镜头分离式CCD液氮杜瓦传热设计

　　0　引言

　　镜头分离式CCD液氮杜瓦是我所为国家天文台研制开发的,主要应用于大天区面积多目标光纤光谱望远镜的CCD成像系统中,为天文望远镜获取天体光谱的CCD芯片提供适合的工作环境和光电信号连接。该杜瓦解决了绝热、致冷温度可控等技术问题,并且生产工艺简单,加工和制作工艺实施容易,技术参数易于控制,使用方便,可以反复使用。

　　经国家天文台使用,效果良好,完全取代了同类进口产品[1-5]。该杜瓦的结构示意图如图1所示。

　　为保证CCD探测器工作的平稳性及其低温工作条件,在该项目中采用了相变致冷方式,即利用液氮由液态转化为气态所吸收的转化热,降低CCD芯片装载平台的温度,提供CCD芯片工作条件。由于这种形式的杜瓦结构特殊,热传导距离较长且横截面受限,在结构设计时需要对从液氮存储器到CCD探测器芯片装载平台———冷头之间的热桥进行热计算。本文通过对液氮存储器到CCD探测器装载平台之间热桥的计算,结合样机验证试验修正热传导结构。

　　1　热计算

　　1.1　计算条件

　　在本项目中要求在加载热平衡时冷头温度为-100℃±5℃,已知芯片功率为1 W。

　　对流换热。我们知道只有当真空度大于1×Pa时,对流换热方可忽略,属于理想状态,能够减少液氮消耗和延长液氮杜瓦工作时间。但在实际工程应用中,由于杜瓦内部结构复杂,真空度只能达到1×Pa,此时虽有残余气体的对流换热,但由于对流换热的相对损耗小且计算复杂,不予计算。支撑结构漏热。支撑结构漏热在本文中不予以计算,但由于支撑结构漏热,不可忽略,因此,粗步估计支撑结构的漏热和为0.2 W。

　　对于液氮杜瓦内残余气体的对流换热、连接处热阻和支撑结构漏热,最后是根据样机测试数据来进行修正的,以弥补传热路径上对流换热、连接处热阻及支撑结构的漏热。

　　1.2　传热计算

　　图2为从液氮存储器到冷头之间的热传导的结构设计,各个连接部位均作导热处理,计算时可忽略热阻。

　　(1)传热路径从液氮容器到冷头,其热传导的主要部分有:冷头、传热带、冷指及传热座。

　　(2)传热路径各部分材料及尺寸,如表1。

　　(3)解算条件(理想条件,即不考虑辐射及对流)。从液氮温度77 K到芯片的工作温度173 K,温差为96 K,即传热路径上各部分所产生的温差之和为96 K。

　　其中,Q为传导热量,λ为材料的导热系数,TU1的平均导热系数为1.91 W/(cm·K),A为传热零件的传热面积,ΔT为传热零件两端的温度差,L为传热零件的传热长度。