馬艷紅,賈學山

(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、啟動快等優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于紅外系統(tǒng)。根據(jù)有無自調(diào)機構(gòu),J-T制冷器可分為快啟動式和自調(diào)式兩大類,第二代焦平面探測器組件普遍采用以波紋管作為自調(diào)元件的自調(diào)式制冷器。波紋管型制冷器設(shè)計復(fù)雜,工作量大,本文在制冷器總體結(jié)構(gòu)和波紋管設(shè)計已確定的條件下,討論充氣腔充氣參數(shù)設(shè)計,通過理論分析與實驗驗證相結(jié)合的方式確定充氣腔充氣參數(shù)。

2 充氣腔工作過程及熱力分析

如圖1所示,J-T制冷器自調(diào)機構(gòu)主要包括充氣腔、傳動桿、波紋管、閥針與閥體。在波紋管型制冷器制作過程中,傳動桿與調(diào)節(jié)器外殼之間預(yù)留一定長度,常溫下,充氣腔內(nèi)充一定壓力的氣體,使波紋管壓縮,制冷器閥針處于開啟狀態(tài),制冷器工作時,隨著溫度的降低,充氣腔內(nèi)壓力下降,波紋管拉伸,帶動傳動桿及閥針下移,實現(xiàn)制冷器流量的自動調(diào)節(jié)。

圖1 自調(diào)機構(gòu)簡圖

顯然,制冷器的啟動過程既是充氣腔的變化過程,可分為三個階段:

第一階段:波紋管自調(diào)前。此時充氣腔內(nèi)充氣壓力較低,氣體可看做理想氣體,符合范德瓦爾方程:

式中,a、b是與氣體種類有關(guān)的范德瓦爾常數(shù)；Vm是摩爾體積；R為摩爾氣體常數(shù)。

第二階段:波紋管自調(diào)中。當制冷器節(jié)流孔出現(xiàn)液態(tài)工質(zhì)時,充氣腔內(nèi)氣體迅速降溫,直至液化,壓力降低,帶動傳動機構(gòu)對節(jié)流孔出氣量進行調(diào)節(jié)。這個階段屬于瞬態(tài)過程,理論上比較復(fù)雜,而實際意義不大,可不予考慮。

第三階段:波紋管自調(diào)后。自調(diào)后流量降低,制冷器處于工作穩(wěn)定狀態(tài),充氣腔內(nèi)氣體處于飽和狀態(tài),氣體參數(shù)符合飽和氣體狀態(tài)方程,氣體的壓力與溫度呈一一對應(yīng)關(guān)系,如表1所示。

表1 N2/Ar飽和溫度、飽和壓力對照表

3 充氣工質(zhì)的確定

3.1 理論分析

制冷器在出液后關(guān)閉節(jié)流孔,探測器組件的降溫時間可達到最快。對于充氣腔來說,最好此時所充氣體處于臨界狀態(tài),出現(xiàn)相變。因此充氣腔內(nèi)一般采用的充氣介質(zhì)為氮氣、氬氣或者某些混合氣體。理論上充氣介質(zhì)選擇氬氣比選擇氮氣更有優(yōu)勢,這是基于以下考慮:

1)氬氣分子比氮氣分子大,更不易泄露；

2)氬氣是比氮氣更惰性的氣體,不會影響系統(tǒng)內(nèi)其他器件的性能；

3)制冷器其他設(shè)計參數(shù)相同時,啟動過程中,充氣腔內(nèi)壓力降低,相同飽和溫度對應(yīng)的飽和壓力,氬氣高于氮氣。比如充氣腔平均溫度為95 K,則制冷器穩(wěn)定后兩種工質(zhì)充氣腔內(nèi)壓差約為3.26 bar,這一差別有利于制冷器的控溫穩(wěn)定性。

3.2 充氣工質(zhì)實驗研究

同批次制冷器,主要設(shè)計參數(shù)為:制冷器預(yù)留量:0.4 mm；波紋管剛度600 g/mm；節(jié)流孔徑0.17 mm；測試條件為40 MPa恒壓氮氣。充氣腔分別充氮氣、氬氣,從降溫時間和控溫穩(wěn)定性兩方面對充氣工質(zhì)進行評價。

3.2.1 降溫時間對比

同批次制冷器充氣腔分別充入10 bar氮氣、氬氣,其測試結(jié)果如表2所示:

