馬艷紅

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

J－T制冷器以其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于紅外系統(tǒng)。根據(jù)有無(wú)自調(diào)機(jī)構(gòu)，J－T制冷器可分為快啟動(dòng)式和自調(diào)式兩大類(lèi)，快啟動(dòng)式即為直噴型制冷器，多用于單元紅外探測(cè)器組件，通常要求制冷系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間為3～5 s。對(duì)于以InSb和HgCdTe為基礎(chǔ)的第二代紅外焦平面探測(cè)器組件，直噴型的快啟動(dòng)制冷器與自調(diào)式制冷器相比，不僅達(dá)不到更低的溫度，而且達(dá)到同等溫度所耗費(fèi)的時(shí)間更長(zhǎng)。因此，第二代焦平面探測(cè)器組件普遍采用自調(diào)式制冷器。自調(diào)式制冷器通常采用波紋管作為調(diào)節(jié)元件，根據(jù)被冷卻組件溫度的波動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)流量。

目前，國(guó)內(nèi)波紋管型自調(diào)式J－T制冷器技術(shù)基本成熟，可以進(jìn)行小批量生產(chǎn)。以中波320×256 HgCdTe紅外焦平面探測(cè)器組件為例，80 K時(shí)，制冷器常溫啟動(dòng)時(shí)間可以保證在40 s以?xún)?nèi)。隨著國(guó)內(nèi)武器裝備水平的快速發(fā)展，整機(jī)用戶(hù)對(duì)紅外探測(cè)器組件的指標(biāo)要求越來(lái)越高。其中，對(duì)制冷器啟動(dòng)時(shí)間的要求達(dá)到:常溫啟動(dòng)時(shí)間＜25 s(80 K)，高溫啟動(dòng)時(shí)間＜30 s(80 K)。因此，對(duì)自調(diào)式J－T制冷器啟動(dòng)時(shí)間的研究已迫在眉睫。

2 波紋管型自調(diào)式制冷器工作過(guò)程

如圖1所示，波紋管型J－T制冷器主要由熱交換管、節(jié)流機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件組成。其工作過(guò)程包括三個(gè)階段:

第一階段:波紋管自調(diào)前。此階段屬于強(qiáng)制對(duì)流換熱，高壓氣體經(jīng)過(guò)熱交換管在節(jié)流孔中發(fā)生等焓膨脹得到低壓低溫的氣體，低壓降溫氣體由杜瓦冷指與熱交換管的空隙穿過(guò)，將熱交換管中的高壓氣體冷卻，如此循環(huán)降溫對(duì)熱負(fù)載進(jìn)行冷卻。

第二階段:波紋管自調(diào)中。當(dāng)噴口出現(xiàn)液態(tài)工質(zhì)時(shí)，充氣腔內(nèi)氣體迅速降溫，壓力降低，帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)節(jié)流孔出氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)。這個(gè)階段屬于瞬態(tài)過(guò)程，理論上比較復(fù)雜，而實(shí)際意義不大，可不予考慮。

第三階段:波紋管自調(diào)后。自調(diào)后流量降低，制冷器工作處于穩(wěn)定狀態(tài)，冷指內(nèi)積蓄液態(tài)工質(zhì)，對(duì)芯片的降溫屬于熱傳導(dǎo)方式。

我們主要關(guān)注工作過(guò)程的第一階段和第三階段，第一階段降溫較快，降溫時(shí)間與溫度的關(guān)系基本成線(xiàn)性關(guān)系;第三階段降溫時(shí)間較慢。

圖1 波紋管型自調(diào)式J－T制冷器

3 啟動(dòng)時(shí)間影響因素分析

當(dāng)芯片與杜瓦條件確定后，單獨(dú)對(duì)制冷器進(jìn)行改進(jìn)是工作的重點(diǎn)。本文僅對(duì)熱交換管長(zhǎng)度、壓強(qiáng)、流量三個(gè)因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象加深對(duì)制冷過(guò)程的了解。

測(cè)試用組件為中波320×256 HgCdTe紅外焦平面正式組件，測(cè)試過(guò)程中記錄測(cè)溫二極管電壓值，80 K對(duì)應(yīng)的測(cè)溫二極管電壓值為1．053 V，測(cè)溫二極管安裝位置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)采用氮?dú)?，工作環(huán)境為常溫20℃，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)的組件相同。

