超長線列紅外探測器與制冷機耦合的柔性冷鏈發展現狀

鄧 蔚，孫鴻生，朱穎峰，徐冬梅，李 冉，黃一彬

超長線列紅外探測器與制冷機耦合的柔性冷鏈發展現狀

鄧 蔚，孫鴻生，朱穎峰，徐冬梅，李 冉，黃一彬

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

隨著航天技術對更大視場、更高分辨率的需求，線列紅外探測器規模越來越大，傳統的制冷機與紅外探測器單點耦合方式，已經無法滿足超長線列紅外探測器芯片溫度均勻性的要求。結合國內外多家研究單位的設計及試驗情況，對各類柔性冷鏈進行了對比分析，從熱學性能及力學性能出發，總結了各類柔性冷鏈設計的特點及其適用性。

超長線列紅外探測器；制冷機；耦合；柔性冷鏈

0 引言

超長線列紅外探測器組件目前已經達到幾千元的規模，線列長度達到200mm，廣泛使用在紅外遙感應用中。由于紅外探測器常需在低溫下進行工作，而機械制冷具有結構緊湊、體積小、重量輕、制冷量大、制冷時間短、制冷溫度可控范圍大等優點，目前該類探測器在應用中大多采用機械制冷的方式。隨著紅外探測器面陣規模的變大，小型杜瓦單點連接的耦合方式已經無法滿足要求，因此對超長線列探測器杜瓦與制冷機耦合方式提出新的需求。

本文從超長線列紅外探測器與制冷機的耦合方式出發，綜合國內外的柔性冷鏈研究及發展現狀，對冷鏈設計及制作工藝進行分析。

1 超長線列紅外探測器與制冷機耦合的研究現狀

超長線列紅外探測器與制冷機的集成式耦合有兩種實現的技術方法：一種為釬焊式，即制冷機的冷指直接通過釬焊與冷板焊接在一起，考慮到焊接過程中的熱匹配性，冷板需采用膨脹系數較大的材料，如鉬銅，但膨脹系數大的冷板將大大增加冷頭設計的困難，需在冷頭上設計復雜的應力卸載結構，并且因是單點冷源，探測器焦平面上的溫度均勻性很難保證，如圖1為“高分5號”衛星長線列紅外探測器組件結構圖[1]，采用的就是釬焊式的耦合結構；第二種為冷鏈式，制冷機冷指通過冷鏈與冷板進行連接，因制冷機不直接與冷板相接，其冷頭不需要復雜的應力卸載結構，同時可根據焦平面上的溫度均勻性需求，來靈活調整熱量傳輸結構，并且可以通過隔振設計來降低制冷機傳導至焦平面的振動，如圖2為上海技物所直線脈管集成耦合杜瓦結構[2]，采用的就是冷鏈式的耦合結構。對于超長線列紅外探測器，為保證探測器的溫度均勻性，應采用冷鏈式的耦合方法，因此冷鏈尤其是柔性冷鏈研究是超長線列紅外探測器工程化的重點。

圖1 “高分 5 號”衛星長線列紅外探測器組件應力卸載結構圖（上圖）和焦平面結構圖（下圖）

圖2 上海技物所長線列紅外探測器杜瓦結構圖

2 柔性冷鏈的國內外研究現狀

2.1 柔性冷鏈的國外研究現狀

2.1.1 柔性冷鏈的結構

柔性冷鏈作為冷量傳輸渠道，能夠更加靈活地分配冷量、隔絕振動，常應用于各種空間項目中。對于柔性冷鏈，國外已經做了大量的研究，并且已經有了成熟的冷鏈設計、加工方法和檢測手段，柔性冷鏈按形狀結構分類，可分為鏈狀、片狀、絲狀和部分異形冷鏈。各種類型的冷鏈結構都是通過將冷鏈分割成多層薄片或多根導熱絲的方法，來減小冷鏈整體結構的慣性矩來獲得結構的低剛度。但不同結構具有不同的應用領域。

鏈狀冷鏈采用絲狀材料編織而成的鏈狀結構作為冷鏈的柔性部分，這種結構的冷鏈具有3個方向的自由度，能夠在3個方向進行自由運動，但因鏈狀結構制作工藝的問題，鏈狀冷鏈比較難保持高清潔度，容易在使用過程中產生多余物，同時因這種結構表面積大，易吸附氣體，故鏈狀冷鏈不適在高清潔度和高真空度的環境下使用。

