魏露露 陸永達 張繼宇 陳懷軍 單偉根

(1中國電子科技集團公司第十六研究所 合肥 230043)

(2安徽省低溫與制冷技術(shù)省級試驗室 合肥 230043)

1 引言

空間紅外探測器由單元、多元，發(fā)展到大規(guī)模焦平面，隨著空間紅外探測技術(shù)的發(fā)展，空間制冷技術(shù)也得到快速發(fā)展，同時也對空間制冷技術(shù)提出了更高的要求［1-2］。為滿足超長線列焦平面器件的需求，使得器件杜瓦內(nèi)的冷鏈、冷平臺相關(guān)尺寸增加，導致斯特林制冷機與器件耦合過程中，在杜瓦內(nèi)的冷量傳輸損失變大，熱負荷的增加進一步對斯特林制冷技術(shù)提出更高要求［3］。針對超長線列焦平面器件對制冷性能的要求，開展了斯特林制冷機耦合超長線列焦平面探測器的冷量損失特性研究，分析了耦合過程中冷量損失對斯特林制冷機性能的影響，特別是輻射漏熱對制冷量和降溫時間的影響，通過實驗研究和模擬計算對制冷性能進行驗證對比，保證焦平面探測器對制冷性能的高要求。本文主要針對大冷量斯特林制冷機與超長線列焦平面探測器耦合過程中，冷量損失中的熱輻射損失對具有大冷板的斯特林制冷機性能的影響進行實驗和模擬對比分析，為下一步的斯特林制冷機優(yōu)化設(shè)計奠定良好基礎(chǔ)。

2 試驗裝置

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

為了測試冷帽到紅外焦平面探測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耦合的冷量損失試驗裝置，試驗過程中分別采用杜瓦1和杜瓦2進行大冷板斯特林制冷機的冷量傳輸損失試驗，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，在實驗時以相同熱容量和體積的紫銅板代替焦平面探測器芯片，紫銅板表面積為225 cm2。冷帽與紫銅板通過柔性銅冷鏈連接，減小導熱熱阻并減緩振動對模擬芯片的沖擊，斯特林制冷機的制冷量由紫銅板內(nèi)的加熱電阻計算所得。

圖2所示為兩種測試杜瓦結(jié)構(gòu)對比示意圖，從A、B兩種結(jié)構(gòu)對比可以看出傳統(tǒng)測試杜瓦的杜瓦結(jié)構(gòu)內(nèi)表面積和冷指尺寸面積小，輻射損失對斯特林制冷機的制冷性能影響較小，并無導熱損失;本文測試杜瓦結(jié)構(gòu)中的杜瓦結(jié)構(gòu)內(nèi)表面積較大，冷指通過冷鏈與紫銅板構(gòu)成的冷平臺尺寸面積較大，因此輻射損失對斯特林制冷機的制冷性能影響較大，并存在冷指與紫銅板間的導熱損失以及支撐柱的導熱損失。本文主要基于同一冷平臺結(jié)構(gòu)對斯特林制冷機的制冷性能分析，在不同杜瓦結(jié)構(gòu)及防輻射處理過程中的導熱損失一定，因此主要針對輻射損失進行研究斯特林制冷機制冷性能的影響。實驗過程中采用兩種杜瓦結(jié)構(gòu)，并采用單面鍍鋁滌綸薄膜對冷指及冷平臺進行防輻射處理，達到研究熱輻射對大冷量斯特林制冷機制冷性能影響的目的。

圖2 測試杜瓦結(jié)構(gòu)對比示意圖Fig.2 Contrast of test Dewar

3 實驗結(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驗過程，在模擬芯片降溫過程中，經(jīng)歷相同的時間165 min后趨于平衡，杜瓦2達到80 K降溫要求，杜瓦1降溫為91 K達不到降溫要求，同時如圖4所示，在相同時間內(nèi)，冷帽都達到相同溫度75 K，說明在相同的試驗條件下，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不到80 K的要求，即在相同的導熱損失下，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，導致斯特林制冷機的冷量在傳輸過程中存在較大損失，制冷性能惡化，因此在耦合優(yōu)化設(shè)計過程中要提高表面輻射率的同時減小表面積，達到減少熱輻射損失，提高冷量傳輸性能的目的。