表2 不同充氣工質(zhì)降溫時間對比表

由實驗結(jié)果可以看出,制冷器其他設(shè)計參數(shù)相同時,充氬氣的制冷器比充氮氣的制冷器降溫快。在制冷器工作的第一階段,氣體符合理想氣體狀態(tài)方程,充氣壓力相同時,充氣腔內(nèi)不同介質(zhì)對降溫時間影響不大,但是在第二、第三階段,氬氣到達飽和溫度所對應(yīng)的飽和壓力比氮氣低,充氣腔內(nèi)受力平衡先被打破,閥針關(guān)閉早,制冷器背壓迅速降低,降溫方式進入熱傳導(dǎo)狀態(tài),最終降溫時間低于充氮氣的制冷器。

3.2.2 控溫穩(wěn)定性對比

任取兩支分別充氮氣、氬氣的制冷器,測試其控溫穩(wěn)定性,其對比圖如圖2所示。由圖看出,其他條件不變的情況下,充氬氣的制冷器比充氮氣的制冷器控溫穩(wěn)定性更好。這是由于制冷器穩(wěn)定后,充氣腔內(nèi)充氣工質(zhì)為氬氣時的壓力小于充氣工質(zhì)為氮氣時的壓力,相當于充氣工質(zhì)為氬氣的制冷器預(yù)存了一部分預(yù)緊力,可以抵消一部分波紋管的殘余變形及閥針微小受力變化對流量的影響,從而控溫更加穩(wěn)定。

圖2 控溫穩(wěn)定性對比圖

綜合考慮制冷器降溫時間和控溫穩(wěn)定性,建議充氣腔充氣工質(zhì)選用氬氣。

4 充氣壓力確定

通過傳動機構(gòu)受力分析及理論推導(dǎo)可得出波紋管外充氣型自調(diào)式J-T制冷器設(shè)計的基礎(chǔ)性公式。以我所自行研制的某型號制冷器為例,在制冷器結(jié)構(gòu)及波紋管設(shè)計完成后,可通過公式計算出不同預(yù)留量所對應(yīng)的最小充氣壓力及制冷器的最小預(yù)留量；在理論計算的基礎(chǔ)上選擇幾種預(yù)留量做充氣壓力實驗,最終確定制冷器充氣壓力。

4.1 充氣壓力理論分析

4.1.1 最低充氣壓力計算

設(shè)波紋管形變過程中平均剛度為E,波紋管有效截面積為A,裝調(diào)傳動桿至調(diào)節(jié)器外殼預(yù)留長度為L,外界環(huán)境壓力為P0,制冷器啟動后波紋管剛開始運動時充氣腔的壓力為Ps。

波紋管剛開始運動時關(guān)系式如下:

(Ps-P0)·A=E·L

(1)

即:

(2)

當制冷器開始工作后,如果不計氣流的沖擊力和各種傳動結(jié)構(gòu)的運動摩擦力,只有波紋管外充氣腔的氣體壓力≤Ps,波紋管才能帶動傳動桿運動。在此之前,閥針沒有動作,制冷器以開位狀態(tài)工作。故此,我們可以計算出充氣腔的最低充氣壓力Pmin。

設(shè)充氣腔的泄漏率為K,充氣腔排出波紋管后的總?cè)莘e為V,設(shè)計壽命為t,并且設(shè)定系統(tǒng)在-60 ℃下調(diào)節(jié)機構(gòu)仍能正常啟動,則存在如下關(guān)系:

(3)

即:

(4)

式 (4)是波紋管外充氣型自調(diào)式制冷器設(shè)計的基礎(chǔ)性公式。

我所自行研制某型號波紋管型制冷器時,制冷器結(jié)構(gòu)已定,波紋管剛度E:600 g/mm；充氣腔泄漏率K:1×10-10Pa·m3/s；設(shè)計壽命t:10年,根據(jù)公式計算結(jié)果如下表:

表3 預(yù)留量與最低充氣壓力對照表

4.1.2 最小預(yù)留量計算

圖3中,Fp為充氣腔氣體對波紋管的壓力；F0為外界環(huán)境氣體對波紋管的作用力；Fy為傳動桿所受的預(yù)緊力；Fk為波紋管的彈力；F為節(jié)流孔處噴出氣流對閥針的作用力；f為關(guān)閉過程中閥針所受的摩擦力；f0為傳動桿在行進過程中所受的摩擦力。波紋管形變過程中平均剛度為E,制冷器預(yù)留量為L。

圖3 自調(diào)機構(gòu)受力簡圖

假定傳動桿運動不存在加速度,存在如下關(guān)系式:

F0+Fy+Fk=Fp+F+f+f0

(5)

計算時,假定制冷器處于理想工作狀態(tài),則f=0,f0=0；節(jié)流孔處氣流對閥針的作用面積是較為復(fù)雜的圓錐表面,計算相當復(fù)雜,在工程計算時,將其等效為節(jié)流孔的面積。此時氣流對閥針的作用力最大,則F=S孔·(P-P0),S孔為節(jié)流孔面積；F0=P0·S；Fk=E·L；Fp=Pp·S；S為充氣腔有效面積；