圖2 測(cè)溫二極管位置示意圖

3．1 熱交換管長(zhǎng)度對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的影響

工程上，熱交換管普遍采用帶有紫銅散熱片的不銹鋼毛細(xì)管［1］，其長(zhǎng)短直接影響制冷工質(zhì)的換熱和流動(dòng)。

制作了兩支制冷器，外形尺寸、節(jié)流機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相同，熱交換管長(zhǎng)度分別為400 mm，800 mm。從外形上看，400 mm熱交換管的制冷器后半段沒(méi)有熱交換管。測(cè)試了兩支制冷器在40 MPa恒壓條件下的降溫時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 熱交換管長(zhǎng)度對(duì)啟動(dòng)時(shí)間影響曲線(xiàn)

由圖3可知:在40 MPa管道氣條件下，制冷器在工作的第一階段，800 mm熱交換管的制冷器比400 mm降溫快，這說(shuō)明增加熱交換管長(zhǎng)度，有利于加強(qiáng)氣體的強(qiáng)制對(duì)流換熱。但在制冷器工作的第三階段，800 mm長(zhǎng)熱交換管的制冷器降溫速度逐漸減慢，與400 mm長(zhǎng)熱交換管的制冷器降溫時(shí)間逐漸接近。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為:節(jié)流后的低壓氣體工質(zhì)流經(jīng)狹窄的熱交換管翅片縫隙，這個(gè)過(guò)程的流動(dòng)阻力不僅不能忽略，而且嚴(yán)重影響制冷器節(jié)流后的背壓［2］。400 mm長(zhǎng)熱交換管的回流阻力小于800 mm長(zhǎng)熱交換管，相應(yīng)的背壓降至大氣壓的速度較快，到達(dá)77 K的速度加快，因此出現(xiàn)了第三階段的情況。

考核制冷器啟動(dòng)時(shí)間的指標(biāo)是80 K，因此總體看來(lái)，在40 MPa條件下，兩支制冷器的啟動(dòng)時(shí)間相差不大。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明熱交換管的翅片排列和繞制工藝不僅影響制冷器啟動(dòng)過(guò)程中的換熱，也影響氣體的回流，且回流阻力對(duì)制冷效果的影響更明顯。

3．2 氣源壓力對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的影響

圖4 20 MPa、30 MPa、40 MPa不同壓力對(duì)啟動(dòng)時(shí)間影響曲線(xiàn)

對(duì)比研究了同一支制冷器分別在20 MPa、30 MPa、40 MPa恒壓條件下的常溫啟動(dòng)時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:啟動(dòng)時(shí)間隨著壓力的增加而降低。當(dāng)節(jié)流孔大小一定時(shí)，氣體壓力增加，流速增加，單位時(shí)間流過(guò)制冷器的流量增加，制冷器的制冷量必然增大，因此可以降低啟動(dòng)時(shí)間。

工作壓力繼續(xù)增大，出現(xiàn)了圖5所示的情況。在制冷器工作的第一階段，50 MPa曲線(xiàn)與40 MPa曲線(xiàn)基本重合，在制冷器工作的第三階段，使用50 MPa氣壓，制冷器無(wú)法降至77 K。

圖5 高壓對(duì)啟動(dòng)時(shí)間影響曲線(xiàn)

經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為:制冷器熱交換管翅片排列方式和繞制工藝確定后，制冷器的回流阻力基本為定值，隨著壓強(qiáng)的增加，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)節(jié)流孔的工質(zhì)流量增加，壓強(qiáng)增大到一定值，再增大壓強(qiáng)，會(huì)造成杜瓦冷指內(nèi)背壓增大，影響降溫過(guò)程的“驅(qū)動(dòng)力”，這種驅(qū)動(dòng)力就是高壓氣體與節(jié)流后低壓氣流的壓差。因此出現(xiàn)了圖5所示制冷器工作在第一階段的情況。50 MPa時(shí)，出現(xiàn)在第三階段的現(xiàn)象主要因?yàn)?制冷器自調(diào)機(jī)構(gòu)受力改變［3］，無(wú)法帶動(dòng)閥針自調(diào)到位，制冷器出氣量大，冷指內(nèi)背壓增大，氮?dú)庖夯瘻囟壬撸瑹o(wú)法降至常壓下的液化溫度77 K。

