CN105180506B - 用于红外探测器的复合制冷系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于红外探测器的复合制冷系统及制冷方法。该系统包括：主动制冷单元，用于在消耗电功率的同时生成冷量；热耦合单元，用于控制导热热流通路的断开与闭合以交换冷量与热量；和，被动制冷单元，用于为红外探测器提供冷量且工作时不需要消耗电功率；主动制冷单元的冷端与热耦合单元的冷端对接；热耦合单元的热端通过柔性连接单元与被动制冷单元中导热杆的第一端柔性连接；被动制冷单元中导热杆的第二端与红外探测器连接。本发明实施例提供的复合制冷系统不但可以延长为红外探测器所提供冷量的时间，而且拥有被动制冷单元无振动、无电磁干扰的特点，从而可以满足红外探测器的相应需求以保证其成像效果。
Description
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，尤其涉及一种用于红外探测器的复合制冷系统及控制方法。
背景技术
随着科技的发展，红外技术在在国防、工农业等诸多领域得到了广泛的应用。例如，红外探测器作为空间红外遥感系统中的关键部件，其工作性能会影响到空间红外遥感系统的使用。正常工作时，红外探测器必须工作在低温环境下，才能获得良好的探测信号。
现有技术中，通常采用例如斯特林制冷机等机械式制冷机为红外探测器提供空间大制冷量低温环境。一方面，斯特林制冷机的压缩机和膨胀机分别以直线电机推动振子，沿轴向做一定频率的高速往复直线运动。当斯特林制冷机正常工作时，会在压缩机和膨胀机的轴向方向上产生较大的振动，使得安装在制冷机的冷头上的焦平面探测器也会随着轴向上的振动而振动，从而影响焦平面探测器的成像效果。为了减小制冷机振动给焦平面探测器造成的干扰，确保焦平面探测器的成像质量，必须对制冷机采取有效的减振措施。
另一方面，机械式制冷机存在无法消除的电磁干扰。由于红外探测器中光电转换的电信号仅为纳伏级，使得该红外探测器及其前置放大器的引线极易受到外部电磁干扰。因此，机械式制冷机的电磁干扰成为红外探测器的主要干扰。
所以在红外探测器系统设计时，尽量不用制冷机工作频率相同的信号；其次红外探测器需要远离压缩机，并采用必要的屏蔽措施。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种用于红外探测器的复合制冷系统及控制方法，以解决现有技术中机械式制冷机产生的振动与电磁干扰影响红外探测器成像效果的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种用于红外探测器的复合制冷系统，包括：
主动制冷单元，用于在消耗电功率的同时生成冷量；
热耦合单元，用于控制导热热流通路的断开与闭合以交换冷量与热量；和，
被动制冷单元，用于为红外探测器提供冷量且工作时不需要消耗电功率；
所述主动制冷单元的冷端与所述热耦合单元的冷端对接；所述热耦合单元的热端通过柔性连接单元与所述被动制冷单元中导热杆的第一端柔性连接；所述被动制冷单元中导热杆的第二端与红外探测器连接。
可选地，所述主动制冷单元采用机械式制冷机。
可选地，所述机械式制冷机为脉冲管制冷机或者斯特林制冷机。
可选地，所述热耦合单元采用微膨胀型热开关。
可选地，所述被动制冷单元采用固体制冷器。
第二方面，本发明实施例还提供了一种用于上述的复合制冷系统的控制方法，包括：
当检测到红外探测器处于普通工作模式时，向主动制冷单元输入电功率以生成冷量；
输出闭合指令至热耦合单元使所述主动制冷单元的冷端与被动制冷单元中导热杆的第一端之间形成导热热流通路以实现热交换；
或者，
当检测到所述红外探测器处于超静工作模式时，向所述主动制冷单元输出停止工作控制指令；
输出打开指令至所述热耦合单元以断开所述主动制冷单元的冷端与所述被动制冷单元中导热杆的第一端之间所形成导热热流通路用于减小热交换。
本发明实施例采用主动制冷单元和被动制冷单元相结合的制冷方案，在红外探测器为普通工作模式时，控制主动制冷单元工作，通过热耦合单元使得主动制冷单元与被动制冷单元实现热交换，从而为红外探测器提供冷量；当红外探测器为超静工作模式时，主动制冷单元不工作且热耦合单元处于断开状态，被动制冷单元为红外探测器提供冷量。本发明实施例提供的复合制冷系统可以为工作在超静工作模式下的红外探测器长时间提供冷量，且拥有被动制冷单元无振动、无电磁干扰的特点，从而可以满足红外探测器的相应需求，保证其成像效果。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种用于红外探测器的复合制冷系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的控制方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种用于红外探测器的复合制冷系统，如图1所示，包括：
主动制冷单元10，用于在消耗电功率的同时生成冷量；
热耦合单元20，用于控制导热热流通路的断开与闭合以交换冷量与热量；和，
被动制冷单元30，用于为红外探测器40提供冷量；
其中，主动制冷单元10的冷端11与热耦合单元20的冷端21对接；热耦合单元20的热端22通过柔性连接单元23与被动制冷单元30中导热杆31的第一端311柔性连接；被动制冷单元30中导热杆31的第二端312与红外探测器40连接。
