紅外熱成像制冷技術(shù)

　　[定義]

　　為使熱成像系統(tǒng)正常工作，將其探測器元件冷卻至低溫或深低溫的技術(shù)，又稱低溫恒溫器技術(shù)。該技術(shù)的主要任務(wù)有二點(diǎn)：一是通過制冷形成一個(gè)合適的低溫恒溫環(huán)境，以保證需要在低溫下工作的電子器件或系統(tǒng)功能正常，或提高器件的靈敏度；二是屏蔽或減小來自熱成像系統(tǒng)的濾光片、擋板及光學(xué)系統(tǒng)本身等帶來的熱噪聲。

　　制冷器的工作原理包括物理和化學(xué)兩種方法。根據(jù)使用場合和所需要制冷溫度不同，可利用不同原理制成適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/制冷器">制冷器。熱成像系統(tǒng)使用的多為物理方法。主要有：

　　1、利用相變制冷

　　即利用制冷工作物質(zhì)相變吸熱效應(yīng)，如使用灌注式杜瓦瓶的液氮、液氫等的制冷；

　　2、利用焦耳-湯姆遜效應(yīng)制冷

　　即當(dāng)高壓氣體的溫度低于本身的轉(zhuǎn)換溫度并通過一個(gè)很小的節(jié)流孔時(shí)，氣體的膨脹會(huì)使溫度下降。如焦-湯制冷器，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、質(zhì)量輕、體積小、無振動(dòng)、無運(yùn)動(dòng)部件、噪聲小、成本低、致冷速度快，致冷時(shí)間通常只需15～60s（秒）。

　　3、利用氣體的等熵膨脹制冷

　　即氣體在等熵膨脹時(shí)，借膨脹機(jī)的活塞向外輸出機(jī)械功，膨脹后氣體的內(nèi)位能要增加，從而要消耗氣體本身的內(nèi)功能來補(bǔ)償，致使膨脹后溫度顯著降低。如斯特林閉循環(huán)制冷器，其特點(diǎn)是功耗低、尺寸小、質(zhì)量輕。

　　4、利用帕爾帖效應(yīng)制冷

　　即用N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體作用偶對，當(dāng)有直流電通過時(shí)電偶對一端發(fā)熱，另一端變冷，如熱電制冷器，又稱為半導(dǎo)體或溫差電制冷器。熱電探測器的主要優(yōu)點(diǎn)是：全固態(tài)化器件、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長；無運(yùn)動(dòng)部件，不產(chǎn)生噪音；不受環(huán)境影響；可靠性高。缺點(diǎn)是制冷器的性能系數(shù)（COP）較低，致冷量小，效率低；

　　5、利用物體之間的熱輻射交換制冷

　　如在外層空間利用外層宇宙的高真空，深低溫來制冷。它的顯著特點(diǎn)是無運(yùn)動(dòng)部件、長壽命、功耗小、無振動(dòng)干擾。缺點(diǎn)是對軌道和衛(wèi)星的構(gòu)形有要求，對環(huán)境要求嚴(yán)格，入軌后需經(jīng)過一段時(shí)間的加熱放氣后才能工作。

　　[相關(guān)技術(shù)]焦平面技術(shù)；熱力學(xué)技術(shù)；機(jī)械加工技術(shù)

　　[技術(shù)難點(diǎn)]

　　不同制冷器技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)各不相同。斯特林制冷器的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)在于增加致冷量、加大壓縮機(jī)和冷指之間分置距離、尋找更靈活的氣體通道、減輕壓縮機(jī)重量、減小體積等。對于高頻小型脈沖管制冷器技術(shù)，主要考察方向是回?zé)崞髟O(shè)計(jì)和性能；減少復(fù)式入口脈沖管中直流電流的影響；降低脈沖管中的流動(dòng)性。對于熱電致冷技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)在于提高熱電材料的品質(zhì)因素Z和減小冷端熱負(fù)載。對于閉環(huán)節(jié)流制冷器，通常高壓壓縮機(jī)是可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，需要加以克服。

　　[國外概況]

