制冷機與紅外探測器冷鏈耦合技術研究

王亞妮,張 巍,遲國春,朱志雄

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

紅外探測器與制冷機耦合有兩種方式,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冷頭之間采用柔性“冷鏈”進行連接[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的耦合,或者一臺制冷機對多個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有以下三點:①超長線列紅外焦平面組件冷平臺的尺寸很大,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,直接耦合會造成冷臺面溫度不均勻,且在制冷過程中由于熱脹冷縮原理,極易造成耦合面脫開,導致探測器工作失效；③大冷量制冷機冷指振動較大,會對探測器成像質(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現(xiàn)探測器組件間接耦合。本文主要綜合國內(nèi)外制冷機研究現(xiàn)狀對使用冷鏈技術進行間接耦合的方式進行了分析。

2 冷鏈應用

2.1 國內(nèi)外應用情況

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項目組根據(jù)探測器組件在空間的結(jié)構形式,針對一臺制冷機對應一個組件的制冷模式,設計了“S”型冷鏈方式為探測器提供冷量,這種結(jié)構能更有效地利用空間位置,應用靈活,是航天項目中值得借鑒的耦合方式。其結(jié)構圖如圖1所示。

圖1 HES(ABS)項目冷鏈方式

在同一個制冷源為多種組件提供冷環(huán)境的情況下,上海技物所設計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

當探測器的溫度需求需要兩臺制冷機的冷量同時提供時,圖3的柔性冷鏈設計方式就尤為可取。兩臺制冷機對置,一根冷鏈匯流排同時連接冷頭與探測器冷平臺,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目應用過程中,超長線列紅外焦平面的應用也愈加廣泛,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,在整機應用中有不可缺的優(yōu)勢,結(jié)構簡圖如圖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率,最終選用高純銅作為研制冷鏈的主要材料,結(jié)構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,減小材料因溫度而變化產(chǎn)生應變、應力的影響。

圖7 溫度與熱導率的關系

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。可選擇用低溫熱管或高熱導率材料制作冷鏈。其中高熱導率的固體材料作冷鏈的方案最為常用。當然,在傳熱路程長、熱負荷大且有相應工作溫度的適用介質(zhì)的情況下,還應首先考慮采用低溫熱管的設計方案。

3 冷鏈耦合冷量損失分析

針對柔性冷鏈的耦合冷量損失,各研究機構進行了多次試驗。

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

表2 冷鏈尺寸表

試驗情況如圖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。從試驗結(jié)果來看,制冷機冷頭溫度最低達到70 K,長波探測器溫度低于85 K,中波探測器溫度低于95 K,可以達到設計目標。

圖8 降溫曲線[9]

圖3所示冷鏈結(jié)構為上海技物所設計。采用柔性銅辮構成冷鏈,此種方式既能將制冷機冷量傳輸給探測器,又能有效地消除溫度變化產(chǎn)生的應力,克服冷鏈材料本身的溫差變形對探測器的不利影響,并且又可進一步降低制冷機冷指自身振動引起的探測器的機械振動。經(jīng)計算,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)構為上海技物所設計。此結(jié)構主要測試試驗臺如圖9所示,采用液氮杜瓦代替制冷機進行試驗。在冷箱內(nèi)部的關鍵部位上共布置了27個Pt100電阻溫度傳感器,每個Pt電阻通過三點法標定(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)試驗臺

冷平臺與冷頭溫度匯總結(jié)果如表3所示。

表3 冷平臺與冷頭溫度匯總

可以看出,中波冷平臺與冷頭溫差較短波冷平臺與冷頭溫差小,其原因與冷鏈與冷平臺接觸面積、螺釘?shù)木o固力不夠、溫度傳感器的個體差異、引線長短不同、焊接不均造成的接觸熱阻差異有關。因此,在做相關設計時,應首先考慮以上幾點影響因素。

圖6所示冷鏈結(jié)構為中科院理化所設計。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數(shù)據(jù)。

表4 柔性帶傳熱性能試驗數(shù)據(jù)

