微型斯特林制冷器与杜瓦瓶组件耦合漏热分析.pdf

材料与器件微型斯特林制冷器与杜瓦瓶组件耦合漏热分析陈晓屏(昆明物理研究所,云南 昆明650223)摘要:对杜瓦瓶漏热、微型斯特林制冷器冷指与杜瓦瓶组件耦合漏热进行了分析,得出斯特林制冷器与杜瓦瓶组件耦合时漏热量与微型节流制冷器和杜瓦瓶组件耦合时漏热量的区别,提出了斯特林制冷器与杜瓦瓶组件耦合时漏热量不但包括传统的三项漏热,而且应加上残余自由分子热传导引起的漏热量和穿梭漏热量。并给出了耦合时应该根椐不同的制冷方式采取不同结构的建议。关键词:斯特林;制冷器;杜瓦;漏热中图分类号:TB96;TN216 文献标识码:A 文章编号:100128891(2002)01200232041概述近20年来,微型斯特林制冷技术在红外技术应用的牵引下,特别是在传热、电子、材料、加工技术飞速发展的条件下有了很大的进步。微型斯特林制冷器独具的体积小、重量轻,只需几十瓦、有的只需几瓦的输入功率就可产生红外探测器件所需的制冷量,几乎不需要后勤保障就能连续工作等特点,越来越多的红外系统选用这种制冷方式。红外探测器自身产生的热量很小,通常在100 mW以内,小的仅仅只有几十毫。32元光导器件产生的热量在50 mW左右,64元为70 mW左右,28条SPIRTE光伏器件产生的热量在70 mW左右,主要是由传输电路产生热量的焦平面器件也只有几十毫瓦。一般情况下,光导器件(如PbS、HgCdTe材料)每一元消耗大约10mW的冷量,焦平面每一像素消耗0.110W的冷量。器件与制冷器连接时中间环节还有引线、传热温差、纯杜瓦漏热以及耦合过程会带来的热损失,国外整机选用制冷方式时对杜瓦都有严格的规定,如英国马拉德公司28条SPIRTE光伏器件对节流和斯特林两种制冷器的制冷量都要求为500 mW,但选用节流制冷时,允许工作内径 7.24的杜瓦瓶组件静态漏热可以在180mW以内,特殊情况可以上升至200 mW;而选用斯特林制冷时,相同工作内径的杜瓦瓶组件静态漏热必须在150 mW以内,由此可见,两种制冷器与杜瓦耦合时是有很大的差异。2耦合分析2.1 杜瓦瓶自身漏热自1892年,英国科学家詹姆斯 杜瓦(James Dewar)发明用双层真空绝热容器存放低温液体,人们经过几十年的努力使这种称之为杜瓦瓶的真空绝热容器自身漏热不断减小、形状各异、使用范围不断扩大。特别是近30年,随着红外技术的进步,微型制冷器的工程应用,微型非灌注式杜瓦瓶也随之发展起来,引起杜瓦瓶自身漏热的主要因素有5个:1)沿杜瓦瓶内壁由冷端与室温端形成的温差造成固体传热引起的漏热;2)探测器必须的引线两端温差造成的固体热传导、以及产生的焦尔热引起的漏热;3)杜瓦瓶外壁与内壁之间的温差造成的热辐射所引起的漏热;4)杜瓦瓶顶部内外温差造成的热辐射引起的漏热;5)由于真空度不够高,杜瓦瓶夹层残留气体导致漏热。上述引起漏热的原因是杜瓦瓶本身的结构和功能上不可辟免的,但可以通过提高制造水平来减小这5个方面的漏热,如:在不影响杜瓦瓶其它参数条件下,尽可能减小内管的直径和内壁的厚度,采用热阻大的材料,减少引线数目、线径与电流的优化设计,增加吸气剂,提高杜瓦瓶的真空度,增加防辐射屏等方法来降低杜瓦瓶自身的漏热。微型非灌注式杜瓦瓶有很多种类、结构,相同种类和结构的杜瓦瓶自身漏热因素大体相同,但漏热不外乎以下3种类型由上述因素决定,自身漏热量为:Qs=Qc+Qr+Qt(1)式中:Qs为杜瓦瓶自身漏热量;Qc为杜瓦瓶内壁和引线产生的导热(含焦尔热),通常这是主要热负载的来32第24卷 第1期2002年1月红 外 技 术Infrared TechnologyVol.24No.1Jan.2002 收稿日期:2001205215源;Qr为杜瓦瓶内外温差引起的辐射漏热量;Qt为杜瓦瓶内气体对流换热引起的漏热量。杜瓦瓶内气体对流换热引起的漏热量在杜瓦瓶真空优于10-3Pa时,可以忽略对流传热,但环境温度和气压条件下,对流换热量大约在0.1至0.5 Wcm2左右,毫无疑问,对流换热会带来非常大的漏热,通常10-2Pa的真空环境会使对流换热降低一个数量级,故,一个存贮寿命超过5年以上的杜瓦瓶在计算热负载时,可以不考虑对流引起的漏热。