CN113008386A - 一种高温度均匀性面源黑体控温结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温度均匀性面源黑体控温结构。本发明面源黑体结构采用黑体和温控冷板一体化设计，黑体内部设计有两相工质流道，流道内两相工质直接作用于黑体，消除了温控冷板与黑体间的接触热阻，有效减小了两相工质与黑体间的换热温差，增强了两相工质对于黑体表面的温度调节能力。两相工质流道由多条平行微型槽道并联组成，均匀分布在黑体内部，使得两相工质在黑体内部均匀分配，两相工质在黑体内部发生流动沸腾，换热系数较单相回路高一个数量级，温度控制能力强，且控温范围大、稳定性好、精度高。同时，采用嵌入接触式测温测量黑体表面温度，避免环境干扰，测温精度高。
Description
技术领域
本发明涉及红外相机成像、辐射测量技术领域，具体涉及一种高温度均匀性面源黑体控温结构。
背景技术
随着红外技术的迅速发展，红外测温与检测、红外遥感等得到了越来越广泛的应用，红外制导系统、机载前视红外系统、勘探地球资源卫星、红外成像仪等红外装置对精度、分辨率提出了很高的要求。面源黑体是红外遥感探测器进行红外定标的关键设备，通过面源黑体与红外光学仪器组合，可实现对红外成像设备光学系统、探测器和信号处理等分系统的测试和整机的客观评价，面源黑体的应用需求越来越广泛。目前面源黑体辐射口径一般要求在100mm以上，温度控制精度和温度均匀性是面源黑体能否满足红外定标试验需求的关键。
近年来，为了适应星载和机载红外探测器大孔径、大视场角的发展需要，对大面源黑体进行分析、研究变得越来越重要，高发射率、高温度均匀性、大尺寸的面源黑体是未来发展的必然趋势。未来星载和机载红外相机载荷定标对大口径面源黑体靶标的尺寸要求超过3m×3m，为实现场外定标黑体功能需求和技术指标要求，定标黑体要求较高的控温均匀性(±0.3℃)、测温精度(±0.2℃)和稳定性(±0.2℃/30Min)等要求，红外定标试验一般在外场强光照条件下进行，不同的光照强度、环境温度、外部空气对流等不利因素会大大增加黑体温度的不均匀性和温度波动，保证面源黑体辐射面温度均匀性和控温稳定性具有相当的挑战性。
迄今为止，面源黑体控温基本上基于电加热片或半导体热电制冷器(TEC)的控温方式，电加热片控温缺乏对面源黑体温度的制冷调节能力，面源黑体的温度只能控制在室温以上的范围。半导体热电制冷器(TEC)控温通过改变其输入电压的方向，控制半导体热电制冷器(TEC)加热制冷状态来实现对面源黑体的升温降温调节，但是受半导体制冷器制冷效率的限制，其温度调节能力较差。大尺寸面源黑体需要大量半导体热电制冷器(TEC)阵列实现，最大尺寸不超过1m×1m，需外接液体循环辅助制冷单元，对散热需求较大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高温度均匀性面源黑体控温结构，采用面源黑体和控温冷板结构一体化设计，内部均匀分布多条平行微型槽道结构，利用两相工质实现对黑体表面温度的均匀性控制，能够满足高光谱及红外载荷高精度辐射定标对于黑体红外靶标高精度、高均匀性控温需求。
本发明的高温度均匀性面源黑体控温结构，包括两相流体回路和热敏电阻，所述面源黑体包括黑体辐射盖板和背板；所述黑体辐射盖板由热导率较好的材料制成；黑体辐射盖板正面加工有向外凸起的微型四面体棱锥并喷涂黑漆，利用微棱锥体排列表面产生的腔体效应，提高面源黑体表面辐射率；黑体辐射盖板背面加工有多条平行微型凹槽作为两相工质流道；所述微型凹槽的宽度占盖板宽度的1％～2％，深度占盖板厚度的15％～20％；所述背板选用热导率较好的材料制成；背板密封连接在黑体辐射盖板的背面，形成一个整体，内部的微型凹槽形成连通的流道；在背板对角线位置设有接口并焊接螺纹接头，作为两相工质进出口；微型凹槽通过螺纹接头连通两相流体回路管道进行调温；背板上还均布有贯穿至黑体辐射盖板的热敏电阻安装孔，热敏电阻安装在热敏电阻安装孔内并尽可能靠近黑体辐射盖板的正面，测量黑体温度。
