唐山开滦建设（集团）有限责任公司 河北唐山 063000
摘要: 介绍了目前典型第二代、第三代焦平面探测器杜瓦制冷机组件中斯特林制冷机和节流制冷器的应用情况, 从焦平面探测器芯片探测元尺寸的变化, 提出了配接制冷机的冷指尺寸的变化, 介绍了昆明物理研究所微型低温制冷技术的发展现状及微型低温制冷机向高可靠性、低成本、高工作温度的发展趋势。
关键词: 制冷机; 斯特林; 红外焦平面; 探测器
前言
制冷技术发展分为三个发展阶段。第一阶段主要是采取NH 、HCS、CO 、空气等自然物质作为制冷剂。氟里昂的使用，使制冷技术的发展进入了第二阶段，而且极大的促进了制冷和空调技术的发展。但科学研究表明，用于冰箱和空调制冷的氟里昂对臭氧层的破坏作用极大，会使气候和生态环境发生改变，对人体健康造成重大损害。因此，1990年通过大气臭氧层保护的重要文件《蒙特利尔议定书》伦敦修正案，对氟利昂类物质进行控制，因此，从1990年到现在为制冷技术的第三阶段。
1、微型低温技术对红外探测器系统的重要性
微型低温制冷技术作为低温技术的重要分支, 已广泛应用于气象、军事、航空航天、低温电子学、低温医学等诸多领域。其制冷温度从193 K 至液氦温度,制冷量从几毫瓦至几十瓦, 甚至几百瓦。微型低温制冷器的最主要应用是冷却红外探测系统的红外探测器件, 给各类型红外探测器提供77 K或更低的低温工作环境, 保证探测器功能正常, 提高红外探测器的灵敏度和分辨率, 还可以减小来自光学滤光片、冷屏及光学系统本身的热噪声。高性能红外探测器件, 包括第一代的多元线列探测器、SPRITE红外探测器, 第二代主流的扫描型长波288×4 焦平面探测器, 凝视型中波320×240 焦平面探测器, 以及正在研制的第三代、第四代更大规模阵列和更高分辨率的高性能红外探测器件, 包括InSb、MCT、量子阱、PtSi等红外探测器, 都只有在低温条件下( 55～120 K) 才表现出最好的探测性能。低温制冷器在红外探测器中的主要应用为: 红外预警和监视; 精确光电制导; 红外热成像系统; 红外遥感技术。
2、低温技术依赖于红外技术的发展
红外探测器件的冷却离不开微型低温制冷器技术, 红外技术在武器装备中的特殊地位使微型低温技术迅速发展。据2000 年NIST 的SPIE 数据显示, 美国已有超过125 000 台斯特林制冷机用于冷却军事夜视系统中的红外探测器, 制冷功率为0.15～4 W[1]。2006 年法国Thales Cryogenics 公司售出各种型号制冷机约4 000 台, 2007 年美国RM 系列的制冷机总产量突破100 000 台。红外系统应用的低温制冷器需要解决的问题为可靠性、效率、尺寸、质量、振动、电磁干扰、发热( 散热性能) 、价格等。近几十年来, 正是红外技术的促进和推动, 使微型低温制冷器走进了全新的发展阶段, 不断朝着体积小、质量轻、振动小、输入功耗低、对系统干扰小的专用化方向发展。
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3、红外系统应用的低温制冷器的发展趋势
红外系统应用微型低温制冷技术的发展方向如下。
3.1 新型制冷技术
每种制冷方式都有其优缺点, 都有自身发展内在的动力, 在工程应用中, 要根据具体应用的需求和实际的可能, 为红外探测器选择具体的制冷方式和制冷器/制冷机。脉管制冷机是低温制冷机发展的前沿课题。脉管制冷机的优点是冷头没有运动部件, 低温区没有推移活塞运动部件, 不再需要与之相对应的驱动、支承和间隙密封等技术。因此, 结构大大简化, 加工简单, 可靠性和工作寿命从根本上得到了显著提高, 驱动控制系统也更为简单, 减小了冷指顶端的振动, 对被冷却元件的干扰大大减小。近年来, 用斯特林制冷机压缩机驱动的脉管制冷机在世界范围内已有深入的研究和发展, 脉管制冷机在制冷效率及冷指尺寸上的发展和突破, 使得脉管制冷机在红外系统及高温超导方面具有广阔的前景, Thales Cryogenics, AIM 等均有样机, 但其实用化和工程化应用还有较大的距离。
