低温面源黑体均温结构研究

王兆利，张洋洋，李 薇，洪国同

(1.中国科学院理化技术研究所空间功热转换重点实验室，北京100190;2.中国科学院研究生院，北京100049)

1 引言

近年来随着红外技术的发展，面源黑体的应用越来越广泛，例如红外焦平面阵列探测器、红外成像系统及红外辐射测温系统等都需要各种大面积低温黑体辐射源［1］。目前国内外面源黑体的均温方式大部分采用热管或恒温浴。热管均温方式虽然温度均匀性好，但由于热管工质的限制使得黑体工作温区较窄。恒温浴均温方式主要缺点是体积较大，系统复杂［2］。红外探测标定用的面源黑体，工作温度为200～450 K，采用脉冲管制冷机进行降温冷却，升温采用电加热调温的方式。由于结构的特殊性不便采用热管或恒温浴的均温方式，因此需要研制一种特殊的均温结构来保证上述面源黑体的温度均匀性。

2 低温面源黑体的总体结构

实验室自行研制的一种面源黑体装置的主体。如图1所示主体由黑体辐射板、均温结构、制冷机冷指、加热器、支撑、底板、真空杜瓦等组成。均温结构位于黑体辐射板与制冷机冷指之间，以解决面源黑体的温度均匀性问题。均温结构由均温板和热阻环组成。此外，在黑体辐射板的侧面设制两块辐射屏，其中一块辐射屏与均温板连接，温度与黑体辐射板接近，另一块辐射屏固定在支撑上，与均温板隔热连接。这种设计的目的是进一步减少黑体侧面的漏热，保证其温度均匀性。

黑体辐射板和均温板由低热导率、高强度的薄壁不锈钢筒支撑在杜瓦底板上。脉冲管制冷机冷指插入杜瓦底板，冷端直接与均温板压接。制冷机冷指重量全部支撑在杜瓦底板上与杜瓦底板密封。

黑体辐射板的直径为100 mm，材料采用热导热率高的金属，有一定的厚度，通过金属的导热达到辐射面温度均匀。为提高面源黑体的发射率，黑体辐射板表面加工成V形槽同心环形状，并且对表面进行了发黑处理［3－5］。辐射板材质选用热导率较好的铝，经发黑处理后平面实测发射率达0.95。

图1 200－450K面源黑体源结构

3 均温结构设计

面源黑体工作温度为200～450 K，当设定的工作温度低于室温时开启脉冲管制冷机，高于室温时制冷机关闭并启动电加热。为保证加热时热量也沿黑体板厚度方向传递，将加热器固定在制冷机冷指上，这样仅用一块均温板就能在全温区(高温和低温)得到较好的温度均匀性。制冷和加热的热流传递路径是一致的只是方向相反，下文以制冷工况为例说明均温结构的工作原理。

图2为黑体辐射板、均温结构和脉冲管制冷机冷指耦合的结构示意图。制冷机冷指直径14 mm，其表面温度可认为是均匀的。黑体辐射板的正面、侧面和背面与外界有热交换，这些漏热最终被脉冲管制冷机冷指带走。黑体辐射板表面各点到脉冲管制冷机冷指传热过程的热阻不同是造成表面温度不均匀的主要原因。均温结构的主要作用是通过改变热流传递路径的热阻使黑体辐射板表面各点到冷指的热阻近似相等，从而使辐射板温度均匀。均温结构包括均温板和热阻环1、2、3如图2所示。均温板材料采用导热较好的紫铜，热阻环如图3所示。热流通过接触面1～8，再经均温板流向冷指，传热过程的热阻主要有导热热阻和接触热阻。均温结构和黑体辐射板之间采用螺钉连接，接触热阻取文献［7］中的数据5×10－5m2·K/W。如果黑体辐射板和均温板结构已确定，导热热阻是不变的，而热阻环采用不同的材料和尺寸得到不同的热阻(包括接触热阻和导热热阻)。要使各传热路径热阻相同，通过改变热阻环的热阻来实现。均温结构设计的主要工作是确定热阻环的接触热阻和导热热阻。由于传热的复杂性，采用ANSYS稳态热分析软件进行辅助设计，最终确定的均温结构尺寸如图4所示。热阻环厚度为1 mm，热阻环1的材料为紫铜，热阻环2和3的材料均为不锈钢。

