制作微通道板的玻璃纖維拉絲爐溫度場研究

叢曉慶，孫建寧，張珈瑋，劉文偉，張正君，徐 偉，錢 琳，李婧雯，孫賽林，阮 凱，林 正

制作微通道板的玻璃纖維拉絲爐溫度場研究

叢曉慶，孫建寧，張珈瑋，劉文偉，張正君，徐 偉，錢 琳，李婧雯，孫賽林，阮 凱，林 正

（北方夜視技術股份有限公司南京分公司，江蘇 南京 211106）

制作微通道板的玻璃纖維需要經過拉絲爐拉制而成，拉絲爐的溫度場分布直接影響絲徑的均勻性，而目前缺乏制作微通道板的玻璃纖維拉絲爐的理論研究，依靠經驗所設計的拉絲爐性能差異較大，為此本文根據拉絲爐的實際結構，構建對應的三維模型，利用熱傳遞理論對模型進行分析，重點研究爐芯中心位置、加熱溫度均勻性和保溫層均勻性對拉絲爐內部溫度場的影響，根據理論分析結果對微通道板拉絲爐的改進給出了3個方面的建議。

微通道板；拉絲爐；模型；溫度場

0 引言

微通道板（Micro Channel Plate，MCP）是一種多孔網狀結構的薄片玻璃，通道內壁具有二次電子發射特性，可將電子進行成千萬倍的倍增，是實現微光夜視的關鍵元件[1]。在一定電壓下，對微通道板輸入空間分布均勻的電子流，經過倍增后輸出的電子流均勻性的差異，也就是電子增益的差異，這種差異叫做固定圖案噪聲[2]。固定圖案噪聲是一直困擾我國微通道板技術進步的屏障，解決固定圖案噪聲問題是開發高性能微通道板必須突破的關鍵。固定圖案噪聲主要取決于通道內壁表面狀況和通道均勻程度。制作MCP需要制作大量的高精度玻璃纖維，而高精度玻璃纖維制造要經歷玻璃預制棒制備和拉絲等具體工藝步驟[3]，在纖維拉制的過程中，拉絲爐內的溫度場分布情況將直接影響著纖維的直徑和纖維端面的形狀，預制棒受熱不均，會導致復絲邊緣纖維的受熱程度不同，影響通道均勻程度，對微通道板固定圖案噪聲有著直接的影響，因此研究微通道板拉絲爐的溫度場分布狀況對解決固定圖案噪聲問題有著重要的意義。

目前國內對于拉絲爐的研究成果大都集中在對光纖拉絲爐內部熱量傳遞和氣流的研究方面[4-8]。文獻[4]建立了光纖拉絲爐內部氣體溫度場模型，根據模型特點劃分了網格，利用數值模擬的方法探究了光纖拉絲爐內部氣體溫度場的變化，并分析了有關參數對爐內溫度場的影響。文獻[5]介紹了光纖感應拉絲爐的渦流場分析方法，并建立了渦流場的數學模型，在二維分析的基礎上，建立了感應線圈和導體（石墨中心管）的三維模型，模擬了導體（石墨中心管）中的渦流場。文獻[6]對光纖拉絲爐內部氣體流場及拉絲爐相關部件的溫度分布進行了理論建模和數值模擬，根據二維和三維拉絲爐幾何模型，對光纖拉絲爐的內部氣體流場數值計算與分析。

上述研究成果主要對光纖拉絲爐進行建模，對內部熱量傳遞和氣流特性進行分析與研究，但是微通道拉絲爐與光纖拉絲爐結構具有本質的區別，例如，微通道板拉絲爐與光纖拉絲爐相比較內部不需要通惰性氣體，所以光纖拉絲爐有關研究成果無法應用于微通道板拉絲爐設計中，因此，目前微通道板拉絲爐的設計主要依靠經驗進行，這樣設計而成的微通道板拉絲爐性能無法保證，為此本文以微通道板的實際結構為基礎，建立拉絲爐的數學模型，利用熱傳遞理論對拉絲爐的內部溫度場進行分析，分析得到影響拉絲爐溫度場分布的主要因素，并根據得到的理論分析結果，對微通道板拉絲爐的改進，給出了3個方面的建議。

