制冷机与红外探测器冷链耦合技术研究

王亚妮,张 巍,迟国春,朱志雄

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

红外探测器与制冷机耦合有两种方式,直接耦合与间接耦合。直接耦合即探测器与制冷机冷头之间直接连接,这种耦合方式可以减轻系统的重量且能有效降低冷损。一般适用于耦合接触面积较小、一对一制冷情况。间接耦合为探测器与制冷机冷头之间采用柔性“冷链”进行连接[1]。这种耦合方式适用于超长线列红外焦平面组件与大冷量制冷机的耦合,或者一台制冷机对多个波段类型红外探测器。

超长线列红外焦平面组件采用直接耦合的缺点有以下三点:①超长线列红外焦平面组件冷平台的尺寸很大,直接耦合对耦合接触面平面度、平行度要求较高,加工难度大；②由于面积较大,探测器对温度均匀性要求较高,直接耦合会造成冷台面温度不均匀,且在制冷过程中由于热胀冷缩原理,极易造成耦合面脱开,导致探测器工作失效；③大冷量制冷机冷指振动较大,会对探测器成像质量造成影响。

因此,为了避免以上问题的发生,需要使用专用的冷链连接来实现探测器组件间接耦合。本文主要综合国内外制冷机研究现状对使用冷链技术进行间接耦合的方式进行了分析。

2 冷链应用

2.1 国内外应用情况

冷链耦合方式有很多种,文章主要针对六种作简单介绍,如表1所示。

表1 冷链耦合方式对比

美国HES项目组根据探测器组件在空间的结构形式,针对一台制冷机对应一个组件的制冷模式,设计了“S”型冷链方式为探测器提供冷量,这种结构能更有效地利用空间位置,应用灵活,是航天项目中值得借鉴的耦合方式。其结构图如图1所示。

图1 HES(ABS)项目冷链方式

在同一个制冷源为多种组件提供冷环境的情况下,上海技物所设计的紫铜片冷链耦合方式就显得更有优势。但是由于冷链在传热的过程中会有热损失,因此,这种冷链方式适用于对制冷温度要求有阶梯差距的探测器组件,如图2所示。

图2 中长波组件冷链方式

当探测器的温度需求需要两台制冷机的冷量同时提供时,图3的柔性冷链设计方式就尤为可取。两台制冷机对置,一根冷链汇流排同时连接冷头与探测器冷平台,更好地为探测器提供低温环境。

图3 4× 22HgCdTe组件冷链方式

在越来越多的航天项目应用过程中,超长线列红外焦平面的应用也愈加广泛,拼接型探测器也将逐渐普及。多条柔性冷链与探测器冷平台均匀分布连接,此种耦合方式很好地避免了探测器温度不均匀导致的成像不均匀的现象,如图4、图5所示。

图4 超长线列红外焦平面(中、短波)冷链方式

图5 超长线列红外焦平面冷链方式

使用多跟细紫铜丝缠绕捆扎形成的柔性冷链,具备很高的柔韧性,在整机应用中有不可缺的优势,结构简图如图6所示。

图6 柔性冷链方式

2.2 冷链材料选择

冷链的主要目的之一是要在低温下实现高效传热。针对焦平面探测器的工作温度以及材料传热、隔振等特性,根据图7[10]所示不同材料在不同温度下的热导率,最终选用高纯铜作为研制冷链的主要材料,结构形式多用铜片或多跟铜丝捆扎而成。纯铜冷链可以有杆、带、辫等几种形式。采用薄铜带、铜辫可以衰减振动,减小材料因温度而变化产生应变、应力的影响。

图7 温度与热导率的关系

针对采用相同工作温度的探测器组件。对冷链的要求是传热温差尽可能小。可选择用低温热管或高热导率材料制作冷链。其中高热导率的固体材料作冷链的方案最为常用。当然,在传热路程长、热负荷大且有相应工作温度的适用介质的情况下,还应首先考虑采用低温热管的设计方案。

