低溫面源黑體均溫結構研究

王兆利，張洋洋，李 薇，洪國同

(1.中國科學院理化技術研究所空間功熱轉換重點實驗室，北京100190;2.中國科學院研究生院，北京100049)

1 引言

近年來隨著紅外技術的發展，面源黑體的應用越來越廣泛，例如紅外焦平面陣列探測器、紅外成像系統及紅外輻射測溫系統等都需要各種大面積低溫黑體輻射源［1］。目前國內外面源黑體的均溫方式大部分采用熱管或恒溫浴。熱管均溫方式雖然溫度均勻性好，但由于熱管工質的限制使得黑體工作溫區較窄。恒溫浴均溫方式主要缺點是體積較大，系統復雜［2］。紅外探測標定用的面源黑體，工作溫度為200～450 K，采用脈沖管制冷機進行降溫冷卻，升溫采用電加熱調溫的方式。由于結構的特殊性不便采用熱管或恒溫浴的均溫方式，因此需要研制一種特殊的均溫結構來保證上述面源黑體的溫度均勻性。

2 低溫面源黑體的總體結構

實驗室自行研制的一種面源黑體裝置的主體。如圖1所示主體由黑體輻射板、均溫結構、制冷機冷指、加熱器、支撐、底板、真空杜瓦等組成。均溫結構位于黑體輻射板與制冷機冷指之間，以解決面源黑體的溫度均勻性問題。均溫結構由均溫板和熱阻環組成。此外，在黑體輻射板的側面設制兩塊輻射屏，其中一塊輻射屏與均溫板連接，溫度與黑體輻射板接近，另一塊輻射屏固定在支撐上，與均溫板隔熱連接。這種設計的目的是進一步減少黑體側面的漏熱，保證其溫度均勻性。

黑體輻射板和均溫板由低熱導率、高強度的薄壁不銹鋼筒支撐在杜瓦底板上。脈沖管制冷機冷指插入杜瓦底板，冷端直接與均溫板壓接。制冷機冷指重量全部支撐在杜瓦底板上與杜瓦底板密封。

黑體輻射板的直徑為100 mm，材料采用熱導熱率高的金屬，有一定的厚度，通過金屬的導熱達到輻射面溫度均勻。為提高面源黑體的發射率，黑體輻射板表面加工成V形槽同心環形狀，并且對表面進行了發黑處理［3－5］。輻射板材質選用熱導率較好的鋁，經發黑處理后平面實測發射率達0.95。

圖1 200－450K面源黑體源結構

3 均溫結構設計

面源黑體工作溫度為200～450 K，當設定的工作溫度低于室溫時開啟脈沖管制冷機，高于室溫時制冷機關閉并啟動電加熱。為保證加熱時熱量也沿黑體板厚度方向傳遞，將加熱器固定在制冷機冷指上，這樣僅用一塊均溫板就能在全溫區(高溫和低溫)得到較好的溫度均勻性。制冷和加熱的熱流傳遞路徑是一致的只是方向相反，下文以制冷工況為例說明均溫結構的工作原理。

圖2為黑體輻射板、均溫結構和脈沖管制冷機冷指耦合的結構示意圖。制冷機冷指直徑14 mm，其表面溫度可認為是均勻的。黑體輻射板的正面、側面和背面與外界有熱交換，這些漏熱最終被脈沖管制冷機冷指帶走。黑體輻射板表面各點到脈沖管制冷機冷指傳熱過程的熱阻不同是造成表面溫度不均勻的主要原因。均溫結構的主要作用是通過改變熱流傳遞路徑的熱阻使黑體輻射板表面各點到冷指的熱阻近似相等，從而使輻射板溫度均勻。均溫結構包括均溫板和熱阻環1、2、3如圖2所示。均溫板材料采用導熱較好的紫銅，熱阻環如圖3所示。熱流通過接觸面1～8，再經均溫板流向冷指，傳熱過程的熱阻主要有導熱熱阻和接觸熱阻。均溫結構和黑體輻射板之間采用螺釘連接，接觸熱阻取文獻［7］中的數據5×10－5m2·K/W。如果黑體輻射板和均溫板結構已確定，導熱熱阻是不變的，而熱阻環采用不同的材料和尺寸得到不同的熱阻(包括接觸熱阻和導熱熱阻)。要使各傳熱路徑熱阻相同，通過改變熱阻環的熱阻來實現。均溫結構設計的主要工作是確定熱阻環的接觸熱阻和導熱熱阻。由于傳熱的復雜性，采用ANSYS穩態熱分析軟件進行輔助設計，最終確定的均溫結構尺寸如圖4所示。熱阻環厚度為1 mm，熱阻環1的材料為紫銅，熱阻環2和3的材料均為不銹鋼。