1 拉絲爐模型

根據現有的微通道板拉絲爐結構，建立對應的結構模型，并在該結構的基礎上建立對應的熱傳遞模型，重點研究影響拉絲爐溫度場分布的主要因素，包括：拉絲爐爐芯中心位置、加熱溫度均勻度、保溫層均勻度等。

1.1 拉絲爐結構模型

拉絲爐的實際結構如圖1所示，根據實際結構形式，其對應的三維模型與二維截面圖如圖2和3所示，從圖中可以看出拉絲爐由主爐和副爐構成，采用主爐加熱的方式，其中主爐采用的爐芯為加熱絲繞于碳化硅內膽中，在爐殼和爐芯間塞有保溫層，副爐與主爐結構相似，但是沒有纏繞加熱絲。

圖1 拉絲爐實物圖

圖2 拉絲爐三維幾何模型

圖3 拉絲爐二維截面示意圖

1.2 熱傳遞模型

根據微通道板拉絲爐結構模型與熱傳遞理論，考慮拉絲爐的熱傳遞的3種形式，即：熱傳導、熱對流和熱輻射。

1）熱傳導

熱傳導是指熱量從系統的一部分傳到另一部分或由一個系統傳到另一系統的現象，在拉絲爐的內部存在較多的熱傳導形式，例如加熱絲和碳化硅之間熱傳遞、碳化硅與保溫層材料之間的熱傳遞等，熱量從存在溫度梯度的高溫部分傳遞給低溫部分。

在分析拉絲爐內部熱傳導形式時，所采用的熱傳導關系式如式(1)所示：

式中：為時間內的傳熱量或者熱流量；為換熱面積；為熱傳導率或者熱傳導系數；hot和cold為拉絲爐內熱傳導高、低溫度數值，且滿足hot＞cold；為熱傳導的距離。

2）熱對流

在拉絲爐主爐和副爐的空腔表面以及加熱爐外表面等固體表面與它周圍所接觸的空氣之間，由于存在著溫度差而引起熱量交換，該過程為熱對流形式，在該過程中，所交互的熱量2如式(2)所示：

2＝(s－B) (2)

式中：為對流換熱系數；s為加熱絲所繞的碳化硅表面和拉絲爐外表面等固體表面的溫度；B為各固體表面周圍對應的空氣溫度。

3）熱輻射

拉絲爐內加熱絲以及所繞的碳化硅等高溫物體通過熱輻射的形式向爐腔內其他的物體傳遞熱量，所傳遞的熱量被爐腔內的低溫物體所吸收，完成能量交互與傳遞，它們之間凈熱量傳遞量可以利用如式(3)所示的斯蒂芬-玻爾茲曼方程來計算：

式中：為熱流率；為實際物體的輻射率，它的數值介于0～1之間；為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，約為5.67×10－8W/(m2·K4)；1為輻射面1的面積；12為由輻射面1到輻射面2的形狀系數；1為輻射面1的絕對溫度；2為輻射面2的絕對溫度。

2 仿真與結果分析

2.1 溫度場影響因素

為了簡化模型性能研究，主要研究爐芯中心位置、加熱溫度均勻度和保溫材料均勻度對溫度場分布的影響。

通過調節爐芯中心位置，研究在其他條件不變的前提下，爐芯中心偏移量對拉絲爐內部溫度場分布的影響程度。

將加熱絲簡化為獨立的加熱源進行研究，通過設置加熱源溫度的大小，研究加熱溫度均勻度對拉絲爐內部溫度場分布的影響程度。

為了研究保溫材料均勻度對拉絲爐內部溫度場分布的影響程度，根據微調圖2所示拉絲爐的三維幾何模型，將保溫層整體均勻分割為8個部分如圖4所示，不同的部分設置相同或者不同的材料系數，則可以研究保溫層的均勻程度對拉絲爐內部溫度場分布的影響程度。

