第34卷第4期激光与红外Vol.34,No.42004年8月LASER&INFRAREDAugust,2004文章编号:100125078(2004)0420275204微型杜瓦绝热和真空保持的分析于小兵(华北光电技术研究所北京100015)摘要:通过对微型杜瓦各种传热途径的分析,可以较为准确地计算出杜瓦的功耗,以确定微型杜瓦优化设计中应注意的问题。杜瓦微漏孔和真空室内部材料放气使杜瓦真空度下降。提出了保持杜瓦长期高真空状态的方法。关键词:杜瓦;导热;传导系数;真空中图分类号:TN215;TN104文献标识码:AAnalysisofDewarThermalIsolationandHighVacuumLifetimeYUXiao2bing(NorthChinaReseachInstituteofElectro2Optics,Beijing100015,China)Abstract:Heattransferofdewarisanalysedbytheory.Dewarheatloadcanbecalculatedbyformulas.Thewayofde2wardesignisrevealed.Leakageandoutgasofdewarvacuumvesselalsoisanalysed.Themethodofincreasingtheun2maintaineddewarhighvacuumlifetimeisclarified.Keywords:dewar;heattranser;heattransfercoefficient;vacuum1前言大多数红外光子探测器必须在低温下才能正常工作。军事应用上,常将其装入微型杜瓦并用制冷器(机)保持工作温度。微型杜瓦的寿命决定着红外探测器的使用时间,其功耗直接决定着所需制冷功率的大小。为保证对探测器的充分制冷,而又尽可能低的冷量耗散,绝热和真空保持是杜瓦设计中最关键和最基本的。微型杜瓦由芯柱和外壳组成,芯柱配接制冷系统的冷指,外壳与红外系统连接。2杜瓦的热设计图1所示微型杜瓦的结构和传热分析。杜瓦的芯柱和外壳焊接后,形成一个密封室,外壳上有导线密封元件。芯柱和外壳间的空间形成真空可最大限度降低气体导热。红外探测器装在芯柱密封端的冷头平面上,接受从光学窗口进入的光辐射。红外探测器、杜瓦冷头和连接冷头的一小段芯柱为低温区,由插入芯柱内孔的制冷器提供冷量。杜瓦导线将探测器输出的红外信号传输到外面的信号处理电路。图1微型杜瓦的热传导示意图从图1也可看出,杜瓦有沿芯柱轴向和导线长度方向从外壳到低温区的固体导热;从外壳内表面热辐射到芯柱外表面的辐射导热;外壳和芯柱组成的真空室内的残余气体的气体导热。杜瓦芯柱为很薄的管材,芯柱长度远大于芯柱厚度,芯柱平均导热系数及表面传热系数均为常数,长度方向截面保持不变,芯柱径向任一截面上温作者简介:于小兵(1966-),男,高级工程师,1988年毕业于西安电子科技大学无线电设备结构设计专业,现在华北光电技术研究所从事红外探测器组件的研制工作。收稿日期:2004204226;修订日期:2004205221度分布均匀。当探测器维持在约77K工作温度时,杜瓦总的传热量,即芯柱总热损失为[5]:Q=kAcm(Tb-Td)ch(mx)sh(mL)(2.1)m2=πdbh/kAc(2.2)h=hgc+hrad(2.3)式中:Tb—杜瓦外壳温度Td—探测器温度h—杜瓦芯柱表面热传导系数L—芯柱长度db—杜瓦芯柱外径k—杜瓦芯柱导热系数Ac—杜瓦芯柱横截面积hgc—残余气体热传导系数hrad—辐射热传导系数2.1残余气体热传导系数杜瓦真空室被抽真空并冷封排气后,真空室内表面及探测器材料还将逐渐向真空室内释放气体,气体传热随着真空室内气体压力增加而加大。由于气体压力很低,一般在10-3Pa至100Pa之间,分子平均自由程λ和气体传热的空间尺寸ls可以确定稀薄气体的热传导状态。努森数定义为[6]:Kn=λls(2.4)努森数用以确定稀薄气体传热的状态:当Kn>10时,为自由分子状态;当10>Kn>1时,为过渡状态;当0.1>Kn>0.01时,为温度跃变状态;当Kn<0.01时,为连续状态。对于两个同轴管表面温度分别为Ti和T0,半径为ri和r0的传热系数为[2]:两个同轴管连续状态时的传热系数为hgc=kairriln(r0/ri)(2.5)两个同轴管自由分子状态时的传热系数为hgc=P(Cv+R^/2)(2πM^R^Tg)1/2(2.6)两个同轴管过渡和温度跃变状态时的传热系数为hgc=P(Cv+R^/2)kair(2πM^R^Tg)1/2Kair+riP(Cv+R^/2)ln(r0/ri)(2.7)根据杜瓦真空室的真空度可计算出残余气体的传热系数hgc(W/m2K)。式中:P—两管间气体压力Cv—定容摩尔比热容R^—摩尔气体常数M^—气体分子重量Tg—气体温度kair—连续状态的空气导热率根据杜瓦真空室的真空度可计算出残余气体的传热系数(W/m2K)。2.2辐射传热热传导系数下面分析从外壳内表面热辐射到芯柱外...