如圖3所示，目前鏈狀冷鏈主要有兩種：一種是采用高純度無氧銅絲編織而成的銅鏈，銅鏈能與銅熱接頭制成一體式冷鏈，并且制作工藝成熟，廣泛應用在空間項目中，如表1所示為TAI（Technology Applications Inc.）公司統計的使用過鏈狀銅冷鏈的空間項目，在空間項目中鏈狀冷鏈最常使用的方式是與剛性槽道熱管配合形成完整的熱量傳輸系統，如圖4為鏈狀銅冷鏈的裝配圖；一種是采用捆扎的碳纖維管束作為柔性部分，配合銅或鋁熱接頭的分體式柔性冷鏈，相比無氧銅，碳纖維在100K溫度以上具有更高的熱導率，更小的密度和剛度，是能夠替代鏈狀銅冷鏈的新型鏈狀冷鏈的制作材料，目前也已經在空間項目中大規模使用，如表2所示為TAI公司統計的使用過碳纖維管束冷鏈的空間項目。

圖3 鏈狀柔性冷鏈：無氧銅鏈狀柔性冷鏈實物圖（左圖和中圖）、碳纖維管束鏈狀柔性冷鏈實物圖（右圖）

圖4 鏈狀柔性冷鏈裝配圖

表1 采用銅冷鏈熱傳導的空間項目

表2 采用碳纖維管柔性冷鏈熱傳導的空間項目

1996年荷蘭的S. Dolce針對碳纖維的高熱導率，使用二百萬根直徑為0.01mm的碳纖維管束制作了一種柔性冷鏈，該冷鏈采用了“C”形結構來減小方向的剛度，在碳纖維管束的上下兩端使用鋁塊壓緊，冷鏈外圍用聚酯薄膜包裹，來減小輻射漏熱的同時防止碳碎屑飛出，其結構如圖5所示[3]。在后續試驗中，該冷鏈包括上下鋁塊及耦合處其總體的熱導率能夠達到300K下1.3W/K，100K下0.7W/K；該冷鏈，軸上的剛度在300K溫度下空氣中為0.75N/mm，在100K溫度下真空中為2.5N/mm，其軸的剛度在300K溫度為3.5N/mm。

因在高真空或高清潔的環境內，鏈狀冷鏈會污染環境不能使用，需考慮其他方式的柔性冷鏈結構，而以銅箔、鋁箔或柔性石墨為主體的片狀柔性冷鏈能夠比較好地滿足要求，片狀柔性冷鏈能夠較好地清潔，并且表面積相對較小，尤其是只需要考慮兩個方向的自由度時，片狀柔性冷鏈是最好的選擇，常被使用于各類探測器中，如圖6所示。

圖5 碳纖維管柔性冷鏈結構示意圖（左圖）和實物圖（右圖）

圖6 片狀柔性冷鏈：銅片狀冷鏈（左圖）、鋁片狀冷鏈（中圖）、石墨片狀冷鏈（右圖）

1997年美國航天局發射的MIDAS（The Materials In Devices As Superconductors）中采用了11片0.1mm厚的銅薄片組成的柔性冷鏈，來連接高溫超導材料與制冷機冷頭，該冷鏈的兩端采用螺釘固定緊壓，在固定處為了減小接觸熱阻在接觸點處墊入了銦片，該冷鏈能在隔絕制冷機振動同時具有高的熱導率，最終使高溫超導材料與制冷機冷頭之間的溫差小于2K[4]，結構如圖7所示。

圖7 MIDAS傳熱結構圖

美國國家海洋和大氣局發射GEOS（Geostationary Operational Environmental Satellite）ABS（Advanced Baseline Sounder）[5]中的杜瓦組件中由于冷頭位置距離探測器較遠，因而制冷機冷頭通過柔性冷鏈連接到焦平面器件的安裝面，柔性冷鏈由多層鋁片組成，在低溫下仍可保持一定的柔性，可以消除冷鏈低溫收縮所產生的應力，采用鋁作為冷鏈材料可以在低溫下獲得與銅接近的熱導，重量上比銅要輕，有利于組件的輕量化和振動條件下的可靠性，結構如圖8所示。

圖8 GEOS杜瓦組件結構圖

當需考慮3個方向自由度，且應用于高真空度，高清潔度的環境中時，可采用金屬絲進行連接。1996年美國航天局發射的EOS（Earth Observing System）AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）[6]中的杜瓦組件陶瓷基板通過局部柔性冷鏈與冷頭連接，局部柔性冷鏈與基板的連接端由鋁制成，與冷頭的連接端設計為由多根金屬絲連接的兩塊金屬板，金屬絲實現了冷鏈的局部柔性，兩個連接端之間為鍍金的寶石棒，寶石在該杜瓦的工作溫度60K具有很高的熱導率，可以有效地降低冷鏈的導熱溫差，寶石棒通過焊接與兩連接端連接，采用此局部柔性冷鏈設計可以使得低溫下產生的熱應力通過冷鏈彈性部分得以釋放，同時可以隔離探測器與制冷機冷頭之間的振動耦合，結構如圖9所示。

