斯特林制冷机耦合超长线列焦平面探测器的冷量损失分析

魏露露 陆永达 张继宇 陈怀军 单伟根

(1中国电子科技集团公司第十六研究所 合肥 230043)

(2安徽省低温与制冷技术省级试验室 合肥 230043)

1 引言

空间红外探测器由单元、多元，发展到大规模焦平面，随着空间红外探测技术的发展，空间制冷技术也得到快速发展，同时也对空间制冷技术提出了更高的要求［1-2］。为满足超长线列焦平面器件的需求，使得器件杜瓦内的冷链、冷平台相关尺寸增加，导致斯特林制冷机与器件耦合过程中，在杜瓦内的冷量传输损失变大，热负荷的增加进一步对斯特林制冷技术提出更高要求［3］。针对超长线列焦平面器件对制冷性能的要求，开展了斯特林制冷机耦合超长线列焦平面探测器的冷量损失特性研究，分析了耦合过程中冷量损失对斯特林制冷机性能的影响，特别是辐射漏热对制冷量和降温时间的影响，通过实验研究和模拟计算对制冷性能进行验证对比，保证焦平面探测器对制冷性能的高要求。本文主要针对大冷量斯特林制冷机与超长线列焦平面探测器耦合过程中，冷量损失中的热辐射损失对具有大冷板的斯特林制冷机性能的影响进行实验和模拟对比分析，为下一步的斯特林制冷机优化设计奠定良好基础。

2 试验装置

图1 试验装置耦合结构图Fig.1 Coupling structure of experiment

为了测试冷帽到红外焦平面探测器的冷量传输特性及耦合性能，搭建如图1所示的大冷板斯特林制冷机耦合的冷量损失试验装置，试验过程中分别采用杜瓦1和杜瓦2进行大冷板斯特林制冷机的冷量传输损失试验，其中杜瓦1为镀铬和金的不锈钢杜瓦，内表面积为4 190 cm2;杜瓦2为未镀层的铝杜瓦，内表面积为2 095 cm2，在实验时以相同热容量和体积的紫铜板代替焦平面探测器芯片，紫铜板表面积为225 cm2。冷帽与紫铜板通过柔性铜冷链连接，减小导热热阻并减缓振动对模拟芯片的冲击，斯特林制冷机的制冷量由紫铜板内的加热电阻计算所得。

图2所示为两种测试杜瓦结构对比示意图，从A、B两种结构对比可以看出传统测试杜瓦的杜瓦结构内表面积和冷指尺寸面积小，辐射损失对斯特林制冷机的制冷性能影响较小，并无导热损失;本文测试杜瓦结构中的杜瓦结构内表面积较大，冷指通过冷链与紫铜板构成的冷平台尺寸面积较大，因此辐射损失对斯特林制冷机的制冷性能影响较大，并存在冷指与紫铜板间的导热损失以及支撑柱的导热损失。本文主要基于同一冷平台结构对斯特林制冷机的制冷性能分析，在不同杜瓦结构及防辐射处理过程中的导热损失一定，因此主要针对辐射损失进行研究斯特林制冷机制冷性能的影响。实验过程中采用两种杜瓦结构，并采用单面镀铝涤纶薄膜对冷指及冷平台进行防辐射处理，达到研究热辐射对大冷量斯特林制冷机制冷性能影响的目的。

图2 测试杜瓦结构对比示意图Fig.2 Contrast of test Dewar

3 实验结果分析

如图3所示，分别为杜瓦1和杜瓦2在未防辐射处理情况下的降温实验过程，在模拟芯片降温过程中，经历相同的时间165 min后趋于平衡，杜瓦2达到80 K降温要求，杜瓦1降温为91 K达不到降温要求，同时如图4所示，在相同时间内，冷帽都达到相同温度75 K，说明在相同的试验条件下，杜瓦1与杜瓦2相比存在较大的冷量损失，使得杜瓦1中的模拟芯片的表面温度达不到80 K的要求，即在相同的导热损失下，尽管杜瓦1表面辐射率略小于杜瓦2的表面辐射率，由于其内表面积较大，根据热辐射基本定律可知杜瓦1存在较大的辐射漏热，导致斯特林制冷机的冷量在传输过程中存在较大损失，制冷性能恶化，因此在耦合优化设计过程中要提高表面辐射率的同时减小表面积，达到减少热辐射损失，提高冷量传输性能的目的。

图3 不同杜瓦下紫铜板降温过程Fig.3 Copper plate cooling process of different Dewar

图4 不同杜瓦下冷帽降温过程Fig.4 Beanie cooling process of different Dewar

为进一步检测辐射损失在耦合过程中冷量损失的比重，对杜瓦2内表面、紫铜板和铜帽采用单面镀铝涤纶薄膜包裹和未包裹两种方式进行防辐射处理，以检测辐射漏热对降温时间和制冷量的影响。