较优的，微型凹槽的宽度为4～6mm，深度为1～2mm。
较优的，微型四面体棱锥的锥角60°～65°，高度8～10mm。
较优的，黑体辐射盖板和背板通过真空钎焊成为一个整体。
较优的，黑体辐射盖板和背板选用热导率大于120W/m·k的材料制成。
较优的，黑体辐射盖板和背板选用铝合金材料制成。
较优的，热敏电阻为铂电阻。
较优的，两相流体回路为机械泵驱。
较优的，两相流体回路的工质为氨、氟利昂R134a或R22。
有益效果：
(1)本发明面源黑体结构采用黑体和温控冷板一体化设计，黑体内部设计有两相工质流道，流道内两相工质直接作用于黑体，消除了温控冷板与黑体间的接触热阻，有效减小了两相工质与黑体间的换热温差，增强了两相工质对于黑体表面的温度调节能力。两相工质流道由多条平行微型槽道并联组成，均匀分布在黑体内部，使得两相工质在黑体内部均匀分配，两相工质在黑体内部发生流动沸腾，换热系数较单相回路高一个数量级，温度控制能力强。
(2)本发明可由多块面源黑体共面拼接组成大尺寸面源黑体阵列，面源黑体通过螺纹接头并联连接到泵驱两相流体回路主管路中，具有良好的尺寸拓展性，工质流量在各面源黑体间均匀分配。通过泵驱两相流体回路控制工质在各并联面源黑体内部处于两相状态，工质温度在流动行程上几乎没有变化。以R134a作为两相工质为例，R134a压力随温度的变化关系dp/dt为19kPa/℃，将面源黑体出入口压差控制在7.6kPa以内时，温度均匀性可优于±0.2℃，同时通过泵驱两相回路传输热量控制黑体的降温和升温过程，可实现黑体温度-10～+90℃区间大范围调节。
(3)本发明采用嵌入接触式测温测量黑体表面温度，在面源黑体内部设计测温点，消除室外标定时空气流动、光照等外部环境因素对于测温的影响。在面源黑体背面打孔，深入到面源黑体内部，安装时嵌入四线制高精度铂电阻，铂电阻头部贴近黑体辐射盖板的正面，安装孔内填充导热硅脂，减小铂电阻与被测表面的温差，提高了黑体测控温的准确性。
附图说明
图1为面源黑体结构示意图；
图2为黑体辐射盖板正面微型棱锥示意图；
图3为黑体辐射盖板背面微型槽道示意图；
图4为面源黑体背面主管路和支管路连接示意图；
图5为多块面源黑体拼接组成面源黑体阵列示意图；
图6为面源黑体阵列控温系统示意图。
其中：1-螺纹接头、2-黑体辐射盖板、3-背板、4-铂电阻安装孔、5-面源黑体安装孔、6-微型棱锥、7-微型槽道、8-液体主路管路、9-面源黑体、10-两相主路管路、11-支路管路、12-面源黑体支架、13-面源黑体阵列、14-泵驱两相流体回路、15-高低温水冷机组。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种高温度均匀性面源黑体控温结构。
如图1～图3所示，面源黑体由黑体辐射盖板2和背板3组成，面源黑体尺寸520mm×520mm。
微型槽道可有效增强两相工质与面源黑体内部的流动沸腾换热，根据工质R134a流动阻力特性，为合理的控制面源黑体出入口压差，黑体辐射盖板2背面刻槽形成38条平行且均匀分布的微型槽道7，槽深1.5mm，宽6mm。
黑体辐射盖板2正面加工微型四面体棱锥6，锥角60°，高度8mm，表面喷涂黑漆，利用微棱锥体6排列表面产生的腔体效应，提高黑体表面辐射率。
背板3厚度为8mm，均匀布置有5个铂电阻安装孔4，内径4mm，深入黑体结构内部，用于测量黑体表面温度；背板3沿周向布置8个M6面源黑体安装孔5与面源黑体支架连接；背板3上焊接有螺纹接头1作为两相工质的进出口。