辐射传热是另一个主要的漏热方式,计算方法(稳态、一维)由下式确定:Qr=VF(T1-T2)(2)式中:Qr为辐射传热所引起的漏热量;为物体的发射率;为Stefan2Boltzmann常数;V为观察因子;F为表面积;T1为辐射表面温度;T2为冷表面温度。一般红外探测器件用杜瓦的漏热量一般都在几毫瓦至十几毫瓦之间,考虑漏热时,通常要根据杜瓦窗口几何尺寸来确定。导热是最主要的漏热因素,计算方法(稳态、一维)由下式确定:Qc=QcF(T1-T2)L(3)式中:Qc为导热因素产生的静态漏热量;为材料的导热率;F为横截面积;T1为热端温度;T2为冷端温度;L为热端与冷端之间的距离。这部分漏热量比较容易计算,通常在几十毫瓦至一百多毫瓦,所以,设计杜瓦瓶时对内壁、引线(有时还应考虑引线截面积与电流之间的最佳匹配,导线过细使焦尔热过大时不能采用上式计算引线漏热)的处理是相当重要的,不然会产生更大的导热漏热,无法实现工程应用。根据计算和实验,上述几个因素的漏热之和不过几十至200 mW,最多不超过300 mW。但实际工程应用过程中往往会出现更大的漏热损失,这是设计人员需要多加注意的。2.2 可与制冷器配合的杜瓦瓶(含探测器)组件单纯的杜瓦瓶并不能随意直接与微型制冷器相耦合,二者耦合是要有条件的,如:结构符不符合耦合要求、接口尺寸是否一致、冷量与热耗的关系等问题。所谓杜瓦瓶组件就是包括杜瓦瓶、与制冷器连接的法兰、杜瓦瓶与法兰之间的密封结构在内的几个部件的总称。必须搞清楚杜瓦瓶组件的结构和漏热因素,才能可能将二者耦合。现在市场上流行的杜瓦瓶主要有玻璃杜瓦瓶和金属杜瓦瓶两种结构,两种杜瓦瓶的区别在于:金属杜瓦瓶基本上是金属材料制作,不易损坏,尺寸精度高,相同外形结构的杜瓦瓶真空容器大,能尽可能的包裹制冷器的冷指,容易批量生产,特别是当今世界流行的集成杜瓦瓶与集成整体式斯特林制冷机结合成一体,可大大减少漏热量,缺点是防止材料放气的表面处理、不同性质材料的焊接及引线等技术不容易解决,导致杜瓦存贮寿命较短。而玻璃杜瓦瓶制作工艺相对成熟,真空处理比较容易,与金属材料相比较,表面不容易放气,但玻璃杜瓦瓶最大的缺点是玻璃材料易碎、尺寸精度较低,制冷器耦合时需加装金属法兰及密封材料,增大了耦合损失。如果两种杜瓦瓶的真空度相同,外形一样、装配尺寸一样,那么玻璃杜瓦瓶的有效深度略小于金属杜瓦瓶;如果玻璃杜瓦瓶与制冷器连接法兰、密封结构合理(金属杜瓦瓶这两部分基本不占尺寸),两种杜瓦瓶会有一点差异;玻璃杜瓦瓶与制冷器连接法兰、密封结构不合理,如密封部份的轴向尺寸过大,就会引起过大的漏热,过大的漏热又要求更大制冷量的制冷器来制冷,必然需要加大冷指直径(杜瓦瓶直径也要加大),又会增大漏热,两个部份的漏热有时甚是原来冷量的一倍还多,这种差异就会引起系统的改变。2.3 杜瓦瓶漏热的测量方法主要有两种方法来测量杜瓦瓶的漏热,一是称重测试法,另一种是流量测试法。称重测试方法的计算公式如下:QL=MQmt(W)(4)式中:M为液氮质量,单位g;Qm为液氮质量潜热;Qm=199Jg;t为质量M的液氮耗尽时间,单位:s。流量测试方法的计算公式如下:Qs=Qn(PsTsPnTn)0.5(5)式中:Qs为折算液氮流量(mLmin);Qn为标况下液氮流量(mLmin)。注:以n为下标的参数定义为标况下的参数;以s为下标的参数定义为折算参数。称重测试法测出的数值通常只反映杜瓦瓶自身的漏热量,而不能反映杜瓦瓶组件的漏热。流量测试法测出的数值通常可以反映杜瓦瓶组件的漏热量。2.4 制冷器耦合时的漏热分析红外系统常用节流制冷器与玻璃杜瓦瓶组件或金属杜瓦瓶组件耦合时,差异不大,因为节流制冷器(闭循环节流系统除外)与杜瓦瓶组件不需密封,蒸发的冷气流顺着回热管外壁冷却管内将进入节流孔的高压气42Vol.24No.1 红 外 技 术 Jan.2002体并回温,然后流入大气。冷指与杜瓦瓶内管之间不需形成密封空间,只要玻璃杜瓦与法兰之间的密封结构轴向长度不要太长,二者没有太大的差异。微型斯特林制冷器是近期红外系统最为常用的制冷器,如图1所示,微型斯特林制冷器与任何形式的杜瓦瓶组件都需要有良好的密封,不然会引起很大的漏热,甚至导致微型斯特林制冷器无法将探测器冷却到需要的温度,使红外系统无法正常工作。