2.2 模型參數

在對拉絲爐內部溫度場分布研究時，拉絲爐模型各構成部件對應的材料參數如表1所示。

表1中未列出的其他參數如下：

1）拉絲爐外部空氣溫度假設為22℃；

2）加熱絲的基準溫度為755℃，若研究加熱絲溫度不均勻情形，加熱絲的基準溫度設置為745℃，對應的溫度變化范圍為735℃～755℃；

圖4 保溫層等分模型圖

表1 拉絲爐構成部件材料參數

3）保溫層的材料為氧化鋁纖維，材料對應基準導熱系數如表1中所示為0.07W/(m2·K)，若研究保溫材料不均勻情形，對應的導熱系數變化范圍為0.06～0.07W/(m2×K)。

2.3 結果分析

根據微通道拉絲爐的模型與參數設置，利用ANSYS軟件重點研究爐芯中心位置、加熱溫度均勻度和保溫材料均勻度對溫度場分布的影響，其中包括理想模型情形和非理想情形，即其他因素保持不變的條件下，各主要因素對拉絲爐內部溫度場分布的影響。

2.3.1 理想情形

在該情形中，爐芯中心位置無偏移、加熱絲加熱溫度保持一致，且保溫層材質均勻一致，主爐腔體空氣層溫度場與副爐腔體空氣層溫度場分布分析具體如下：

1）主爐腔體空氣層溫度場

主腔空氣層、碳化硅層、加熱絲、保溫層和主腔外殼對應的溫度分布如圖5所示。

主腔空氣層對應的溫度場分布和等溫線分布如圖6所示。

圖5 主腔溫度場分布圖

圖6 主腔空氣層對應的溫度場分布和等溫線分布圖

從圖5和圖6可以看出，在爐芯位置沒有偏移，保溫層纖維棉分布均勻，加熱絲溫度均勻的條件下，主腔空氣層在同一圓周上，溫度分布是均勻的，溫度分布沿徑向由外至中心逐漸減少。

2）副爐腔體空氣層溫度場

副腔空氣層對應的溫度場分布圖和等溫線分布如圖7所示。

從圖7可以看出，在同一圓周上，空氣層中心位置的溫度高于邊緣位置的溫度。

當拉絲爐各組件材料質地均勻，加熱絲各段阻值一致（加熱溫度均勻）時，拉絲爐各部分具有良好的對稱性，主爐和副爐中空氣層在同一圓周上，溫度分布是均勻的，不同的是，主爐溫度分布由外至中心逐漸減少，因為空氣層加熱是由加熱絲加熱碳化硅后向爐膛中心輻射，而副爐溫度分布由中心向外逐漸減少，因為副爐的熱量由主爐從上向下傳遞至副爐。

2.3.2 非理想情形

在利用經驗實際制作拉絲爐時，加熱絲是利用純手工的方式纏繞于碳化硅爐膛內，沿爐膛圓周方向的阻值分布是有差異的；在往爐殼內裝爐芯時，由于沒有定位，導致爐芯的中心與爐子的中心是偏心的；保溫層采用的是硅酸鋁纖維棉，人工塞進爐內，保溫層分布往往不均勻。

針對如上非理想情形，為方便分析，研究其中一個作用條件發生變化而其他條件保持不變時，該條件單獨作用對拉絲爐溫度場分布的影響。同時考慮到纖維絲由主爐輸出時已經變徑成形，副爐只是起到緩沖的作用，防止纖維絲驟冷，產生應力導致斷裂，因此，非理想情形僅對主爐溫度場分布進行分析。

1）爐芯位置對溫度場影響

主腔空氣層對應的溫度場分布和等溫線分布如圖8所示。

由圖8可以看出，由于爐芯位置的偏移，會造成等溫線中心位置的偏移，從而造成了主腔等溫線的疏密程度發生了很大的變化，因此，加熱絲溫度均勻的情況下，等溫線較為規則，等溫線疏密不同，造成統一圓周上測溫點的溫度不同。

