微型斯特林制冷器与杜瓦瓶组件耦合漏热分析

    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,2×8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0.1~10LW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2×8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φ7.24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: