微型杜瓦绝热和真空保持的分析.pdf

第34卷 第4期 激 光 与 红 外Vol.34,No.42004年8月 LASER&INFRAREDAugust,2004 文章编号:100125078(2004)0420275204微型杜瓦绝热和真空保持的分析于小兵(华北光电技术研究所 北京100015)摘 要:通过对微型杜瓦各种传热途径的分析,可以较为准确地计算出杜瓦的功耗,以确定微型杜瓦优化设计中应注意的问题。杜瓦微漏孔和真空室内部材料放气使杜瓦真空度下降。提出了保持杜瓦长期高真空状态的方法。关键词:杜瓦;导热;传导系数;真空中图分类号:TN215;TN104 文献标识码:AAnalysis of Dew ar Thermal Isolation and High V acuum LifetimeYU Xiao2bing(North China Reseach Institute of Electro2Optics,Beijing 100015,China)Abstract:Heat transfer of dewar is analysed by theory.Dewar heatload can be calculated by formulas.The way of de2war design is revealed.Leakage and outgas of dewar vacuum vessel also is analysed.The method of increasing the un2maintained dewar high vacuum lifetime is clarified.Key words:dewar;heat transer;heat transfer coefficient;vacuum1 前 言大多数红外光子探测器必须在低温下才能正常工作。军事应用上,常将其装入微型杜瓦并用制冷器(机)保持工作温度。微型杜瓦的寿命决定着红外探测器的使用时间,其功耗直接决定着所需制冷功率的大小。为保证对探测器的充分制冷,而又尽可能低的冷量耗散,绝热和真空保持是杜瓦设计中最关键和最基本的。微型杜瓦由芯柱和外壳组成,芯柱配接制冷系统的冷指,外壳与红外系统连接。2 杜瓦的热设计图1所示微型杜瓦的结构和传热分析。杜瓦的芯柱和外壳焊接后,形成一个密封室,外壳上有导线密封元件。芯柱和外壳间的空间形成真空可最大限度降低气体导热。红外探测器装在芯柱密封端的冷头平面上,接受从光学窗口进入的光辐射。红外探测器、杜瓦冷头和连接冷头的一小段芯柱为低温区,由插入芯柱内孔的制冷器提供冷量。杜瓦导线将探测器输出的红外信号传输到外面的信号处理电路。图1 微型杜瓦的热传导示意图从图1也可看出,杜瓦有沿芯柱轴向和导线长度方向从外壳到低温区的固体导热;从外壳内表面热辐射到芯柱外表面的辐射导热;外壳和芯柱组成的真空室内的残余气体的气体导热。杜瓦芯柱为很薄的管材,芯柱长度远大于芯柱厚度,芯柱平均导热系数及表面传热系数均为常数,长度方向截面保持不变,芯柱径向任一截面上温 作者简介:于小兵(1966-),男,高级工程师,1988年毕业于西安电子科技大学无线电设备结构设计专业,现在华北光电技术研究所从事红外探测器组件的研制工作。收稿日期:2004204226;修订日期:2004205221度分布均匀。当探测器维持在约77K工作温度时,杜瓦总的传热量,即芯柱总热损失为5:Q=kAcm(Tb-Td)ch(mx)sh(mL)(2.1)m2=dbh/kAc(2.2)h=hgc+hrad(2.3)式中:Tb 杜瓦外壳温度Td 探测器温度h 杜瓦芯柱表面热传导系数L 芯柱长度db 杜瓦芯柱外径k 杜瓦芯柱导热系数Ac 杜瓦芯柱横截面积hgc 残余气体热传导系数hrad 辐射热传导系数2.1 残余气体热传导系数杜瓦真空室被抽真空并冷封排气后,真空室内表面及探测器材料还将逐渐向真空室内释放气体,气体传热随着真空室内气体压力增加而加大。由于气体压力很低,一般在10-3Pa至100Pa之间,分子平均自由程和气体传热的空间尺寸ls可以确定稀薄气体的热传导状态。