如图5和图6所示，在防辐射铝箔包裹的情况下，紫铜板125 min时到达80 K，此时冷帽的温度为71 K，随时间进行冷帽和紫铜板的温度继续降低;在未防辐射处理的情况下，紫铜板经历170 min达到80 K，此时冷帽的温度为66 K，温度渐渐趋于平衡，因此在防辐射包裹的情况下，一方面减少冷帽和紫铜板间的温差，同时减少了降温时间，增加了斯特林制冷机的冷量传输能力和制冷量，在未防辐射处理的情况下，冷帽和紫铜板的温差大大增加，降低斯特林制冷机的冷量传输能力和制冷量，由图5和图6得出，在防辐射处理和未防辐射处理的情况下，辐射漏热对斯特林制冷机在耦合过程中的冷量传输性能有较大影响。

图5 防辐射与未防辐射下紫铜板降温过程Fig.5 Copper plate cooling process of different radiation

图6 防辐射与未防辐射下冷帽降温过程Fig.6 Beanie cooling process of different radiation

4 模拟对比分析

由之前实验结果的制冷性能可知，辐射漏热对整个耦合过程有较大影响，采用模拟计算对防辐射和未防辐射处理的实验过程进行对比分析，模拟过程中假定防辐射包裹的杜瓦内表面、紫铜板和冷帽的辐射率为0，而未进行防辐射处理时的杜瓦内表面、紫铜板和冷帽的辐射率根据相应材料属性设置其表面辐射率。

图7为杜瓦2在防辐射处理和未防辐射处理情况下，具有大冷板斯特林制冷机与焦平面探测器耦合过程中制冷量随温度变化图。从图中可以看出杜瓦2在未防辐射处理时，紫铜板温度为了稳定在80 K时，其制冷量为1 W;在防辐射处理时，紫铜板在80 K时的制冷量为3.2 W，制冷量提升了3.2倍，并在71 K时有1.6 W的制冷量，对杜瓦、紫铜板和冷帽采用单面镀铝涤纶薄膜包裹到达防辐射处理的目的，大大减少了斯特林制冷机与焦平面探测器耦合过程中的辐射漏热，提高了斯特林制冷机的综合性能。

如图8所示为模拟杜瓦内表面、紫铜板和冷帽在杜瓦2内进行防辐射处理情况下的紫铜板温度分布情况，其中图8a¯图8c加载制冷量分别为:1.6，2.5，3.2 W，与实验过程中的制冷量相同，从模拟结果可以看出紫铜板的温度分布较为均匀，最高温度均在中心孔热电阻加载位置处，模拟温度结果与实验结果有良好的一致性。

图7 防辐射与未防辐射下的制冷量Fig.7 Cooling capacity of different radiation

图8 防辐射处理下紫铜板的温度分布情况Fig.8 Copper plate temperature of no radiation

图9 未放辐射处理下紫铜板温度分布情况Fig.9 Copper plate temperature of radiation

图9为模拟杜瓦内表面、紫铜板和冷帽在杜瓦2内未防辐射处理情况下的制冷量，紫铜板加载制冷量为1 W。从图中可以得知紫铜板的温度均匀性较好，其制冷量、紫铜板表面温度与实验结果测得基本一致。

通过模拟分析对比实验结果可以看出模拟结果与实验结果有良好的一致性，说明为了提高斯特林制冷机与超长线列焦平面探测器耦合的制冷性能，可以提高杜瓦、紫铜板和冷帽等的发射率，减少辐射损失，对杜瓦表面进行相应处理，同时通过模拟计算分析耦合过程的损失分布情况，有利于在优化设计阶段采取相应措施，提高耦合的综合性能。

5 结论

本文通过对大冷量斯特林制冷机与超长线列焦平面耦合过程中出现的冷量损失进行模拟计算和实验分析，性能曲线显示不同方式的杜瓦对紫铜板和冷帽的降温时间和制冷量有较大影响，解决大冷量斯特林制冷机与超长线列焦平面耦合过程中漏热问题，特别是辐射漏热，对整个耦合系统有积极作用。

1 何兴伟，吴明勋，吴亦农，等.冷链的研制及其热传导性能的试验研究［C］.上海市制冷学会2005年学术年会论文集，上海，2005:54-56.He Xingwei，Wu Mingxun，Wu Yinong，et al.Development of Cold Chain and the Experiment of the Diathermancy［C］.Shanghai Institute of Refrigeration Symposium 2005，Shanghai，2005:54-56.

2 陆永达，朱魁章，杨坤，等.大冷量长寿命斯特林制冷机热环境适应性试验研究［J］.低温与超导，2012，40:5-8.Lu Yongda，Zhu Kuizhang，Yang Kun，et al.Thermo-adaptability study on a high capacity long-life Stirling cryocooler［J］.Cryo.＆ Supercond，2012(40):5-8.

3 纪国林，吴亦农，徐妙根.空间机械制冷机与红外焦平面耦合技术.真空与低温，1998，4(2):69-73.Ji Guolin，Wu Yinong，Xu Miaogen.Technique for linking between space borne mechanical cryocooler and infrared detector［J］.Vacuum＆ Cryogenics，1998，4(2):69-73.