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

圖4 不同杜瓦下冷帽降溫過程Fig.4 Beanie cooling process of different Dewar

為進一步檢測輻射損失在耦合過程中冷量損失的比重，對杜瓦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行防輻射處理，以檢測輻射漏熱對降溫時間和制冷量的影響。

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時到達80 K，此時冷帽的溫度為71 K，隨時間進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達到80 K，此時冷帽的溫度為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，同時減少了降溫時間，增加了斯特林制冷機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，輻射漏熱對斯特林制冷機在耦合過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程Fig.6 Beanie cooling process of different radiation

4 模擬對比分析

由之前實驗結(jié)果的制冷性能可知，輻射漏熱對整個耦合過程有較大影響，采用模擬計算對防輻射和未防輻射處理的實驗過程進行對比分析，模擬過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，而未進行防輻射處理時的杜瓦內(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與焦平面探測器耦合過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，紫銅板溫度為了穩(wěn)定在80 K時，其制冷量為1 W;在防輻射處理時，紫銅板在80 K時的制冷量為3.2 W，制冷量提升了3.2倍，并在71 K時有1.6 W的制冷量，對杜瓦、紫銅板和冷帽采用單面鍍鋁滌綸薄膜包裹到達防輻射處理的目的，大大減少了斯特林制冷機與焦平面探測器耦合過程中的輻射漏熱，提高了斯特林制冷機的綜合性能。

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，與實驗過程中的制冷量相同，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)果與實驗結(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驗結(jié)果測得基本一致。

通過模擬分析對比實驗結(jié)果可以看出模擬結(jié)果與實驗結(jié)果有良好的一致性，說明為了提高斯特林制冷機與超長線列焦平面探測器耦合的制冷性能，可以提高杜瓦、紫銅板和冷帽等的發(fā)射率，減少輻射損失，對杜瓦表面進行相應(yīng)處理，同時通過模擬計算分析耦合過程的損失分布情況，有利于在優(yōu)化設(shè)計階段采取相應(yīng)措施，提高耦合的綜合性能。

5 結(jié)論

本文通過對大冷量斯特林制冷機與超長線列焦平面耦合過程中出現(xiàn)的冷量損失進行模擬計算和實驗分析，性能曲線顯示不同方式的杜瓦對紫銅板和冷帽的降溫時間和制冷量有較大影響，解決大冷量斯特林制冷機與超長線列焦平面耦合過程中漏熱問題，特別是輻射漏熱，對整個耦合系統(tǒng)有積極作用。

1 何興偉，吳明勛，吳亦農(nóng)，等.冷鏈的研制及其熱傳導性能的試驗研究［C］.上海市制冷學會2005年學術(shù)年會論文集，上海，2005:54-56.He Xingwei，Wu Mingxun，Wu Yinong，et al.Development of Cold Chain and the Experiment of the Diathermancy［C］.Shanghai Institute of Refrigeration Symposium 2005，Shanghai，2005:54-56.

2 陸永達，朱魁章，楊坤，等.大冷量長壽命斯特林制冷機熱環(huán)境適應(yīng)性試驗研究［J］.低溫與超導，2012，40:5-8.Lu Yongda，Zhu Kuizhang，Yang Kun，et al.Thermo-adaptability study on a high capacity long-life Stirling cryocooler［J］.Cryo.＆ Supercond，2012(40):5-8.

3 紀國林，吳亦農(nóng)，徐妙根.空間機械制冷機與紅外焦平面耦合技術(shù).真空與低溫，1998，4(2):69-73.Ji Guolin，Wu Yinong，Xu Miaogen.Technique for linking between space borne mechanical cryocooler and infrared detector［J］.Vacuum＆ Cryogenics，1998，4(2):69-73.