同時研究人員對柔性帶進行了疲勞試驗,具體方式為將柔性帶一端固定,一端連接旋轉(zhuǎn)電機進行反復旋轉(zhuǎn)運動,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,疲勞運動>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行了多次分析試驗,將銅絲壓緊并焊接后的熱導率明顯大于未焊接時的熱導率,橫截面積大的柔性帶傳熱性能明顯大于面積小的,將柔性帶伸直時的熱導率明顯大于彎曲狀態(tài)。

4 應用前景

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用到航天領域,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)揮對制冷機有很大的依賴性,所以制冷機與紅外焦平面探測器之間使用的耦合技術也非常關鍵。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也將會逐漸普及,在未來的紅外焦平面探測器與制冷機之間的耦合技術中有非常好的應用潛力。

[1] WU Mingxun,HE Xingwei,et al.The characteristics of heat transfer between mechanicacryocooler and large infrared focalplane[C].Shanghai：Academic papers of refrigeration institute 2005.(in Chinese)

吳明勛,何興偉,等.空間機械制冷超長線列紅外焦平面探測器的冷量傳輸特性研究[C].上海市制冷學會2005年學術年會論文集，2005.

[2] Jun Li,Timothy J Schmit,W PaulMenzel.Advanced Baseline Sounder(ABS)for future Geostationary Operational Environmental Satellites(GOES-R and beyond)[J].SPIE,2003:103-110.

[3] M A Dials,J C Gille,J J Barnett,et al.A description of the High Resolution Dynamics Limb Sounder(HIRDLS)instrument[J].SPIE,1998:84-91.

[4] J M Hartley,M B Reine,R Papinsick,et al.A multispectral HgCdTe detector subsystem for remote sensing in the High Resolution Dynamics Limb Sounder(HIRDLS) Instrument[J].SPIE,1998:92-101.

[5] HE Xingwei,WU Yinong,HUANG Zhiguang,et al.Infrared detecting system of dual optical beams refrigerated with single cyrocooler[J].Infrared and Laser Engineering,2007,36(supplement):105-108.(in Chinese)

何興偉,吳亦農(nóng),黃志光,等.利用單一冷源制冷的雙光路紅外探測器系統(tǒng)[J].紅外與激光工程,2007,36(增):105-108.

[6] JI Guolin,WU Yinong,WANG Biao,et al.Acryocooling system for space application[J].Cryogenics,1999,4:253-257.(in Chinese)

紀國林,吳亦農(nóng),王彪,等.航天應用的制冷機系統(tǒng)[J].低溫工程,1999,4:253-257.

[7] JI Guolin,WU Yinong,XU Miaogen.Techinique for linkin between space borne mechanical cryocooler and infrared detector[J].Vacuum & Cryogenics,1998,4(2):69-73.(in Chinese)

紀國林,吳亦農(nóng),許妙根.空間機械制冷機與紅外探測器的耦合技術[J].真空與低溫,1998,4(2):69-73.

[8] WEI Lulu,LU Yongda,ZHANG Jiyu,et al.Characteristics of cold loss between Stirlingcryocooler and large infrared focal plane[J].Cryogenics,2014,5:29-33.(in Chinese)

魏露露,陸永達,張繼宇,等.斯特林制冷機耦合超長線列焦平面探測器的冷量損失分析[J].低溫工程,2014,5:29-33.

[9] YAN Tao,HONG Guotong,CAI Jinhui,et al.A flexible transmission belt use in cryogenic system[C].Academic papers of China Aerospace cryogenic information network 2007 in The eighth national conference on cryogenic engineering，2007：299-303.(in Chinese)

閆濤,洪國同,蔡金輝,等.一種應用于低溫系統(tǒng)的柔性冷量傳輸帶[C].第八屆全國低溫工程大會暨中國航天低溫專業(yè)信息網(wǎng)2007年度學術交流會論文集,2007:299-303.

[10] LIU Xiaohua,JI Guolin,XU Miaogen.The thermal analysis of the system for linking between mechanical cryocooler and infrared detector[J].Vacuum and Cryogenics,1999,5(3):10-12.(in Chinese)

劉曉華,紀國林,許妙根.制冷機與紅外探測器耦合技術中的熱分析[J].真空與低溫,1999,5(3):10-12.