图1 斯特林制冷器与玻璃杜瓦瓶、金属杜瓦瓶组件匹配示意图Fig.1Stirling cryocooler coupling with glass dewar or metal dewar实际耦合过程中,需要注意的是:1)使用斯特林制冷器时,最好以流量测试法计算杜瓦瓶组件漏热;如果只能采用称量测试法计算杜瓦瓶组件漏热时,必须确保玻璃杜瓦瓶与安装法兰之间具有良好的密封。2)确保微型斯特林制冷器与杜瓦瓶组件之间具有良好的密封。当微型斯特林制冷机与杜瓦瓶组件耦合时,微型斯特林制冷机冷指与杜瓦瓶组件内壁之间的空间真空度比较差(低于10-4Pa),并且内壁之间的距离非常小时,就会出现残余自由分子热传导现象,具体计算式如下:Qf=CP(T2-T1)(6)式中:Qf为残余自由分子热传导引起的漏热量;C为残余分子的修正比热,由定压比热Cp、定容比热Cv、气体分子量M、通用气体常数R、气体温度T等参数决定;为供应系数,与冷指、杜瓦换热的几何尺寸有关;P为表示压力;T2为热端温度;T1为冷端温度。密封空间不可避免有一定的气体会被液化,在制冷器调温过程中,会导致气化、液化引起的穿梭漏热。如:水气过多,穿梭漏热量增大,甚至发生液体的热传导现象。这两部分漏热的几率非常复杂,通常都在几十毫瓦至几百毫瓦,关键在于密封时,空气是否干燥,内壁是否靠得近等因素。有时密封出现故障,密封空间的真空甚至接近大气,二者耦合就会出现困难,甚至无法耦合。这是因为冷指周围几乎处于环境,并无真空保护,再好的制冷器都无法将红外器件冷却到规定温度。为了降低这几部分漏热,必须做到 耦合时环境必须干燥,内壁间隙必须优化,密封要好。国外为了彻底解决这个问题就出现了IDCA(INTEGRATEDDEWAR COOLER ASSEMBLY)的概念 制冷器与杜瓦瓶集成为一体的结构,这个构思的核心就是优化系统(由制冷器、杜瓦瓶、器件、引线等部份组成),将冷指外壳与杜瓦瓶内壁合二为一,减少了一层漏热途径,降低热负载大约150 mW以上,从而减小了整个系统的体积、重量。3小结根椐上述分析,斯特林制冷器与杜瓦瓶组件耦合是非常复杂的问题,要精确计算非常难,必须根椐实验和经验来解决这个问题,应充分注意:1)杜瓦瓶组件的密封及漏热量的测试,选取合理的斯特林制冷器与之匹配;2)斯特林制冷器与杜瓦瓶组件的密封,采取合理的密封结构;3)尽量减小残余自由分子热传导漏热和穿梭漏热,注意冷指直径与杜瓦瓶内径的匹配及安装条件。522002年1月 陈晓屏:微型斯特林制冷器与杜瓦瓶组件耦合漏热分析 第24卷 第1期只有这样才可能减少耦合漏热量,提高制冷器 杜瓦瓶组件的综合性能。尽量采用IDCA(INTEGRATED DEWAR COOLERASSEMBLY)的概念 制冷器与杜瓦瓶集成为一体的结构。参 考 文 献1Harry S.Truman,inPrinciples of Infrared Technology,Vol.5 John Lester Miller.ed,Academic Press,19902Walter Frost ed,HEAT TRANSFER AT LOW TEMPERATURESM,Plenum Press,1975.3R,J.Corruccini,Gaseous Heat Contuction at Low Pressures and Temp,VACUUM,1958.7(8).4R,J.Corruccini,Properties of Materials at low Temperatures,Chem.Eng.Progr.,1957.53(8):3975Patrick Curlier,Cryocoolers for existing and future integrated dewar cooler assembliesA,SPIEC,1998.3436:794801.6J.G.Weisend.Handbook of Cryogenic EngineeeringM,Taylor&Francis,1998.作者简介:陈晓屏,男,1959年生,浙江诸暨人,西安交通大学研究生毕业,教授级高级工程师,主要从事低温制冷器研究工作。