一种低温面源黑体的均温结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及温度控制领域，具体涉及一种低温面源黑体的均温结构及其制造方法。

背景技术

温度均匀性是面源黑体的重要技术指标。根据普朗克方程，黑体辐射源的光谱辐射亮度由黑体温度和波长表示，而普朗克定律的修正Sakuma-Hattori插值方程给出了辐射计的校准方案，利用一组发射率和温度可知的黑体辐射源即可以对辐射温度计进行标定。因此，作为温度参数的表征，黑体辐射源的温度均匀性和稳定性均是评价黑体辐射源性能的主要指标。均匀性的好坏将直接会影响到空腔的有效发射率，也会影响到辐射计温度溯源的可靠性和准确性。

通常，面源黑体的温度控制是通过冷源来实现的，如在面源黑体后端安置冷头进行导热降温；或在面源黑体后端布置液冷管进行液冷降温。然而，在实际研究中，受限于冷源施加功率分布的差异，在低温面源黑体中直接连接冷源进行控温的方式难以满足温度均匀性的需求。现有技术通常采用高导热材料的金属导热板或导热桥作为均温体，在均温体中，冷源施加的功率分布的差异会随冷量在金属导热板内传导和扩散而逐渐减小。

然而，均温的效果是通过在实心金属板传导和扩散实现的，这意味着需要更厚、更重的金属导热板来保证均温的效果；只能削减因冷源施加的功率分布的差异而导致黑体辐射面温差，这一削减效果存在上限，并不能完全消除，且均温效果较低。此外，面源黑体侧面存在的边界换热也将严重影响黑体辐射面的温度均匀性，造成黑体辐射面中心与四周的温度差异，特别是在面源黑体与环境温度存在较大温差时，这一问题是传统均温体无法解决的。因此，设计具有高均匀性的均温体对冷量进行混热、均温是必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高温度均匀性的面源黑体均温体结构，可大幅度改善因冷量分配以及边缘散热而导致的辐射面温度分布差异较大等问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种采用在接触面包含冷量分配器的匀温体设计方式，通过调整冷量分配器上凹槽位置及其宽度，对由后方冷源流入前端黑体辐板的冷量进行重新分配与调整，以实现所述面源黑体温度均匀性提高的设计方法。

本发明提供了一种低温面源黑体的均温结构，其包括：冷源连接部分，所述冷源连接部分与冷源进行连接；混热板，所述冷源连接部分设置在混热板上，从所述冷源连接部分传导过来的能量在混热板中进行传导并分布；在所述混热板远离所述冷源连接部分的一侧设置有冷量分配器，所述冷量分配器上具备环形凹槽。

其中，所述环形凹槽的宽度从中央区域向边缘区域呈现减小的趋势。

其中，所述冷源包括至少四个冷头。

其中，进一步包括所述冷量分配器与所述固定板相接触，将所述热量均匀传递到所述固定板。

其中，进一步包括黑体辐射板，所述固定板与所述黑体辐射板紧密接触，所述固定板的温度均匀传递到所述黑体辐射板。

本发明还提供了一种均温结构的制造方法，其包括：

步骤1.对黑体辐射板的结构进行热分析，根据面源黑体的边界条件以及各结构连接顺序建立冷量传递路径；

步骤2.根据实际工况，对均温体进行机械设计；

步骤3.对冷量分配器进行设计；

步骤4.根据分析研究对象，构建数学模型或有限元仿真模型进行求解；

步骤5.求解最佳凹槽分配策略；

步骤6.考虑理论与实际差异，对该均温体进行实验验证，并根据实验结果对凹槽分配进行修正。

本发明的均温结构具有更佳的温度场分布，通过均温体内的冷量分配器对冷量进行调控，使黑体辐射板受热更均匀，并可通过热量补偿抵消边界换热的影响，降低了对混热结构的需求，有效降低了均温体的重量。

附图说明

图1为本发明的面源黑体的结构示意图；

图2为本发明的低温面源黑体的均温体结构的示意图；

图3为本发明的冷量分配器切槽的结构示意图；

图4为本发明的面源黑体温度场分布示意图；

图5为本发明的面源黑体的制造方法流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。

图1为本发明的面源黑体的结构示意图；如图1所示，所述面源黑体包括：冷头1，所述冷头1与所述均温体2连接，优选所述冷源包括至少四个冷头，具体而言，所述冷头1与所述均温体2的冷源连接部分相配合，冷头1的冷量通过冷源连接部分在所述混热板处进行混合，之后传递到冷量分配器；固定板3，所述均温体2的冷量分配器与所述固定板3相接触，将所述热量均匀传递到所述固定板3；黑体辐射板4，所述固定板3与所述黑体辐射板4紧密接触，所述固定板3的温度均匀传递到所述黑体辐射板4。在黑体辐射板内均匀分布用于测量黑体辐射面温度信息的温度传感器。