　　1、斯特林致冷技術(shù)

　　斯特林致冷技術(shù)已經(jīng)有50年發(fā)展歷史，在軍事上應(yīng)用最廣泛。首先出現(xiàn)的是整體式結(jié)構(gòu)，即壓縮活塞和膨脹活塞用一連桿以機(jī)械方式連為一體。整體式結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生熱和振動(dòng)影響制冷部分。針對系統(tǒng)存在的不足，國外也作了些改進(jìn)。首先，自1972年以來，有了顯著發(fā)展，由美國休斯飛機(jī)公司研制出分置式斯特林制冷器，將壓縮機(jī)和膨脹器分開安置，中間用一根軟管相連。這種結(jié)構(gòu)不僅克服了早期整體式制冷器的缺點(diǎn)，還保持了原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)，因此頗受國外用戶重視，發(fā)展較快。其次，為了克服原有電機(jī)/曲軸這種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磨損而影響壽命，荷蘭飛利浦研究所于1968年開始研制用線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)線性諧振壓縮機(jī)的斯特林機(jī)。迄今為止，線性諧振斯特林機(jī)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三代：1975年由荷蘭飛利浦公司的科學(xué)和工業(yè)分部研制的MC-80型微型制冷器稱為第一代，屬非軍用型，致冷溫度為80開氏度時(shí)，輸出功率為1W（瓦）；1976年，荷蘭和美國同時(shí)設(shè)計(jì)出第二代。荷蘭飛利浦公司在MC-80的基礎(chǔ)上使其軍用化，最初命名為MMC-80，后來正式命名為UA-7011型；1982年，在UA-7011的基礎(chǔ)上，由飛利浦公司研制了一系列線性諧振制冷器，稱為第三代。它們由標(biāo)準(zhǔn)化壓縮機(jī)和兩個(gè)冷指（膨脹器部分）組成，專用于美國60元和120元/180元探測器/杜瓦瓶裝置。致冷功率分別能達(dá)到1/4W和1W，平均無故障時(shí)間為2500h(小時(shí))。該公司目前正繼續(xù)研制更新產(chǎn)品。

　　2、脈管致冷技術(shù)

　　1963年由美國低溫專家發(fā)明，直到1984年前蘇聯(lián)米庫林教授對基本型脈管做了重大改進(jìn)后，使其向?qū)嵱眠~進(jìn)關(guān)鍵性一步。脈管實(shí)際上是斯特林的變體，膨脹機(jī)內(nèi)無需運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)更簡單可靠，且易于裝配和控制振動(dòng)。目前其機(jī)理仍在探索中，未來將成為斯特林機(jī)強(qiáng)有力的競爭對手，特別是在長壽命機(jī)型中更是如此。

　　3、熱電致冷技術(shù)

　　又稱溫差電致冷器或半導(dǎo)體制冷器。1950年代末期，隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的大力發(fā)展，解決了早期系統(tǒng)致冷效率低的的問題。特別是美、英、日蘇等國在這一領(lǐng)域做了大量研究，1960年代用熱電致冷即已達(dá)到實(shí)用階段。熱電質(zhì)量因素Z是用以評價(jià)熱電材料的因素之一，1980年代末，美國和歐洲一些國家熱電材料的Z值能達(dá)到3.5×10-3/°K（10的負(fù)三次方/開氏度），前蘇聯(lián)能達(dá)到4.7×10-3/°K。目前熱電制冷器主要用于手持式熱像儀，如美國馬格納沃克斯公司的AN/PAS-7型和HPHTV型、英國萊賽蓋奇公司的LT1065型。此外還可用于其它一些觀瞄系統(tǒng)，如美國德克薩斯儀器公司的AN/TAS-5“龍”式反坦克導(dǎo)彈熱成像瞄準(zhǔn)具、美國馬格納沃克斯公司的TWS型熱成像瞄準(zhǔn)具等。

　　4、焦-湯致冷技術(shù)

