〈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Ξ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,2×8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0.1～10μW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500mW,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(JamesDewar)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InfraredTechnologyVol.24No.1Jan.2002Ξ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0.5WΠcm2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=εσVF(T1-T2)(2)式中:Qr为辐射传热所引起的漏热量;ε为物体的发射率;σ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...