图2为本发明的均温体结构的示意图。所述均温体包括：冷源连接部分，所述冷源连接部分与外部冷源进行连接，所述冷源连接部分为均温体与外部的连接位置，在所述冷源连接部分具有与外部冷源相配合的结构；均温体2，所述冷源连接部分设置在均温体2上，从所述冷源连接部分传导过来的能量在均温体2的混热板中进行传导并分布；在所述均温体2远离所述冷源连接部分1的一侧设置有冷量分配器，所述冷量分配器优选为形成在均温体2的混热板结构表面的凸起，所述凸起的表面平整，在相邻凸起之间具备环形凹槽。所述环形凹槽的宽度从中央区域向边缘区域呈现减小的趋势。

冷头1与均温体2上方接触连接，冷量通过热传导进入均温体2，并在均温体2的混热板内进行初步混热，以减小冷量分布差异，冷量在冷量分配器中进行再分配。在不考虑黑体辐射板4边界换热的情况下，冷量以各区域等功率密度的形式流入黑体辐射板4，使黑体辐射板4各区域温度保持良好的一致性；而在考虑黑体辐射板4边界换热的情况下，则需要考虑对换热区域的热流补偿。所述低温面源黑体的均温体结构的冷量分配器中存在凹槽或孔洞，可通过控制区域内传热路径热阻值对流入黑体辐射板各区域内的冷量进行控制。传热路径热阻值的控制通过改变与黑体辐射板接触面积或传热路径横截面积来实现。特别的，具体的凹槽或孔洞分布需要根据具体情况计算分析获得。

所述面源黑体的结构设计需要采用以下步骤，参考图5所示：

步骤1.对黑体辐射板的结构进行热分析，根据面源黑体的边界条件以及各结构连接顺序建立冷量传递路径，分析冷源以及边界换热对黑体辐射面温度均匀性的影响；

步骤2.根据作为研究对象的黑体辐射板进行机械设计，具体而言，根据黑体辐射板技术指标要求及设计方案、加热/制冷方式、预想工作环境，对均温体进行机械设计；

其中，步骤2中对均温体的机械设计包括了与冷源的连接，与黑体辐射板的连接，均温混热区域的厚度设计，以及凸起和凹槽的分布图案；

步骤3.在凹槽设计过程中，如图3所示，在凸起位置，经均温体的导热热阻随与冷源距离的增加而增加，这将造成流入黑体辐射板4近冷源区域热流密度大于其他区域，从而导致黑体辐射板温度均匀性较差。因此，所述均温体将以冷源区域为中心进行环绕式切槽设计，且切槽面积占比随与冷源区域距离的增加而减小，以实现对各区域导热热阻的调整。在内环区域，均温体与黑体辐射板接触面积占比较低，而在外环区域，均温体与黑体辐射板接触面积占比较高，以保证黑体辐射板各环冷量密度相近。

步骤4.根据分析研究对象，构建数学模型；

步骤5.根据数学模型求解最佳凹槽分配策略。

步骤6.考虑理论与实际差异，对该均温体进行实验验证，并根据实验结果对凹槽分配进行修正。

实施例二：

所述面源黑体的结构设计需要采用以下步骤，参考图5所示：

步骤1.对黑体辐射板进行热分析，根据边界条件以及各结构连接顺序建立冷量传递路径，分析冷源以及边界换热对黑体辐射板的面温度均匀性的影响；

步骤2.根据作为研究对象的黑体辐射板进行机械设计，具体而言，根据黑体辐射板技术指标要求及设计方案、加热/制冷方式、预想工作环境，对均温体进行简单的机械设计；

其中，步骤2中对均温体的机械设计包括了与冷源的连接，与黑体辐射板的连接，均温混热区域的厚度设计，以及凸起和凹槽的分布图案；

步骤3.在凹槽设计过程中，如图3所示，在凸起位置，经均温体的导热热阻随与冷源距离的增加而增加，这将造成流入黑体辐射板近冷源区域热流密度大于其他区域，从而导致黑体辐射板温度均匀性较差。因此，所述均温体将以冷源区域为中心进行环绕式切槽设计，且切槽面积占比随与冷源区域距离的增加而减小，以实现对各区域导热热阻的调整。在内环区域，均温体与黑体辐射板接触面积占比较低，而在外环区域，均温体与黑体辐射板接触面积占比较高，以保证黑体辐射板各环冷量密度相近。

步骤4.根据分析研究对象，构建有限元仿真模型；

其中，步骤4中的构建有限元仿真模型包括，根据对象结构建立几何模型，根据对象使用材料物性设置有限元仿真模型构件材料参数，设置物理场与边界条件。

步骤5.通过有限元仿真模型求解该条件下黑体辐射面板温度分布。如图4所示，可明显看出，经过均温体的冷量再分配，黑体辐射面的温度均匀性得到了大幅度的提升

步骤6.根据黑体辐射面板温度分布对热流分配器的切槽分布进行反复修正，以获得黑体辐射面最佳温度均匀性。

步骤7.考虑理论与实际差异，对该均温体进行实验验证，并根据实验结果对凹槽分配进行修正。

本发明的均温结构具有更佳的温度场分布，通过均温体内的冷量分配器对冷量进行调控，使黑体辐射板受热更均匀，并可通过热量补偿抵消边界换热的影响，降低了对混热结构的需求，有效降低了均温体的重量。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。