制冷機(jī)與紅外探測器冷鏈耦合技術(shù)研究

王亞妮,張 巍,遲國春,朱志雄

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

紅外探測器與制冷機(jī)耦合有兩種方式,直接耦合與間接耦合。直接耦合即探測器與制冷機(jī)冷頭之間直接連接,這種耦合方式可以減輕系統(tǒng)的重量且能有效降低冷損。一般適用于耦合接觸面積較小、一對一制冷情況。間接耦合為探測器與制冷機(jī)冷頭之間采用柔性“冷鏈”進(jìn)行連接[1]。這種耦合方式適用于超長線列紅外焦平面組件與大冷量制冷機(jī)的耦合,或者一臺(tái)制冷機(jī)對多個(gè)波段類型紅外探測器。

超長線列紅外焦平面組件采用直接耦合的缺點(diǎn)有以下三點(diǎn):①超長線列紅外焦平面組件冷平臺(tái)的尺寸很大,直接耦合對耦合接觸面平面度、平行度要求較高,加工難度大；②由于面積較大,探測器對溫度均勻性要求較高,直接耦合會(huì)造成冷臺(tái)面溫度不均勻,且在制冷過程中由于熱脹冷縮原理,極易造成耦合面脫開,導(dǎo)致探測器工作失效；③大冷量制冷機(jī)冷指振動(dòng)較大,會(huì)對探測器成像質(zhì)量造成影響。

因此,為了避免以上問題的發(fā)生,需要使用專用的冷鏈連接來實(shí)現(xiàn)探測器組件間接耦合。本文主要綜合國內(nèi)外制冷機(jī)研究現(xiàn)狀對使用冷鏈技術(shù)進(jìn)行間接耦合的方式進(jìn)行了分析。

2 冷鏈應(yīng)用

2.1 國內(nèi)外應(yīng)用情況

冷鏈耦合方式有很多種,文章主要針對六種作簡單介紹,如表1所示。

表1 冷鏈耦合方式對比

美國HES項(xiàng)目組根據(jù)探測器組件在空間的結(jié)構(gòu)形式,針對一臺(tái)制冷機(jī)對應(yīng)一個(gè)組件的制冷模式,設(shè)計(jì)了“S”型冷鏈方式為探測器提供冷量,這種結(jié)構(gòu)能更有效地利用空間位置,應(yīng)用靈活,是航天項(xiàng)目中值得借鑒的耦合方式。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 HES(ABS)項(xiàng)目冷鏈方式

在同一個(gè)制冷源為多種組件提供冷環(huán)境的情況下,上海技物所設(shè)計(jì)的紫銅片冷鏈耦合方式就顯得更有優(yōu)勢。但是由于冷鏈在傳熱的過程中會(huì)有熱損失,因此,這種冷鏈方式適用于對制冷溫度要求有階梯差距的探測器組件,如圖2所示。

圖2 中長波組件冷鏈方式

當(dāng)探測器的溫度需求需要兩臺(tái)制冷機(jī)的冷量同時(shí)提供時(shí),圖3的柔性冷鏈設(shè)計(jì)方式就尤為可取。兩臺(tái)制冷機(jī)對置,一根冷鏈匯流排同時(shí)連接冷頭與探測器冷平臺(tái),更好地為探測器提供低溫環(huán)境。

圖3 4× 22HgCdTe組件冷鏈方式

在越來越多的航天項(xiàng)目應(yīng)用過程中,超長線列紅外焦平面的應(yīng)用也愈加廣泛,拼接型探測器也將逐漸普及。多條柔性冷鏈與探測器冷平臺(tái)均勻分布連接,此種耦合方式很好地避免了探測器溫度不均勻?qū)е碌某上癫痪鶆虻默F(xiàn)象,如圖4、圖5所示。

圖4 超長線列紅外焦平面(中、短波)冷鏈方式

圖5 超長線列紅外焦平面冷鏈方式

使用多跟細(xì)紫銅絲纏繞捆扎形成的柔性冷鏈,具備很高的柔韌性,在整機(jī)應(yīng)用中有不可缺的優(yōu)勢,結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。

圖6 柔性冷鏈方式

2.2 冷鏈材料選擇

冷鏈的主要目的之一是要在低溫下實(shí)現(xiàn)高效傳熱。針對焦平面探測器的工作溫度以及材料傳熱、隔振等特性,根據(jù)圖7[10]所示不同材料在不同溫度下的熱導(dǎo)率,最終選用高純銅作為研制冷鏈的主要材料,結(jié)構(gòu)形式多用銅片或多跟銅絲捆扎而成。純銅冷鏈可以有桿、帶、辮等幾種形式。采用薄銅帶、銅辮可以衰減振動(dòng),減小材料因溫度而變化產(chǎn)生應(yīng)變、應(yīng)力的影響。

圖7 溫度與熱導(dǎo)率的關(guān)系

針對采用相同工作溫度的探測器組件。對冷鏈的要求是傳熱溫差盡可能小?？蛇x擇用低溫?zé)峁芑蚋邿釋?dǎo)率材料制作冷鏈。其中高熱導(dǎo)率的固體材料作冷鏈的方案最為常用。當(dāng)然,在傳熱路程長、熱負(fù)荷大且有相應(yīng)工作溫度的適用介質(zhì)的情況下,還應(yīng)首先考慮采用低溫?zé)峁艿脑O(shè)計(jì)方案。