圖2 均溫結構和傳熱路徑示意圖

圖3 不同尺寸、不同材料的熱阻環

圖4 均溫結構尺寸

利用有限元軟件ANSYS對黑體輻射板的溫度分布進行了分析計算。為了對比均溫結構的均溫效果，分別模擬了無均溫結構和有均溫結構時黑體輻射板在低溫和高溫下工作時的溫度分布，結果如圖5所示。分析時計算假設環境溫度為300 K，黑體輻射板與均溫板之間、均溫板與冷指之間的接觸熱阻為5 ×10－5m2·K/W［7］。

圖5中a表示制冷溫度為193 K時脈沖管制冷機冷指直接與黑體輻射板壓緊后的溫度分布，中心位置溫度最低，邊緣溫度最高，最大溫差為2.7 K。b表示工作溫度為450 K時，脈沖管制冷機冷指直接與黑體輻射板壓緊后的溫度分布，中心溫度最高，邊緣溫度最低，最大溫差9.3 K。c表示在制冷溫度為180 K時脈沖管制冷機冷指通過均溫結構與黑體輻射板壓緊后的溫度分布，由于均溫結構改變了熱阻的分布，黑體輻射板的最低溫度出現在熱阻環與黑體輻射板接觸的位置，最大溫差為0.03 K。通過比較a和c發現要使黑體輻射板獲得相同的表面溫度，有均溫結構時需要更低的制冷溫度。d表示工作溫度為470 K時，脈沖管制冷機冷指通過均溫結構與黑體輻射板壓緊后的溫度分布，最高溫度出現在熱阻環與黑體輻射板接觸的位置，最大溫差為0.12 K。比較b和d發現要使黑體輻射板獲得相同的表面溫度，有均溫結構時需要更高的加熱溫度。比較發現無均溫結構時面源黑體輻射源表面最大溫差達9.3 K，有均溫結構時面源黑體表面最大溫差為0.12 K。模擬結果表明面源黑體通過均溫措施獲得較好的溫度均勻性。面源黑體溫度在200～450 K范圍內溫度均勻性均小于0.2 K。

圖5 100 mm黑體源表面溫度分布

圖6 黑體板溫度均勻性測點布置

4 實驗驗證

面源黑體的工作溫度范圍為200～450 K，為此針對面源黑體在該溫區內不同溫度點的溫度均勻性進行了實驗測試。實驗環境溫度300 K，面源黑體腔體內的壓力小于1 ×10－3Pa。

黑體輻射板內安裝4支鉑電阻溫度傳感器用來測量溫度，其中1支用于控溫儀的信號反饋，另外3支用于檢測面源黑體溫度的均勻性。

圖6為面源黑體的溫度均勻性測點位置，四支溫度計的測量位置處于黑體輻射板徑向不同深度，其中1號鉑電阻還用作控溫儀的信號反饋。

在200～450 K溫區范圍內選取不同溫度點進行控溫試驗，溫度穩定后黑體輻射板在徑向不同位置的溫度數據如表1所列。

表1 不同控溫點黑體輻射板的溫度值

從表中數據看出，加熱時3號鉑電阻所處位置溫度最高，2號鉑電阻所處位置溫度最低;制冷時3號鉑電阻所處位置溫度最低，2號鉑電阻所處位置溫度最高，這與溫度模擬結果是一致的。在200～450 K溫區范圍內，黑體源溫度均勻性≤0.2 K。

5 總結

提出的均溫結構很好地改善低溫面源黑體的溫度均勻性，結構通過改變傳熱過程的熱阻，使黑體輻射板表面各點到制冷機冷指的傳熱熱阻近似相等，從而獲得較好的溫度均勻性。雖然均溫結構是針對脈沖管制冷機制冷的面源黑體提出的，但通過改變傳熱路徑的熱阻而獲得較好的溫度均勻性的思路，對其他黑體源的設計具有一定的參考價值。

［1］Ogarev S A，Samoylov M L，Parfentyev N A，Sapritsky VI.Low－Temperature Blackbodies for IR Calibrationin a Medium－Background Environment［J］.International Journal of Thermophysics，2008，30:77 ～ 97.

［2］徐恒，韓義中，楊永軍.黑體輻射源的發展［J］.計測技術，2009，29:1～3.

［3］張蓉，吳德華，張德功.80－345K連續調溫腔型黑體［J］.環模技術，1997，50:18～23.

［4］許杰，楊林華，李娜.低溫點源黑體關鍵技術及國內外發展狀況［J］.航天器環境，2011，(28):151～156.

［5］蘆靜華，劉剛，杜海輝.大口徑標準黑體輻射源［J］.計測技術，2008，28:49～51.

［6］Oh H－U，Shin S.Numerical study on the thermal design of on－board blackbody［J］.Aerospace Science and Technology，2011.

［7］徐圣亞，洪國同.真空低溫下螺釘壓緊的Cu－Cu界面間接觸熱阻的實驗研究［J］.真空與低溫，2010，(3):153～157.