氣源壓力實(shí)驗(yàn)說(shuō)明當(dāng)制冷器設(shè)計(jì)和制作工藝固定后，氣源壓力存在一個(gè)最佳值。在最佳壓力之前提高供氣壓力，可以減少啟動(dòng)時(shí)間，供氣壓力高于最佳壓力時(shí)，不但對(duì)啟動(dòng)時(shí)間沒(méi)有貢獻(xiàn)，制冷器還無(wú)法降至最低溫。制冷器設(shè)計(jì)與工藝改變后應(yīng)該找出制冷器的最佳使用壓力，超過(guò)該壓力，自調(diào)機(jī)構(gòu)受力增大，容易損壞。

3．3 流量對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的影響

從宏觀(guān)上看，自調(diào)式J－T制冷器啟動(dòng)過(guò)程中的流量變化較大，在制冷器工作的第一階段，流量迅速增大，存在一個(gè)最大流量值;在制冷器工作的第三階段，流量迅速減小，并維持在一個(gè)平穩(wěn)的小流量狀態(tài)，以維持芯片到溫后杜瓦的漏熱。相同進(jìn)氣壓力條件下，制冷器設(shè)計(jì)和制作工藝固定后，有一個(gè)固定的最大流量值，改變制冷器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制作工藝，可以改變最大流量值。

圖6為最大流量值分別為35 L/min，88 L/min的兩支制冷器，40 MPa恒壓條件下，在制冷器工作的第一階段的啟動(dòng)時(shí)間對(duì)比曲線(xiàn)。

圖6 流量對(duì)啟動(dòng)時(shí)間影響曲線(xiàn)

由圖6可知:氣源壓力相同的情況下，在制冷器工作的第一階段，最大流量值為88 L/min的制冷器的啟動(dòng)時(shí)間明顯快于最大流量值為35 L/min的制冷器，時(shí)間差大約為10 s。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為:制冷器進(jìn)氣流速相同，增大進(jìn)氣流量，在制冷器工作的第一階段，帶走的熱量增加，可以大大減小降溫時(shí)間。由于進(jìn)氣流量的增加，制冷器設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮了自調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以增加制冷器的可靠性。進(jìn)氣流量增加，回流氣流流量也相應(yīng)增加，在設(shè)計(jì)上減少了回流阻力，使節(jié)流工質(zhì)充分膨脹。

4 結(jié)論

啟動(dòng)時(shí)間是考核焦平面紅外探測(cè)器性能的重要指標(biāo)，本文從實(shí)驗(yàn)方面研究了熱交換管長(zhǎng)度、氣源壓力、流量對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:①?gòu)奶綔y(cè)器組件降溫至80 K這個(gè)時(shí)間點(diǎn)看，40 MPa時(shí)，400 mm長(zhǎng)熱交換管和800 mm長(zhǎng)熱交換管對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的貢獻(xiàn)差別不大;②制冷器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作工藝確定以后，存在一個(gè)最佳啟動(dòng)壓力，在最佳壓力之前提高供氣壓力，可以減少啟動(dòng)時(shí)間，供氣壓力高于最佳壓力時(shí)，不但對(duì)啟動(dòng)時(shí)間沒(méi)有貢獻(xiàn)，制冷器還無(wú)法降至最低溫;③在制冷器工作的第一階段，增大進(jìn)氣流量可以明顯提高啟動(dòng)時(shí)間。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知:熱交換管翅片排列方式和繞制工藝確定后，制冷器回流阻力基本確定，回流阻力嚴(yán)重影響制冷效果;當(dāng)氣流對(duì)閥針的作用力增大，自調(diào)機(jī)構(gòu)無(wú)法自調(diào)到位時(shí)，制冷器將無(wú)法降至最低溫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析對(duì)研制快啟動(dòng)制冷器有一定的幫助作用。

［1］ Bian Shaoxiong．Small hypothermia cryocoolers［M］．Beijing:China Machine Press，1982．(in Chinese)邊紹雄．小型低溫制冷機(jī)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982．

［2］ Yang Jiaai．Development of spray J － T cooler［J］．Laser＆ Infrared，2007，37(1):53 －55．(in Chinese)楊家艾．噴射式J－T制冷器的研制［J］．激光與紅外，2007，37(1):53 －55．

［3］ Wang Sanyu．Research on self-regulated cryocoolers with bellows［J］．Infrared Technology，2006，28(11):651 －654．(in Chinese)王三煜．波紋管型自調(diào)式制冷器設(shè)計(jì)研究［J］．紅外技術(shù)，2006，28(11):651 －654．