　　又稱節(jié)流式致冷技術(shù)，是1950年代發(fā)明的，絕大多數(shù)情況下使用開環(huán)式致冷器，但仍有采用高壓壓縮機(jī)的閉式節(jié)流制冷器。早期系統(tǒng)由逆流式熱交換機(jī)、節(jié)流孔和裝有高壓氣體的貯氣瓶組成。為了控制氣體消耗量，國外對節(jié)流制冷器作了些改進(jìn)，設(shè)計(jì)了自調(diào)式制冷器。現(xiàn)在國外生產(chǎn)的焦-湯系統(tǒng)幾乎都配備了這種自調(diào)機(jī)構(gòu)。國外多將該技術(shù)用于紅外制導(dǎo)、手持式熱像儀、車載熱像儀、反坦克導(dǎo)彈熱瞄具等。如美國德克薩斯儀器公司的AN/TAS-4陶式反坦克導(dǎo)彈夜瞄具、科爾斯曼公司的熱成像遠(yuǎn)距離夜間觀察儀、英國馬可尼公司的HHT-8和MSDS型手持熱像儀、索恩·伊美公司的多用途熱像儀和法國的TRT公司的MIRA型紅外熱像瞄準(zhǔn)具等。

　　5、利用相變致冷

　　有液態(tài)致冷和固態(tài)致冷兩種。液態(tài)循環(huán)致冷目前廣泛用于試驗(yàn)室測量和民用紅外系統(tǒng)。固態(tài)致冷系統(tǒng)主要用于航天工業(yè)，儲(chǔ)存的固態(tài)冷卻劑根據(jù)質(zhì)量和體積，使用時(shí)間可為1至3年或更長。

　　[影響]

　　光電器件的冷卻離不開低溫技術(shù)，尤其是紅外技術(shù)在武器裝備中特殊的地位使其迅速發(fā)展。

　　1、紅外預(yù)警和監(jiān)視

　　海灣戰(zhàn)爭以后，各國反導(dǎo)技術(shù)得到發(fā)展，均致力于研制彈道導(dǎo)彈的防御系統(tǒng)。紅外探測技術(shù)在導(dǎo)彈發(fā)射預(yù)警中起到關(guān)鍵性作用。它包括星載紅外預(yù)警探測系統(tǒng)、機(jī)載和艦載反導(dǎo)紅外探測預(yù)警系統(tǒng)，它們都需要高可靠性的斯特林制冷器或其它類型的制冷器作為紅外探測器的冷源。

　　2、精確光電制導(dǎo)

　　戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈和反導(dǎo)攔截器幾乎都使用紅外引導(dǎo)頭、紅外尋的制導(dǎo)技術(shù)由點(diǎn)源發(fā)展為成像制導(dǎo)，已廣泛應(yīng)用于精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)。它實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)智能化，具有高靈敏度、高分辨率、作用距離大和對目標(biāo)有自動(dòng)識(shí)別和跟蹤決策能力。

　　3、夜間及紅外熱成像系統(tǒng)

　　夜視和紅外熱成像是當(dāng)今現(xiàn)代化戰(zhàn)爭最常用而不可缺少的軍事手段。紅外夜視在80年代已經(jīng)發(fā)展到第二代，如4N掃描型和焦平面凝視型。由于探測元數(shù)目提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)、靈敏度大幅度提高，熱成像探測距離也相應(yīng)提高。這些軍事系統(tǒng)都使用制冷器將這些紅外探測器冷卻到80K左右的低溫環(huán)境，目前在紅外系統(tǒng)中低溫制冷器的可靠性仍是薄弱環(huán)節(jié)，只有重點(diǎn)發(fā)展低溫制冷器、減少體積和重量、提高可靠性，才能促使紅外探測技術(shù)在武器裝備中更廣泛應(yīng)用。

　　4、紅外遙感技術(shù)

　　空間遙感技術(shù)常采用紅外波段，可用來對戰(zhàn)場態(tài)勢、環(huán)境、氣象進(jìn)行監(jiān)視。空間制冷器通常要求高可靠性、長壽命和低能耗的輻射制冷器和機(jī)械制冷器。