3.2 提高可靠性和寿命
可靠性和寿命是制冷器、制冷机的弱点。在红外焦平面探测器组合的可靠性预计中, 制冷器、制冷机的最低, 这为今后微型制冷技术的发展指明了方向。世界范围的各大制冷机的供应商均在不断提高其产品的MTTF 指标。
3.3 提高制冷效率
当前, 制冷器、制冷机普遍制冷效率不高。其优值系数最高只能达到5%左右。提高制冷效率, 将会减小红外探测系统对供气、供电的要求, 方便系统的使用。
3.4 降低制造成本
制冷器、制冷机价格是另一个经常提及的弱点,提高工艺质量, 提高成品率, 降低制造成本, 使制冷器、制冷机成为能普遍使用的高技术产品。
4、太阳能制冷
太阳能制冷主要有吸收式、吸附式、喷射式和光伏等制冷类型 太阳能吸收式制冷是用太阳能集热器收集太阳能来驱动吸收式制冷系统，利用储存液态冷剂的相变潜热来储存能量，利用其在低压低温下气化而制冷，目前为止示范应用最多的太阳能空调方式。多为溴化锂一水系统，也有的采用氨一水系统。太阳能吸附式制冷主要是将收式制冷相结合的一种蒸发制冷，以太阳能为热源，采用的工质对通常为活性碳一甲醇、分子筛一水、硅胶一水及氯化钙一氨等，可利用太阳能集热器将吸附床加热后用于脱附制冷剂，通过加热脱附，冷凝，吸附，蒸发等几个环节实现制冷。太阳能喷射式制冷是通过太阳能集热器加热使低沸点工质变为高压蒸汽，通过喷管时因流出速度高、压力低，在吸入室周围吸引蒸发器内生成的低压蒸汽进入混合室，同时制冷剂任蒸发器中汽化而达到制冷效果。太阳能半导体制冷系统由太阳能光电转换器(太阳能电池)、数控匹配器、储能设备(蓄电池)和半导体制冷装置四部分组成。太阳能光电转换器输出直流电，一部分直接供给半导体制冷装置进行制冷运行，另一部分则进入储能设备储存，以供阴天或晚上使用，保证系统可以全天候正常运行。目前，随着太阳能电池和热电材料的推广-B使用，太阳能半导体制冷系统将得到广泛应用。
5、磁制冷
磁制冷技术是一种热效率高而且节能环保的制冷技术。其利用磁热效应制冷，磁制冷工质在等温磁化时向外界放出热量，而绝热去磁时从外界吸收热量。磁制冷采用磁性物质作为制冷工质，不会导致温室效应的产生，解决了重要的环境问题。并且其应用范围广，在低温及高温领域都有广泛的应用前景，其众多优点也使其在未来的太空开发和民用需要方面有着巨大的应用前景。
结语
随着全球人口的增长，环境不断恶劣，保护环境和和节约资源成为当今世界的一大主题。而制冷，作为人类生产生活不可或缺的一部分，面临的最重要问题就是要不断提高其环保和节能性能。因此新型环保节能制冷技术的研究发展将会是目前制冷技术领域的重点。
参考文献：
[1] 刘敏，俞炳丰，胡张保． 室温磁制冷最新研究进展[J]．制冷学报，2007，28 (4)：1一II．
[2] 孙立佳，孙淑风，王玉莲，等．磁制冷研究现状[J]．低温技术，2008，36(9)：17—23．
[3] 石华林．热声制冷技术研究进展及未来发展展望[J]．机电信息，2010 (6)：32
论文作者:赵贺光
论文发表刊物:《防护工程》2017年第9期
论文发表时间:2017/9/4
标签：制冷机论文; 低温论文; 技术论文; 太阳能论文; 红外探测器论文; 探测器论文; 系统论文; 《防护工程》2017年第9期论文;