圖9 AIRS杜瓦組件結構圖

除了以上較為常規的冷鏈結構，也有一些較為特殊的柔性冷鏈結構。日本的Masahiro Sugimoto為了保持SIS（superconducting-insulator-superconducting tunnel junction）[7]系統溫度的同時不受機械制冷機振動的影響，采用了如圖10所示柔性的連接方式。該連接整體采用無氧銅材料，支撐部分厚度為0.3mm，并沿軸方向開了120條豎槽從而來減小整體的剛度，該連接在外圈用尼龍繩固定壓緊，同時通過尼龍與銅之間的熱膨脹系數的差異，溫度越低尼龍繩固定壓緊的力越大。通過測試該耦合結構在80K溫度下熱導率達到4W/K，12K溫度下熱導率達到2.3W/K，同時該耦合結構能將由制冷機帶來的振幅由30mm減至6mm。

圖10 SIS系統中傳熱的柔性結構

2.1.2 柔性冷鏈的材料

柔性冷鏈采用的材料有3種大類：銅、鋁及石墨材料。如圖11為這幾種材料在不同溫度下的熱導率圖，在紅外探測器使用的溫度區80K～100K左右，無氧銅的熱導率最大，柔性石墨材料其次，1100號鋁金屬熱導率最低。同時考慮冷鏈本身的重量，以熱導率比密度值作為衡量的標準，結果如表3，在這3種材料中，熱導率比密度值石墨最大，鋁其次，銅最小。故在空間應用中，相同質量下，冷鏈使用石墨傳熱效果最佳，鋁其次，銅最差。除材料本身的性質之外，柔性冷鏈中制作工藝的選擇對冷鏈整體的熱導率及可靠性至關重要。國外對這些方面已經做過大量的工作。AS（Absolut System）公司的T. Trollier對不同純度的鋁金屬的熱導率進行了測量，測量結果如表4和圖12所示（圖中4N、5N、6N代表鋁金屬的純度的高低，如4N表示鋁金屬的純度為99.99%），當鋁金屬中鋁的純度越大時，其熱導率越高，純度為99.999%鋁金屬低溫下的熱導率是純度為99%鋁金屬熱導率的1～2倍。同時，T. Trollier對鋁箔與鋁熱接頭的焊接工藝、銅箔與銅接頭的焊接工藝和銅箔與鋁接頭的焊接工藝進行了實驗和測量，結果如表5所示。結果表明，鋁箔與鋁熱接頭的焊接采用離子束焊接效果最好，銅箔與銅接頭的焊接采用壓焊及離子束焊接的效果最好，銅箔與鋁接頭的焊接采用釬焊的效果最好，這些焊接都能夠達到焊接處牢固且無接觸熱阻產生[8]。

石墨材料具有高熱導率、良好的力學性能和低密度，是制作柔性冷鏈最理想的材料，如圖13所示為部分柔性石墨冷鏈的示意圖。對于石墨柔性冷鏈，主要的難點是石墨柔性部分和剛性部分連接的可靠性，以及如何解決石墨材料因各向異性的熱導率帶來的溫度梯度問題。

圖11 不同溫度下幾種高傳熱材料的熱導率

美國的Mark J. Montesano設計了一種以APG（annealed pyrolytic graphite）為主體，使用鋁薄片進行封裝的復合材料制造的柔性冷鏈[9]，在鋁薄片和APG之間通過連接劑進行粘接，通過調整鋁薄片、APG及連接劑的厚度，該復合材料最高能夠達到1105W/mK的熱導率，結構如圖14所示。

表3 銅、鋁和石墨材料部分參數對比表

表4 純度不同鋁金屬與無氧銅的熱導率

圖12 鋁金屬和無氧銅的熱導率對比圖

表5 不同金屬箔與熱接頭間焊接工藝研究

圖13 復合柔性石墨冷鏈（左圖）和一體式柔性石墨冷鏈（右圖）

圖14 熱解石墨柔性冷鏈結構

美國的Akira Yao提出對碳纖維紙柔性冷鏈結構減小溫度梯度的解決方法，如圖15所示?？赏ㄟ^在冷鏈熱接口兩端，在碳纖維紙之間夾入金屬薄片來均勻由于碳纖維紙各向異性熱導率帶來的溫度梯度[10]。

2.2 柔性冷鏈的國內研究現狀

隨著我國在空間領域的不斷發展，對各種空間應用探測器的要求與性能不斷提升，由于柔性冷鏈在隔絕機械制冷機帶來的振動和靈活傳輸以及分配冷量方面具有很好的效果，我國的研究人員也對柔性冷鏈進行了研究。