实际应用中，主动制冷单元采用机械式制冷机。可选地，该机械式制冷机为脉冲管制冷机或者斯特林制冷机。例如，本发明一实施例中，采用脉冲管制冷机作为冷源，通过高压氦气在脉冲管内进行交变流动，在脉冲管冷端和热端进行热交换，在热端排出热量，冷端吸收热量。该脉冲管制冷机可以在0～300K温区内为红外探测器40提供小到数毫瓦，大到数瓦的冷量。当然本领域技术人员可以根据具体情况选择不同类型的制冷机，本发明不作限定。
实际应用中，热耦合单元20采用微膨胀型热开关。可选地，微膨胀型热开关在普通工作模式下处于闭合状态时的闭合热阻为1～10K/W。微膨胀型热开关在超静工作模式下处于打开状态时的断开热阻为1000～5000K/W。
实际应用中，被动制冷单元30采用固体制冷器。该固体制冷器包括：导热杆31、外壳32、设置在外壳内部的多层绝热33、内部换热器34和绝热支撑机构35。其中，导热杆31的第一端311与热耦合单元20的热端22通过柔性连接单元23连接，且绝热支撑机构35固定在外壳32上面。在外壳的内部设置有内部换热器34。在内部换热器34与外壳32之间储存有氮、甲烷、氢、氩、氨等作为固体制冷剂。
由于微膨胀型热开关在断开时需要一定的间隙，可选地，采用柔性连接单元23连接热耦合单元20与被动制冷单元30。其中，柔性连接单元23为铜辫子。柔性连接单元23还能提高导热杆31的第一端与热耦合单元20之间的导热性能。并且由于柔性连接单元23还能在一定程度上减级主动制冷单元工作时所传导的振动。
实际应用中，红外探测器40通常有两种工作模式：第一种为普通工作模式，该模式下用户对红外探测器40所采集的图像的成像效果要求不高(例如满足粗略场合下使用)；第二种为超静工作模式，该模式下用户对红外探测器40所采集的图像的成像效果要求较高，需要有较高的分辨率(例如满足放大场合下使用)，图像不允许出现晃动。在上述使用场合时，本发明实施例提供的复合制冷系统的工作原理如下：
在普通工作模式时，主动制冷单元10工作，获得电功率生成冷量；此时热耦合单元20处于闭合状态，热阻值比较小，使得主动制冷单元10与被动制冷单元30之间形成导热热流通路，从而使主动制冷单元10生成的冷量最终通过导热杆31提供给红外探测器40。此外，主动制冷单元10还给被动制冷单元30提供冷量，以使被动制冷单元30中的固体制冷剂由液态变为固态或者保持固态。
在超静工作模式时，主动制冷单元10不工作，热耦合单元20处于断开状态，此时导热热流通路断开。被动制冷单元30内的固体制冷剂在发生固态-液态转变时需要吸收热量，从而可以通过内部换热器34为红外探测器提供冷量。在该模式下，被动制冷单元30不会产生振动，也不存在电磁干扰，从而不会影响红外探测器40的成像效果。
为体现本发明实施例提供的复合制冷系统的优越性，本发明实施例还提供了一种用于上文所述的复合制冷系统的控制方法，包括：
当检测到红外探测器处于普通工作模式时，向主动制冷单元输入电功率以生成冷量；
输出闭合指令至热耦合单元使所述主动制冷单元的冷端与被动制冷单元中导热杆的第一端之间形成导热热流通路以实现热交换；
或者，
当检测到所述红外探测器处于超静工作模式时，向所述主动制冷单元输出停止工作控制指令；
输出打开指令至所述热耦合单元以断开所述主动制冷单元的冷端与所述被动制冷单元中导热杆的第一端之间所形成导热热流通路用于减小热交换。
由于该控制方法是基于本发明实施例提供的复合制冷系统实现，因此该方法可以与复合制冷系统解决相同的技术问题，达到相同的技术效果，在此本发明不再一一赘述了。
综上所述，本发明实施例提供的复合制冷系统及控制方法，采用主动制冷单元和被动制冷单元相结合的制冷方案，在红外探测器为普通工作模式时，控制主动制冷单元工作，通过热耦合单元使得主动制冷单元与被动制冷单元实现热交换，从而为红外探测器提供冷量；当红外探测器为超静工作模式时，主动制冷单元不工作且热耦合单元处于断开状态，被动制冷单元为红外探测器提供冷量。本发明实施例提供的复合制冷系统不但可以延长为红外探测器所提供冷量的时间，而且无振动、无电磁干扰，从而可以保证红外探测器的成像效果。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (5)
1.一种用于红外探测器的复合制冷系统，其特征在于，包括：
主动制冷单元，用于在消耗电功率的同时生成冷量；
热耦合单元，用于控制导热热流通路的断开与闭合以交换冷量与热量；和，
被动制冷单元，用于为红外探测器提供冷量且工作时不需要消耗电功率；
所述主动制冷单元的冷端与所述热耦合单元的冷端对接；所述热耦合单元的热端通过柔性连接单元与所述被动制冷单元中导热杆的第一端柔性连接；所述被动制冷单元中导热杆的第二端与红外探测器连接；
所述热耦合单元采用微膨胀型热开关。
2.根据权利要求1所述的复合制冷系统，其特征在于，所述主动制冷单元采用机械式制冷机。
3.根据权利要求2所述的复合制冷系统，其特征在于，所述机械式制冷机为脉冲管制冷机或者斯特林制冷机。
4.根据权利要求1所述的复合制冷系统，其特征在于，所述被动制冷单元采用固体制冷器。
5.一种用于权利要求1至4任意一项所述的复合制冷系统的控制方法，其特征在于，包括：
当检测到红外探测器处于普通工作模式时，向主动制冷单元输入电功率以生成冷量；
输出闭合指令至热耦合单元使所述主动制冷单元的冷端与被动制冷单元中导热杆的第一端之间形成导热热流通路以实现热交换；
或者，
当检测到所述红外探测器处于超静工作模式时，向所述主动制冷单元输出停止工作控制指令；
输出打开指令至所述热耦合单元以断开所述主动制冷单元的冷端与所述被动制冷单元中导热杆的第一端之间所形成导热热流通路用于减小热交换。
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