3 冷鏈耦合冷量損失分析

針對柔性冷鏈的耦合冷量損失,各研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了多次試驗(yàn)。

圖2冷鏈結(jié)構(gòu)為上海技物所設(shè)計(jì),采用單臺(tái)制冷機(jī)對兩個(gè)探測器同時(shí)制冷,冷量通過連接在制冷機(jī)冷頭與探測器組件上的柔性冷鏈來傳遞。通過試驗(yàn)以及計(jì)算分析,選用厚度0.1 mm左右的紫銅片作為原始材料,同時(shí)采用特殊工藝制成冷鏈,低溫下此種冷鏈的熱導(dǎo)率為510 W/(m·K)。冷鏈尺寸如表2所示。

表2 冷鏈尺寸表

試驗(yàn)情況如圖8所示。圖8(a)為液氮制冷情況下,探測器降溫曲線,圖8(b)為制冷系統(tǒng)內(nèi),探測器降溫曲線。從試驗(yàn)結(jié)果來看,制冷機(jī)冷頭溫度最低達(dá)到70 K,長波探測器溫度低于85 K,中波探測器溫度低于95 K,可以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖8 降溫曲線[9]

圖3所示冷鏈結(jié)構(gòu)為上海技物所設(shè)計(jì)。采用柔性銅辮構(gòu)成冷鏈,此種方式既能將制冷機(jī)冷量傳輸給探測器,又能有效地消除溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力,克服冷鏈材料本身的溫差變形對探測器的不利影響,并且又可進(jìn)一步降低制冷機(jī)冷指自身振動(dòng)引起的探測器的機(jī)械振動(dòng)。經(jīng)計(jì)算,此系統(tǒng)的冷鏈溫差為2.5 K,傳輸效率為89%。

圖4冷鏈結(jié)構(gòu)為上海技物所設(shè)計(jì)。此結(jié)構(gòu)主要測試試驗(yàn)臺(tái)如圖9所示,采用液氮杜瓦代替制冷機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。在冷箱內(nèi)部的關(guān)鍵部位上共布置了27個(gè)Pt100電阻溫度傳感器,每個(gè)Pt電阻通過三點(diǎn)法標(biāo)定(液氮、冰水混合物、常溫)。Pt電阻與冷箱電纜接口處用φ0.1的錳銅絲連接。在短波冷平臺(tái)上安裝了4片相互串聯(lián)的30×30的薄膜加熱片,用來模擬紅外探測器的電功耗。

圖9 超長線列紅外焦平面(中、短波)試驗(yàn)臺(tái)

冷平臺(tái)與冷頭溫度匯總結(jié)果如表3所示。

表3 冷平臺(tái)與冷頭溫度匯總

可以看出,中波冷平臺(tái)與冷頭溫差較短波冷平臺(tái)與冷頭溫差小,其原因與冷鏈與冷平臺(tái)接觸面積、螺釘?shù)木o固力不夠、溫度傳感器的個(gè)體差異、引線長短不同、焊接不均造成的接觸熱阻差異有關(guān)。因此,在做相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)首先考慮以上幾點(diǎn)影響因素。

圖6所示冷鏈結(jié)構(gòu)為中科院理化所設(shè)計(jì)。柔性帶傳熱帶選取紫銅絲帶,紫銅絲直徑為0.01 cm,根數(shù)為3000根,紫銅絲絞在一起,端部壓緊后焊接到軸環(huán)上。表4為柔性帶傳熱性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表4 柔性帶傳熱性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

同時(shí)研究人員對柔性帶進(jìn)行了疲勞試驗(yàn),具體方式為將柔性帶一端固定,一端連接旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行反復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),大氣環(huán)境下彎折約1500次之后完全斷裂。將柔性帶長度增加10 mm后,疲勞次數(shù)增加為8022次。液氮環(huán)境下,柔性帶溫度穩(wěn)定在100K時(shí),疲勞運(yùn)動(dòng)>5000次。因此低溫環(huán)境下柔性帶的抗疲勞性能優(yōu)于常溫情況,已經(jīng)能夠滿足大部分應(yīng)用場合。

研究人員從不同的連接方式、不同的柔帶橫截面積、柔性帶空間位置等對柔性帶的傳熱性能也進(jìn)行了多次分析試驗(yàn),將銅絲壓緊并焊接后的熱導(dǎo)率明顯大于未焊接時(shí)的熱導(dǎo)率,橫截面積大的柔性帶傳熱性能明顯大于面積小的,將柔性帶伸直時(shí)的熱導(dǎo)率明顯大于彎曲狀態(tài)。

4 應(yīng)用前景

隨著三代紅外焦平面探測器組件更大面陣、雙多色的發(fā)展和我國航天事業(yè)的飛速發(fā)展,紅外焦平面探測器越來越多地被應(yīng)用到航天領(lǐng)域,超大面陣探測器需求也逐漸增大,多種譜段探測器拼接型紅外焦平面探測器也將被廣泛應(yīng)用。由于制冷型紅外焦平面探測器工作性能的發(fā)揮對制冷機(jī)有很大的依賴性,所以制冷機(jī)與紅外焦平面探測器之間使用的耦合技術(shù)也非常關(guān)鍵。隨著紅外焦平面探測器朝著大面陣、雙多色方向的發(fā)展,原有的直接耦合方式已不太適用,本文提及的幾種冷鏈耦合技術(shù)也將會(huì)逐漸普及,在未來的紅外焦平面探測器與制冷機(jī)之間的耦合技術(shù)中有非常好的應(yīng)用潛力。

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