2）加熱溫度均勻度對溫度場的影響

主腔空氣層對應的溫度場分布和等溫線分布如圖9所示。

圖9 主腔空氣層對應的溫度場分布和等溫線分布圖

圖9對照圖6可以看出，如果加熱絲的溫度非均勻，則對主腔空氣層溫度等溫線的形狀有所影響，圖6中均勻加熱時，對應溫度線近似為同心圓，即處于同一圓周的測溫點的溫度大致一樣，而由圖9可以看出，如果加熱絲的溫度存在差異，等溫線的形狀發生變化，會對處于同一圓周的測溫點的溫度產生影響。

3）保溫層均勻度對溫度場的影響

主腔空氣層對應的溫度場分布圖和等溫線分布如圖10所示。

從圖10可以看出，在爐芯無偏移，加熱絲溫度均勻，保溫層分布非均勻的情形下，主腔空氣層的溫度場受到影響，特別是靠近保溫層的邊緣部分，等溫線的形狀變化較大，而接近中心的部分等溫線基本保持同心圓的形狀。

圖10 主腔空氣層對應的溫度場分布圖和等溫線分布圖

本文對目前生產使用的拉絲爐進行了溫度場測試，制作了4點測溫工裝，將測溫工裝插入拉絲爐中，加熱溫度設置為755℃，利用測溫儀器測得4點的溫度分別是737℃、732℃、734℃、731℃，在4點形成的圓周上的溫度存在差異。拉絲爐實際測溫結果表明，爐內溫度場存在分布不均勻現象，驗證了非理想情形下的拉絲爐模型仿真結果的參考意義。

3 結論

根據拉絲爐的模型與理論分析結果可以看出，影響拉絲爐內部主腔和副腔的溫度場的分布與多種因素有關，主要包括爐芯中心位置、纏繞于碳化硅上加熱絲溫度均勻度和保溫層的均勻度。爐芯位置的偏移，會造成等溫線中心位置的偏移，從而造成了主腔等溫線的疏密程度發生了很大的變化；加熱絲的溫度存在差異，等溫線的形狀發生變化，會對處于同一圓周的測溫點的溫度產生影響；保溫層的非均勻分布，會對主腔空氣層的溫度場造成影響，特別是靠近保溫層的邊緣部分，等溫線的形狀變化較大。根據理論分析結果，在設計微通道板拉絲爐時，可以在以下3個方面進行改進：

1）在進行拉絲爐裝配時，要盡可能減小爐芯的中心的偏移量，保證爐腔內等溫線的形狀和中心保持穩定；

2）盡可能保證加熱絲加熱溫度均勻，在通過同樣電流大小的前提下，盡可能保證繞于碳化硅上的加熱絲的疏密程度保持一致，從而保證各段加熱絲阻值基本相等，發熱功率和溫度保持一致；

3）在實際中，保溫層的均勻性比較難于量化，因此需要在實際裝配時，保證保溫層在直觀意義上的均勻性，同時可以選擇一種保溫特性更加優異的材質。

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Temperature Field of Glass Fiber-Drawing Furnaces for Microchannel Plate Fabrication

CONG Xiaoqing，SUN Jianning，ZHANG Jiawei，LIU Wenwei，ZHANG Zhengjun，XU Wei，QIAN Lin，LI Jingwen，SUN Sailin，RUAN Kai，LIN Zheng

(Nanjing Branch, North Night Vision Technology Co. Ltd, Nanjing 211106, China)

The glass fiber used in microchannel plate fabrication must be drawn in drawing furnaces. The temperature field distribution of the drawing furnace directly affects the uniformity of the wire diameter. Owing to the lack of theoretical research on glass fiber-drawing furnaces for microchannel plate fabrication, the designed drawing furnace and performance differences are based on experience. Based on the actual structure of a drawing furnace, this study aims to develop its corresponding 3D model on the basis of the theory of heat transfer analysis and to investigate the effects of the center of the furnace core, the uniformity of the heat insulation layer, and the drawing furnace temperature uniformity on the internal temperature field. Based on the theoretical analysis results, three suggestions are given to improve the drawing furnace for making micro channel plate.

micro channel plate, drawing furnace, model, temperature field

TQ171.6

A

1001-8891(2021)05-0490-06

2020-07-28；

2020-10-17.

叢曉慶（1977-），女，高級工程師，主要研究方向為微通道板性能改進與技術開發。E-mail：cong_stone@163.com。