Thermal Loss Analysis for the Dewar Assembly Coupling withthe Micro2Stirling CryocoolerCHEN Xiao2ping(Kunming Institute of Physics,Kunming650223,China)Abstract:This article tells the analysis of the Dewar assembly itself and also analyses the thermal loss when the micro2stirling cryocooler coupling with the Dewar assembly.It compares the difference when the Dewar assembly is connecting withStirling cooler and the J2T cooler.The conclusion is:the thermal loss for the Dewar assembly coupling with the micro2Strlingcryocooler is not only including the conventional thermal loss,conducting,convection,radiation,but also consisting of someconducting loss due to the remaining gas free molecular and the shuttling loss.It is suggested that different coupling structureshould be used when Dewar assembly is connecting with different kind of coolers.Key words:Stirling;cryocooler;Dewar assembly;thermal loss(上接第13页)参 考 文 献1 刘德成译.机载红外测量系统与技术J.国外试飞,1991.(2):6878.2 张国英,张金全.地对空动态目标红外特性测量系统J.目标与环境特性研究,1991.(1):5256.作者简介:张国英,男,生于1962年,1983年毕业于西北大学激光物理专业,西北工业大学在读工程硕士,高级工程师。从事目标与环境红外特性测试及研究工作,曾获航空工业部科技进步二等奖三项、三等奖一项。A Ground2based Tracking System for Target IR Signature MeasurementZHANG Guo2ying(China Flight Test Establishment,Xian710089,China)Abstract:The system composition,operation principles and main specifications as well as the key techniques adopted arepresented.The system enables such functions as target auto tracking,locating and IR signature measurement.Meanwhile,thesoftware of the system is capable of slewing the system along the original trajectory to measure the background radiation so as toeliminate its effect on the measurement results.Key words:Target Tracking;IR Signature;Measuring System62Vol.24No.1 红 外 技 术 Jan.2002