3 冷链耦合冷量损失分析

针对柔性冷链的耦合冷量损失,各研究机构进行了多次试验。

图2冷链结构为上海技物所设计,采用单台制冷机对两个探测器同时制冷,冷量通过连接在制冷机冷头与探测器组件上的柔性冷链来传递。通过试验以及计算分析,选用厚度0.1 mm左右的紫铜片作为原始材料,同时采用特殊工艺制成冷链,低温下此种冷链的热导率为510 W/(m·K)。冷链尺寸如表2所示。

表2 冷链尺寸表

试验情况如图8所示。图8(a)为液氮制冷情况下,探测器降温曲线,图8(b)为制冷系统内,探测器降温曲线。从试验结果来看,制冷机冷头温度最低达到70 K,长波探测器温度低于85 K,中波探测器温度低于95 K,可以达到设计目标。

图8 降温曲线[9]

图3所示冷链结构为上海技物所设计。采用柔性铜辫构成冷链,此种方式既能将制冷机冷量传输给探测器,又能有效地消除温度变化产生的应力,克服冷链材料本身的温差变形对探测器的不利影响,并且又可进一步降低制冷机冷指自身振动引起的探测器的机械振动。经计算,此系统的冷链温差为2.5 K,传输效率为89%。

图4冷链结构为上海技物所设计。此结构主要测试试验台如图9所示,采用液氮杜瓦代替制冷机进行试验。在冷箱内部的关键部位上共布置了27个Pt100电阻温度传感器,每个Pt电阻通过三点法标定(液氮、冰水混合物、常温)。Pt电阻与冷箱电缆接口处用φ0.1的锰铜丝连接。在短波冷平台上安装了4片相互串联的30×30的薄膜加热片,用来模拟红外探测器的电功耗。

图9 超长线列红外焦平面(中、短波)试验台

冷平台与冷头温度汇总结果如表3所示。

表3 冷平台与冷头温度汇总

可以看出,中波冷平台与冷头温差较短波冷平台与冷头温差小,其原因与冷链与冷平台接触面积、螺钉的紧固力不够、温度传感器的个体差异、引线长短不同、焊接不均造成的接触热阻差异有关。因此,在做相关设计时,应首先考虑以上几点影响因素。

图6所示冷链结构为中科院理化所设计。柔性带传热带选取紫铜丝带,紫铜丝直径为0.01 cm,根数为3000根,紫铜丝绞在一起,端部压紧后焊接到轴环上。表4为柔性带传热性能试验数据。

表4 柔性带传热性能试验数据

同时研究人员对柔性带进行了疲劳试验,具体方式为将柔性带一端固定,一端连接旋转电机进行反复旋转运动,大气环境下弯折约1500次之后完全断裂。将柔性带长度增加10 mm后,疲劳次数增加为8022次。液氮环境下,柔性带温度稳定在100K时,疲劳运动>5000次。因此低温环境下柔性带的抗疲劳性能优于常温情况,已经能够满足大部分应用场合。

研究人员从不同的连接方式、不同的柔带横截面积、柔性带空间位置等对柔性带的传热性能也进行了多次分析试验,将铜丝压紧并焊接后的热导率明显大于未焊接时的热导率,横截面积大的柔性带传热性能明显大于面积小的,将柔性带伸直时的热导率明显大于弯曲状态。

4 应用前景

随着三代红外焦平面探测器组件更大面阵、双多色的发展和我国航天事业的飞速发展,红外焦平面探测器越来越多地被应用到航天领域,超大面阵探测器需求也逐渐增大,多种谱段探测器拼接型红外焦平面探测器也将被广泛应用。由于制冷型红外焦平面探测器工作性能的发挥对制冷机有很大的依赖性,所以制冷机与红外焦平面探测器之间使用的耦合技术也非常关键。随着红外焦平面探测器朝着大面阵、双多色方向的发展,原有的直接耦合方式已不太适用,本文提及的几种冷链耦合技术也将会逐渐普及,在未来的红外焦平面探测器与制冷机之间的耦合技术中有非常好的应用潜力。

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