國內主要以紫銅絲導熱帶或多片銅薄片組來制成柔性冷鏈。2007年，中國科學院理化研究所采用3000根直徑為0.01cm紫銅絲絞在一起的紫銅絲導熱帶制作成柔性導熱帶用于整機結構中[11]；2013年，蘭州空間技術物理研究所的孫述澤采用了30片0.2mm厚度長100mm紫銅箔彎曲成雙臂狀制作成柔性導熱用于高溫超導濾波器的降溫[12]；中國上海技物所在多個項目中使用紫銅薄片組成的柔性冷鏈為其提供冷鏈傳輸，主要應用在同一制冷源為多種組件提供制冷，多臺制冷機為一個組件提供制冷和超長線列紅外探測器等應用上，以2015年該所的范廣宇提出的一種彈性冷鏈的設計方案為例，為滿足超長線列紅外探測器杜瓦組件的需求，該冷鏈設計為采用多片厚0.25mm，彎曲成S形，沿水平方向切割成四等分的銅薄片來作為柔性結構，通過對熱接口位置及各連接處不同的厚度進行模擬計算，使各個分枝的熱阻相同，來滿足杜瓦冷平臺溫度均勻性要求，該冷鏈最終實測結果為其冷平臺在液氮溫度下最大溫差為1.6K，冷鏈上下兩端導熱溫差為6.2K[2]，該冷鏈結構如圖16所示。

3 冷鏈性能測試

柔性冷鏈的性能主要是集中在力學和熱學方面，可細分別為以下幾個性能指標：

1）柔性冷鏈整體本身的熱導率或熱阻；

2）柔性冷鏈的各個方向的剛度；

3）柔性冷鏈的隔振效果；

4）柔性冷鏈的疲勞特性。

國外能夠對冷鏈的熱阻、剛度、隔振效果和疲勞特性進行測量，給出柔性冷鏈完整的指標性能。如圖17所示為柔性冷鏈熱學性能測試平臺，將冷鏈處于真空環境中來減小對流漏熱的影響，通過防輻射屏或包裹鍍鋁聚酰亞胺薄膜來減小輻射漏熱的影響，使用熱電阻或者加熱片來模擬熱耗確定熱流，液氮或者制冷機進行制冷，溫度傳感器測量冷鏈上下兩端的溫度，便可計算出冷鏈整體的熱導率或熱阻[13]。

如圖17所示，通過測量冷鏈各個方向的應變隨應力的變化關系可測得冷鏈各個方向的剛度[8]；在振動臺或振動源上，通過振動加速度傳感器測量冷鏈兩端的振動，可計算出冷鏈的隔振性能[14]；通過在冷鏈上加載相應正弦周期變化的力，可測得冷鏈的疲勞性能。

國內也對冷鏈的測量進行相關的研究工作，主要通過將冷鏈裝載在應用部件內對冷鏈的部分熱學性能進行了測量[15]，如冷鏈上下兩端的溫差等熱學性能參數，但很少對冷鏈的力學性能如剛度、隔振和疲勞特性等參數進行測量。

圖15 碳纖維紙柔性冷鏈結構（左圖）和冷鏈夾層結構（右圖）

圖16 直線脈管集成耦合杜瓦柔性冷鏈結構

圖17 冷鏈熱學性能測試平臺（左圖）和冷鏈剛度測試平臺（右圖）

4 應用及展望

隨著三代紅外焦平面探測器組件更大面陣、雙多色的發展，和我國航天事業的飛速發展，大面陣、長線列紅外探測器和拼接式紅外探測器將大量應用于航天領域，新型的探測器杜瓦與制冷機的耦合方式將逐漸普及，本文提及的各種柔性冷鏈的設計、制作和測試也將會逐漸完善，在未來超長線列紅外探測器與制冷機之間的耦合技術中將全方面發展。

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Development Status of the Flexible Thermal Link Coupling Between Cryocooler and Long Linear Infrared Detector

DENG Wei，SUN Hongsheng，ZHU Yingfeng，XU Dongmei，LI Ran，HUANG Yibin

(Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

With the demand of from space technology for a large field of view and higher resolution, the scale of line infrared detectors is increasing. Single point coupling mode fails to meet the temperature uniformity requirement of long linear infrared detector chips. This study compares and analyzes various types of flexible thermal links, based on the design and the testing outcomes from many domestic and international research institutes. The characteristics and applicability of the various flexible thermal link designs, in terms of thermal and mechanical properties, are summarized.

long linear infrared detector, cryocooler, coupling, flexible thermal link

TN215

A

1001-8891(2020)01-0010-09

2019-08-14；

2019-12-24.

鄧蔚（1994-），男，碩士，工程師，主要從事杜瓦研究工作。E-mail: moiiom1120@163.com。