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微型斯特林制冷器与杜瓦瓶组件耦合漏热分析

添加人:[db:添加人] 发布时间:2017/9/27 13:54:55 来源:中国冷凝器网


  红外技术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)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。
  1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100mW以内,小的仅仅只有几十毫。32元光导器件产生的热量在50mW左右,64元为70mW左右,2X8条SPIRTE光伏器件产生的热量在70mW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. 1~10MW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2X8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500mW,但选用节流制冷时,允许工作内径忉。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200mW;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150mW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(amesDewar)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: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;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;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;杜瓦瓶顶部内外温差造成的热辐射引起的漏热;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: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103Pa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0.5W/cm2左右,毫无疑问,对流换热会带来非常大的漏热,通常102Pa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:率;为Stefan-Boltzmann常数;V为观察因子;F为表面积;丨为辐射表面温度;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:热率;F为横截面积;丨为热端温度;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,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。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,再好的制冷器实际耦合过程中,需要注意的是: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。
  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104Pa),并且内壁之间的距离非常小0寸,就会出现残余自由分子热传导现象,具体计算式如下: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;a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;乃为热端温度;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。
  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①耦合时环境必须干燥,②内壁间隙必须优化,③密封要好。国外为了彻底解决这个问题就出现了IDCA(INTEGRATED DEWARCOOLERASSEMBLY)的概念一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150mW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: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;斯特林制冷器与杜瓦瓶组件的密封,采取合理的密封结构;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。
  只有这样才可能减少耦合漏热量,提高制冷器/杜ASSEMBLY)的概念一制冷器与杜瓦瓶集成为一体的瓦瓶组件的综合性能。结构。