則式(5)簡化為：

P0·S+Fy+E·L=Pp·S+S孔(P-P0)

(6)

啟動過程中,隨著充氣腔氣體溫度的降低,充氣腔內(nèi)氣體壓力Fp隨之降低,當Fy=0時,自調(diào)啟動開始。充氣腔壓力繼續(xù)降低,FP變得更小,閥針關(guān)小甚至關(guān)閉節(jié)流孔,自調(diào)停止。計算時取極限情況,即Fy=0,充氣腔內(nèi)氣體處于飽和狀態(tài),式(6)轉(zhuǎn)化為:

(7)

在制冷器整體結(jié)構(gòu)及波紋管設(shè)計完成后可根據(jù)式(7)計算得制冷器最小預(yù)留量Lmin,取S孔=0.22 mm,E=600 g/mm；P=40 MPa,計算得Lmin=0.36 mm。

4.2 充氣壓力實驗

制冷器主要設(shè)計參數(shù):波紋管剛度:600 g/mm；節(jié)流孔徑:0.22 mm；充氣腔充氣工質(zhì):氬氣；測試條件:40 MPa恒壓氮氣；測試組件:自行研制的中波320×256 HgCdTe紅外焦平面探測器組件。根據(jù)理論計算結(jié)果做預(yù)留量分別為0.4 mm、0.5 mm的充氣壓力實驗,測試制冷器自調(diào)時間、降溫時間和控溫精度,最終確定制冷器的預(yù)留量及充氣壓力。實驗結(jié)果如下:

預(yù)留量取0.4 mm:充氣腔充氣壓力從10 bar增加到14 bar時,部分制冷器始終不自調(diào),經(jīng)分析認為,受裝配精度及零件加工誤差影響,制冷器實際預(yù)留量不足0.4 mm,當實際預(yù)留量小于計算值0.36 mm時,波紋管的最大彈力不能抵消啟動過程中充氣腔內(nèi)氣體壓力及高壓氣流對閥針的作用力,制冷器不法自調(diào)。部分制冷器充12 bar、13 bar時可自調(diào),但控溫差,由于HgCdTe組件對制冷器控溫精度要求較高,制冷器實際不可用。由測試結(jié)果可知,工程應(yīng)用中,預(yù)留量接近極限值,產(chǎn)品成品率偏低。

預(yù)留量取0.5 mm:充氣腔充氣壓力從10 bar增加到13 bar,實驗結(jié)果如表4所示。

由實驗結(jié)果可以確定,此型號制冷器預(yù)留量取0.5 mm,充氣壓力13 bar合適。

表4 不同充氣壓力測試結(jié)果

最小預(yù)留量計算值為0.36 mm,與實際值0.5 mm有偏差,主要因為計算過程中并未考慮傳動機構(gòu)預(yù)緊力問題。預(yù)緊力與制冷器控溫精度密切相關(guān),在預(yù)留量設(shè)計時,預(yù)存相當于閥針開度變化的力及波紋管殘余變形力,當波紋管或其他因素引起自調(diào)系統(tǒng)受力發(fā)生變化時,只相當于改變了預(yù)緊力,而閥針開度不變,可提高制冷器控溫穩(wěn)定性。

由表3可知,預(yù)留量0.5 mm時,充氣腔最小充氣壓力計算值為10.4 bar,實際此型號制冷器充氣壓力為13 bar。這主要因為計算時即未考慮預(yù)緊力,也未考慮高壓氣流對閥針的作用力。要求快啟動的制冷器一般采用高壓、大流量設(shè)計,節(jié)流孔較大,高壓氣流對閥針的作用力不可忽略。比如,在充氣工質(zhì)驗證實驗中,節(jié)流孔徑0.17 mm,預(yù)留量取0.4 mm,充10 bar氬氣,制冷器可正常工作且控溫較好；但在充氣壓力驗證實驗中,節(jié)流孔徑0.22 mm,預(yù)留量同樣取0.4 mm,充10 bar氬氣制冷器無法自調(diào)。

5 結(jié) 論

本文采用理論計算與實驗結(jié)果相結(jié)合的方式確定制冷器充氣腔最優(yōu)充氣壓力和最佳充氣工質(zhì)。制冷器充氣腔工質(zhì)采用氬氣,即可有效提高制冷器啟動時間,又可提高制冷器控溫穩(wěn)定性；制冷器波紋管設(shè)計確定后,充氣壓力和制冷器預(yù)留量有關(guān),通過理論計算與實驗相結(jié)合的方式可確定制冷器的充氣壓力與預(yù)留量。

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