图2 均温结构和传热路径示意图

图3 不同尺寸、不同材料的热阻环

图4 均温结构尺寸

利用有限元软件ANSYS对黑体辐射板的温度分布进行了分析计算。为了对比均温结构的均温效果，分别模拟了无均温结构和有均温结构时黑体辐射板在低温和高温下工作时的温度分布，结果如图5所示。分析时计算假设环境温度为300 K，黑体辐射板与均温板之间、均温板与冷指之间的接触热阻为5 ×10－5m2·K/W［7］。

图5中a表示制冷温度为193 K时脉冲管制冷机冷指直接与黑体辐射板压紧后的温度分布，中心位置温度最低，边缘温度最高，最大温差为2.7 K。b表示工作温度为450 K时，脉冲管制冷机冷指直接与黑体辐射板压紧后的温度分布，中心温度最高，边缘温度最低，最大温差9.3 K。c表示在制冷温度为180 K时脉冲管制冷机冷指通过均温结构与黑体辐射板压紧后的温度分布，由于均温结构改变了热阻的分布，黑体辐射板的最低温度出现在热阻环与黑体辐射板接触的位置，最大温差为0.03 K。通过比较a和c发现要使黑体辐射板获得相同的表面温度，有均温结构时需要更低的制冷温度。d表示工作温度为470 K时，脉冲管制冷机冷指通过均温结构与黑体辐射板压紧后的温度分布，最高温度出现在热阻环与黑体辐射板接触的位置，最大温差为0.12 K。比较b和d发现要使黑体辐射板获得相同的表面温度，有均温结构时需要更高的加热温度。比较发现无均温结构时面源黑体辐射源表面最大温差达9.3 K，有均温结构时面源黑体表面最大温差为0.12 K。模拟结果表明面源黑体通过均温措施获得较好的温度均匀性。面源黑体温度在200～450 K范围内温度均匀性均小于0.2 K。

图5 100 mm黑体源表面温度分布

图6 黑体板温度均匀性测点布置

4 实验验证

面源黑体的工作温度范围为200～450 K，为此针对面源黑体在该温区内不同温度点的温度均匀性进行了实验测试。实验环境温度300 K，面源黑体腔体内的压力小于1 ×10－3Pa。

黑体辐射板内安装4支铂电阻温度传感器用来测量温度，其中1支用于控温仪的信号反馈，另外3支用于检测面源黑体温度的均匀性。

图6为面源黑体的温度均匀性测点位置，四支温度计的测量位置处于黑体辐射板径向不同深度，其中1号铂电阻还用作控温仪的信号反馈。

在200～450 K温区范围内选取不同温度点进行控温试验，温度稳定后黑体辐射板在径向不同位置的温度数据如表1所列。

表1 不同控温点黑体辐射板的温度值

从表中数据看出，加热时3号铂电阻所处位置温度最高，2号铂电阻所处位置温度最低;制冷时3号铂电阻所处位置温度最低，2号铂电阻所处位置温度最高，这与温度模拟结果是一致的。在200～450 K温区范围内，黑体源温度均匀性≤0.2 K。

5 总结

提出的均温结构很好地改善低温面源黑体的温度均匀性，结构通过改变传热过程的热阻，使黑体辐射板表面各点到制冷机冷指的传热热阻近似相等，从而获得较好的温度均匀性。虽然均温结构是针对脉冲管制冷机制冷的面源黑体提出的，但通过改变传热路径的热阻而获得较好的温度均匀性的思路，对其他黑体源的设计具有一定的参考价值。

［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.

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［3］张蓉，吴德华，张德功.80－345K连续调温腔型黑体［J］.环模技术，1997，50:18～23.

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