低温面源黑体均温结构研究

　　1 引言

　　近年来随着红外技术的发展，面源黑体的应用越来越广泛，例如红外焦平面阵列探测器、红外成像系统及红外辐射测温系统等都需要各种大面积低温黑体辐射源[1]。目前国内外面源黑体的均温方式大部分采用热管或恒温浴。热管均温方式虽然温度均匀性好，但由于热管工质的限制使得黑体工作温区较窄。恒温浴均温方式主要缺点是体积较大，系统复杂[2]。红外探测标定用的面源黑体，工作温度为200～450K，采用脉冲管制冷机进行降温冷却，升温采用电加热调温的方式。由于结构的特殊性不便采用热管或恒温浴的均温方式，因此需要研制一种特殊的均温结构来保证上述面源黑体的温度均匀性。

　　2 低温面源黑体的总体结构

　　实验室自行研制的一种面源黑体装置的主体。如图1所示主体由黑体辐射板、均温结构、制冷机冷指、加热器、支撑、底板、真空杜瓦等组成。均温结构位于黑体辐射板与制冷机冷指之间，以解决面源黑体的温度均匀性问题。均温结构由均温板和热阻环组成。此外，在黑体射板的侧面设制两块辐射屏，其中一块辐射屏与均温板连接，温度与黑体辐射板接近，另一块辐射屏固定在支撑上，与均温板隔热连接。这种设计的目的是进一步减少黑体侧面的漏热，保证其温度均匀性。

　　黑体辐射板和均温板由低热导率、高强度的薄壁不锈钢筒支撑在杜瓦底板上。脉冲管制冷机冷指插入杜瓦底板，冷端直接与均温板压接。制冷机冷指重量全部支撑在杜瓦底板上与杜瓦底板密封。黑体辐射板的直径为100 mm，材料采用热导热率高的金属，有一定的厚度，通过金属的导热达到辐射面温度均匀。为提高面源黑体的发射率，黑体辐射板表面加工成V 形槽同心环形状，并且对表面进行了发黑处理[3 -5]。辐射板材质选用热导率较好的铝，经发黑处理后平面实测发射率达0.95。

　　3 均温结构设计

　　面源黑体工作温度为200～450 K，当设定的工作温度低于室温时开启脉冲管制冷机，高于室温时制冷机关闭并启动电加热。为保证加热时热量也沿黑体板厚度方向传递，将加热器固定在制冷机冷指上，这样仅用一块均温板就能在全温区( 高温和低温) 得到较好的温度均匀性。制冷和加热的热流传递路径是一致的只是方向相反，下文以制冷工况为例说明均温结构的工作原理。

　　图2为黑体辐射板、均温结构和脉冲管制冷机冷指耦合的结构示意图。制冷机冷指直径14 mm，其表面温度可认为是均匀的。黑体辐射板的正面、侧面和背面与外界有热交换，这些漏热最终被脉冲管制冷机冷指带走。黑体辐射板表面各点到脉冲管制冷机冷指传热过程的热阻不同是造成表面温度不均匀的主要原因。均温结构的主要作用是通过改变热流传递路径的热阻使黑体辐射板表面各点到冷指的热阻近似相等，从而使辐射板温度均匀。均温结构包括均温板和热阻环1、2、3 如图2 所示。均温板材料采用导热较好的紫铜，热阻环如图3 所示。热流通过接触面1～8，再经均温板流向冷指，传热过程的热阻主要有导热热阻和接触热阻。均温结构和黑体辐射板之间采用螺钉连接，接触热阻取文献[7]中的数据5×10^{- 5}m²·K/W。如果黑体辐射板和均温板结构已确定，导热热阻是不变的，而热阻环采用不同的材料和尺寸得到不同的热阻( 包括接触热阻和导热热阻) 。要使各传热路径热阻相同，通过改变热阻环的热阻来实现。均温结构设计的主要工作是确定热阻环的接触热阻和导热热阻。由于传热的复杂性，采用ANSYS 稳态热分析软件进行辅助设计，最终确定的均温结构尺寸如图4 所示。热阻环厚度为1 mm，热阻环 1 的材料为紫铜，热阻环2 和3 的材料均为不锈钢。