努森数定义为6:Kn=ls(2.4)努森数用以确定稀薄气体传热的状态:当Kn10时,为自由分子状态;当10 Kn 1时,为过渡状态;当0.1 Kn 0.01时,为温度跃变状态;当Kn 0的情况。当h=0时,温度分布成线性状态,芯柱总的热损失为5:Q=kAc(Tb-Td)/L(2.11)图2 芯柱轴向的表面温度分布若芯柱圆周上残余气体和辐射传热系数很小时,可用上式得到一个芯柱热损失的近似结果。式672激 光 与 红 外 第34卷(2.11)也是芯柱固体传热量的计算公式。现在分析各种参量对杜瓦芯柱热损失的影响。图3表示残余气体传热系数随残余气体压力变化曲线2;图4表示杜瓦系统辐射系数对杜瓦芯柱热损失的影响2。图3 残余气体传热系数随压力变化曲线图4 系统辐射系数对芯柱热损失的影响由图3可知,hgc随残余气体压力提高,当气体压力低于10-2Pa时,气体传热可以忽略不计;当气体压力高于1Pa时,气体传热随压力上升而增加较快;当气体压力大于100Pa时,气体传热变为恒定,无真空绝热效果。由图4可知,当芯柱外表面辐射系数小于0.1时,辐射传热很小,但随着芯柱外表面辐射系数的增加,辐射传热就会有明显提高。由式(2.1)和式(2.11)可以分析出,在设计杜瓦时,为降低杜瓦热损失,应选择导热率小的材料制造芯柱,芯柱横截面积越小越好,即当芯柱内径确定时,芯柱壁厚应尽量薄。杜瓦真空室内残余气体压力应低于10-2Pa,并要长期保持低于该气压。芯柱外表面和外壳内表面应尽量光滑,或镀涂反射率高的材料,减少辐射传热。连接杜瓦低温端和室温端的信号引出导线的设计思路与芯柱的设计方法一致,只是由于导线的表面积小,由残余气体和辐射引起的热损失很小,可忽略不计。我们根据以上原则进行了微型杜瓦的设计和制造,杜瓦的绝热性能较为理想,满足使用要求,已用于多种红外探测器组件。3 杜瓦的高真空保持杜瓦真空室内气体量的增加包括漏气孔的漏气量、通过真空室壁渗透的气体量和材料的出气量。通过真空室壁渗透的气体量相对于其他两项很小,可以忽略不计。杜瓦经高真空排气后,一次性封死,在无新漏孔出现的情况下,漏气率为恒定值,漏气率对杜瓦真空室真空度的影响由下式表示4。Ft=VP(3.1)式中:P 真空室气体压力变化量F 杜瓦真空室总漏气率t 时间F 杜瓦真空室容积真空系统一般采用高灵敏度的氦质谱检漏仪检漏,检出的氦漏率较实际空气漏率高出2.7倍。下表为1ml容积的杜瓦在不同氦漏气率情况下,我们计算出从超高真空下降到10-2Pa所用的时间。表1 不同氦漏气率情况下对杜瓦真空保持时间的影响真空室总氦漏气率(Pam3/s)下降到10-2Pa所用时间10-14750h10-1375h10-127.5h10-1145min10-104.5min现在,一般氦质谱检漏仪的最高灵敏度为10-12(Pam3/s),杜瓦的有效容积一般为几十毫升到二百毫升,由此可见真空室微孔的漏气率对真空度影响很大。为延长杜瓦从超高真空下降到10-2Pa所用时间,在设计上应尽量增大杜瓦真空室容积。任何固体材料在大气环境下都能溶解、吸附一些气体。当材料置于真空中时就会因解溶、解吸而出气。材料的出气速率除与材料性质有关外,还和材料的制造工艺,储存状况有关。预处理工艺(如:清洗、烘烤、气体放电轰击、表面处理等)对材料出气速率的影响也很大。材料出气速率是温度和时间的函数。其关系如下:lgq=lgq1-algt(3.2)q=q0exp-ER T(3.3)式中:q 出气速率q1、q0 常数E 出气活化能772第4期 激 光 与 红 外R 气体普适常数 出气速率的衰减系数(一般有机材料 0.5,金属材料均1。)由式(3.2)可看出,出气速率是时间的慢变化函数,即,时间延长一个数量级,出气速率只降低半个或一个数量级4。表2 各种预处理条件下不锈钢常温出气率4(注:1托133Pa)烘烤规范温度时间小时预 处 理牌 号出气速率q托 升/秒 厘米21小时10小时2425小时1001501501502002503003003111730325去脂化学抛光电抛光玻璃球抛光,去脂,化学清洗电抛光电抛光或玻璃球抛光去脂未处理SUS27(日)Z3CN18-8(法)Z3CN18-8(法)304(美)1Cr18Ni9Ti304(美)SUS27(日)U15C(法)1.510-9-410-12(外推)-610-114.510-121.210-101.11.710-102.9510-10210-12(外推)-1.510-12-2810-110.72.310-2310-12-3503603804004304404404501000+36010452016710105325未处理未处理未处理电抛光电抛光超声波清洗机械抛光去脂未处理1Cr18Ni9TiU15C(法)1Cr18Ni9TiEN58B(英)1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9TiSUS27(日)U15BM(法)310-12(外推)2.610-12110-12(外推)310-149.710-13(外推)8.610-12(外推)2.610-13(外推)310-121.310-14-110-13-从表(2)可看出,出气率不仅和所经历的时间有关,而且和材料表面预处理方法有很大关系。金属在室温下出气的主要成分是水气(占90%以上),对于清洁的表面来说,表面光洁度越高,吸附的水气就越少。用有机溶剂去脂时,表面的单分子层污染是无法去掉的,只能靠真空下的烘烤来去掉。温度在200 以上的真空烘烤可有效地除掉水气,但要有效地除掉氢,则必须在400 以上的温度下进行真空烘烤。由式(3.3)得出:温度越高,材料出气率越大,当材料在高温下大量放气后,材料表面总吸附气体脱附很多,当材料降至室温时,材料的室温放气率会很低。所以,为长期保持杜瓦高真空状态,杜瓦真空室内表面的除气温度高、时间和为好,但温度太高,会影响材料的机械性能。由于杜瓦高温除气后还要在大气下装配红外探测器,真空室内表面又会重新吸气,暴露大气时间越长,吸气越多。所以,杜瓦在高真空排气时应尽量提高排气过程中的烘烤温度和延长排气时间,使吸附在真空室内表面的气体尽量多的排除出去,降低排气完成后的真空室内表面的残余气体出气率。一般杜瓦的内表面积在一百至几百平方厘米之间,参考高温除气后的出气率值,计算后得出:总内表面的出气率对杜瓦的高真空长期保持影响依然很大。为抵消杜瓦内表面出气和杜瓦的漏气,在杜瓦真空室内放置吸气剂,吸收进入真空室内残余气体。在微型杜瓦的制造中,我们对杜瓦零件进行了高真空高温下长时间除气,装入芯片后长时间烘烤排气,杜瓦功耗的增加速度明显降低。通过在杜瓦真空室内安装吸气剂,杜瓦真空室内压力长期低于10-2Pa。当杜瓦真空室内压力高于10-2Pa,激活吸气剂,杜瓦真空室内压力又可低于10-2Pa,现在已达到每两年左右激活一次吸气剂,吸气剂可反复激活七次。参考文献:1Stephen Whicker.NewTechnologies for FPA DewarsA.SPIE,1992,1683:102-112.2Y.Tito Sasaki.Leak Testing of Sensor Dewars to IE-15Std He/sA.SPIE Infrared Detectors and Focal PlaneArrays,1990,1308.3Ho2Young Kim,Byung HaKang,Dae2Young Lee.AParametric Study On The Cooling Characteristics of AnDetector Cryochamber J.Cryogenics 2000,40:779-788.4 真空设计手册组.真空设计手册M.北京:国防工业出版社,1981:200-247.5 杨世铭,陶文铨.传热学 M.北京:高等教育出版社,1998:20-40,239-291.6E R G埃克尔特,R 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