紅外熱成像制冷技術(shù)

　　[定義]

　　為使熱成像系統正常工作，將其探測器元件冷卻至低溫或深低溫的技術(shù)，又稱(chēng)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(guò)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功能正常，或提高器件的靈敏度；二是屏蔽或減小來(lái)自熱成像系統的濾光片、擋板及光學(xué)系統本身等帶來(lái)的熱噪聲。

　　制冷器的工作原理包括物理和化學(xué)兩種方法。根據使用場(chǎng)合和所需要制冷溫度不同，可利用不同原理制成適當的制冷器。熱成像系統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，如使用灌注式杜瓦瓶的液氮、液氫等的制冷；

　　2、利用焦耳-湯姆遜效應制冷

　　即當高壓氣體的溫度低于本身的轉換溫度并通過(guò)一個(gè)很小的節流孔時(shí)，氣體的膨脹會(huì )使溫度下降。如焦-湯制冷器，特點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、可靠性高、質(zhì)量輕、體積小、無(wú)振動(dòng)、無(wú)運動(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)，借膨脹機的活塞向外輸出機械功，膨脹后氣體的內位能要增加，從而要消耗氣體本身的內功能來(lái)補償，致使膨脹后溫度顯著(zhù)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、利用帕爾帖效應制冷

　　即用N型半導體和P型半導體作用偶對，當有直流電通過(guò)時(shí)電偶對一端發(fā)熱，另一端變冷，如熱電制冷器，又稱(chēng)為半導體或溫差電制冷器。熱電探測器的主要優(yōu)點(diǎn)是：全固態(tài)化器件、結構緊湊、壽命長(cháng)；無(wú)運動(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（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(lái)制冷。它的顯著(zhù)特點(diǎn)是無(wú)運動(dòng)部件、長(cháng)壽命、功耗小、無(wú)振動(dòng)干擾。缺點(diǎn)是對軌道和衛星的構形有要求，對環(huán)境要求嚴格，入軌后需經(jīng)過(guò)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、加大壓縮機和冷指之間分置距離、尋找更靈活的氣體通道、減輕壓縮機重量、減小體積等。對于高頻小型脈沖管制冷器技術(shù)，主要考察方向是回熱器設計和性能；減少復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和減小冷端熱負載。對于閉環(huán)節流制冷器，通常高壓壓縮機是可靠性的薄弱環(huán)節，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，在軍事上應用最廣泛。首先出現的是整體式結構，即壓縮活塞和膨脹活塞用一連桿以機械方式連為一體。整體式結構容易產(chǎn)生熱和振動(dòng)影響制冷部分。針對系統存在的不足，國外也作了些改進(jìn)。首先，自1972年以來(lái)，有了顯著(zhù)發(fā)展，由美國休斯飛機公司研制出分置式斯特林制冷器，將壓縮機和膨脹器分開(kāi)安置，中間用一根軟管相連。這種結構不僅克服了早期整體式制冷器的缺點(diǎn)，還保持了原有系統結構緊湊、效率高、啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)，因此頗受?chē)庥脩?hù)重視，發(fā)展較快。其次，為了克服原有電機/曲軸這種動(dòng)態(tài)結構產(chǎn)生的磨損而影響壽命，荷蘭飛利浦研究所于1968年開(kāi)始研制用線(xiàn)性電機驅動(dòng)線(xiàn)性諧振壓縮機的斯特林機。迄今為止，線(xiàn)性諧振斯特林機的發(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(chēng)為第一代，屬非軍用型，致冷溫度為80開(kāi)氏度時(shí)，輸出功率為1W（瓦）；1976年，荷蘭和美國同時(shí)設計出第二代。荷蘭飛利浦公司在MC-80的基礎上使其軍用化，最初命名為MMC-80，后來(lái)正式命名為UA-7011型；1982年，在UA-7011的基礎上，由飛利浦公司研制了一系列線(xiàn)性諧振制冷器，稱(chēng)為第三代。它們由標準化壓縮機和兩個(gè)冷指（膨脹器部分）組成，專(zhuān)用于美國60元和120元/180元探測器/杜瓦瓶裝置。致冷功率分別能達到1/4W和1W，平均無(wú)故障時(shí)間為2500h(小時(shí))。該公司目前正繼續研制更新產(chǎn)品。

　　2、脈管致冷技術(shù)

　　1963年由美國低溫專(zhuān)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，使其向實(shí)用邁進(jìn)關(guān)鍵性一步。脈管實(shí)際上是斯特林的變體，膨脹機內無(wú)需運動(dòng)部件，結構更簡(jiǎn)單可靠，且易于裝配和控制振動(dòng)。目前其機理仍在探索中，未來(lái)將成為斯特林機強有力的競爭對手，特別是在長(cháng)壽命機型中更是如此。

　　3、熱電致冷技術(shù)

　　又稱(chēng)溫差電致冷器或半導體制冷器。1950年代末期，隨著(zhù)半導體材料技術(shù)的大力發(fā)展，解決了早期系統致冷效率低的的問(wèn)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值能達到3.5×10-3/°K（10的負三次方/開(kāi)氏度），前蘇聯(lián)能達到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(guān)瞄系統，如美國德克薩斯儀器公司的AN/TAS-5“龍”式反坦克導彈熱成像瞄準具、美國馬格納沃克斯公司的TWS型熱成像瞄準具等。

　　4、焦-湯致冷技術(shù)

　　又稱(chēng)節流式致冷技術(shù)，是1950年代發(fā)明的，絕大多數情況下使用開(kāi)環(huán)式致冷器，但仍有采用高壓壓縮機的閉式節流制冷器。早期系統由逆流式熱交換機、節流孔和裝有高壓氣體的貯氣瓶組成。為了控制氣體消耗量，國外對節流制冷器作了些改進(jìn)，設計了自調式制冷器?，F在國外生產(chǎn)的焦-湯系統幾乎都配備了這種自調機構。國外多將該技術(shù)用于紅外制導、手持式熱像儀、車(chē)載熱像儀、反坦克導彈熱瞄具等。如美國德克薩斯儀器公司的AN/TAS-4陶式反坦克導彈夜瞄具、科爾斯曼公司的熱成像遠距離夜間觀(guān)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室測量和民用紅外系統。固態(tài)致冷系統主要用于航天工業(yè)，儲存的固態(tài)冷卻劑根據質(zhì)量和體積，使用時(shí)間可為1至3年或更長(cháng)。

　　[影響]

　　光電器件的冷卻離不開(kāi)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、紅外預警和監視

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

　　2、精確光電制導

　　戰術(shù)導彈、巡航導彈和反導攔截器幾乎都使用紅外引導頭、紅外尋的制導技術(shù)由點(diǎn)源發(fā)展為成像制導，已廣泛應用于精確制導武器系統。它實(shí)現制導智能化，具有高靈敏度、高分辨率、作用距離大和對目標有自動(dòng)識別和跟蹤決策能力。

　　3、夜間及紅外熱成像系統

　　夜視和紅外熱成像是當今現代化戰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。由于探測元數目提高了一個(gè)數量級、靈敏度大幅度提高，熱成像探測距離也相應提高。這些軍事系統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，目前在紅外系統中低溫制冷器的可靠性仍是薄弱環(huán)節，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(lái)對戰場(chǎng)態(tài)勢、環(huán)境、氣象進(jìn)行監視?？臻g制冷器通常要求高可靠性、長(cháng)壽命和低能耗的輻射制冷器和機械制冷器。