 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
8、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
9、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103.6106.698.55.18.1加热 0.7W104.9109.499.959.5加热 1W105.4110.6100.54.910.1可以看出，中波冷平台与液氮杜瓦冷头的温差随着加热量的增加而略有减少，这是因为中波冷平台上无加热，其温升速度不及液氮杜瓦冷头；而短波冷平台与冷头的温差随着加热量的增大而增大，其趋势如图 8 所示：图 8 短波冷平台温差与加热量关系曲线经
10、过计算得，冷箱的总寄生漏热约为 2.7W，则在本实验中，中波得热 Qm为 2.7/2=1.35W，短波得热 Qs 为 1.35+q (W) ，其中 q 为不同工况下的加热值，分别取 0、 0.7、 1。设系统总热导 K=Q/T, 则中波传热机构平均总热导Km0.27W/K，短波传热机构平均总热导 Ks0.21W/K。排除个别奇异点，实验结果得到的温度均匀性与理论计算的结果有一定的差别，且表现出左右不对称，分析其原因可能是每条冷链与冷平台的接触面积及由于螺钉的紧固力不同造成接触热阻的不同。而同一冷平台上各温度传感器在不同工况下的温度走势相同，可以排除温度传感器故障因素，但不排除温度传感器的个体差
11、异原因，造成这种传感器个体差异的原因可能是其引线的长短不完全相同，焊接不均造成的接触电阻不同等。4 结论本文介绍了一种超长线列红外焦平面与空间机械制冷机的耦合方式，并对样机进行了传热性能实验。性能曲线显示了该方式能有效地传输冷量。同时分析了影响温度均匀性的因素。关于耦合系统的空间力学适应性研究也将在不久的将来积极地进行。参考文献1 宣向春. HY-1 卫星海洋水色扫描仪红外机械制冷系统研制: 博士学位论文. 上海: 中科院上海技术物理研究所，20002 纪国林，吴亦农，许妙根. 空间机械制冷机与红外焦平面耦合技术. 真空与低温, 1998，4(2): 69-733 陈晓屏. 微型斯特林制冷器与杜瓦瓶组件耦合漏热分析. 红外技术，2002，24(1):23-264 章熙民，任泽霈，梅飞鸣 etal. 传热学. 第三版. 北京：中国建筑工业出版社，1993