黑体辐射盖板2和背板3通过真空钎焊成为一个整体，微型凹槽即成为面源黑体内部与两相流体回路相连通的流道。加工顺序建议为：黑体辐射盖板2背面刻槽→黑体辐射盖板2与背板3焊接(钎焊)→黑体辐射盖板2正面加工微型棱锥6。
参见图4，采用两相流体回路进行温控，面源黑体本身即作为两相流体回路中的冷板；两相流体回路中的液路主路管路8通过支路管路11与面源黑体9的入口螺纹接头1连接，两相流体回路中的两相主路管路10通过支路管路11与面源黑体9出口螺纹接头1连接，螺纹接头1可采用双O型圈密封螺纹接头与外部管路进行连接，外部管路接口形式为柱塞接头和外套螺母。
参见图5和图6，实际应用时，36块520mm×520mm面源黑体9通过面源黑体支架12可共面拼接组成9.7m2面源黑体阵列13，通过液体主路管路8和两相主路管路10与泵驱两相流体回路14主路管路连接，同时高低温水冷机组15为泵驱两相流体回路14提供温度可调的稳定热沉。
外场试验时，黑体辐射定标一般选择在室外太阳直射或者暴晒条件下进行，阳光照射在面源黑体阵列表面。调节高低温水冷机组15供液温度为目标温度，通过泵驱两相流体回路14驱动系统管道内过冷的工质R134a达到两相状态后，进入面源黑体9进行蒸发换热。R134a压力随温度的变化关系dp/dt为19kPa/℃，泵驱两相流体回路14将面源黑体9出入口压差控制在7.6kPa以内，则温度均匀性优于±0.2℃。高低温水冷机组15同时具备制冷和加热能力，可精确控制供液温度，为泵驱两相回路14提供温度稳定的热沉，有效提高了控温的稳定性，通过泵驱两相回路14的热量传输实现面源黑体9表面的降温和升温过程，可实现面源黑体9温度-10～+90℃区间大范围调节，R134a冰点温度为-103.3℃，临界温度为101.06℃，满足面源黑体控温区间的使用需求。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高温度均匀性面源黑体控温结构，其特征在于，包括两相流体回路和热敏电阻，所述面源黑体包括黑体辐射盖板和背板；所述黑体辐射盖板的正面加工有四面体棱锥并喷涂黑漆，背面加工有多条平行微型凹槽；所述微型凹槽的宽度占盖板宽度的1％～2％，深度占盖板厚度的15％～20％；所述背板密封连接在黑体辐射盖板的背面；微型凹槽通过背板上设置的接口与两相流体回路连通；所述背板上设置有热敏电阻安装孔并贯穿至黑体辐射盖板，所述热敏电阻安装在热敏电阻安装孔内并靠近黑体辐射盖板的正面。
2.如权利要求1所述的高温度均匀性面源黑体控温结构，其特征在于，微型凹槽的宽度为4～6mm，深度为1～2mm。
3.如权利要求1所述的高温度均匀性面源黑体控温结构，其特征在于，微型四面体棱锥的锥角60°～65°，高度8～10mm。
4.如权利要求1～3任意一项所述的高温度均匀性面源黑体控温结构，其特征在于，黑体辐射盖板和背板采用真空钎焊固定。
5.如权利要求1～3任意一项所述的高温度均匀性面源黑体控温结构，其特征在于，黑体辐射盖板选用热导率大于120W/m·k的材料制成。
6.如权利要求4所述的高温度均匀性面源黑体控温结构，其特征在于，黑体辐射盖板选用铝合金材料制成。
7.如权利要求1～3任意一项所述的高温度均匀性面源黑体控温结构，其特征在于，热敏电阻为铂电阻。
8.如权利要求7所述的高温度均匀性面源黑体控温结构，其特征在于，在热敏电阻安装孔内填充导热硅脂。
9.如权利要求1～3任意一项所述的高温度均匀性面源黑体控温结构，其特征在于，两相流体回路为机械泵驱。
10.如权利要求1～3任意一项所述的高温度均匀性面源黑体控温结构，其特征在于，两相流体回路的工质为氨、氟利昂R134a或R22。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20210622 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |