郭祥祥,王海先

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

快速啟動(dòng)制冷器是快速啟動(dòng)探測(cè)器的重要組成部分,負(fù)責(zé)為探測(cè)器提供低溫環(huán)境。快速啟動(dòng)制冷器的啟動(dòng)時(shí)間,決定了探測(cè)器的響應(yīng)速度,是紅外探測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)[1-2]。優(yōu)化快速啟動(dòng)制冷器設(shè)計(jì),縮短啟動(dòng)時(shí)間,成為了快速啟動(dòng)探測(cè)器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

目前,已有不同學(xué)者從多個(gè)角度對(duì)優(yōu)化快速啟動(dòng)制冷器設(shè)計(jì)、縮短其啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行了相關(guān)研究。李秀強(qiáng)[2]等測(cè)試了一種兩級(jí)制冷的快速啟動(dòng)制冷器的啟動(dòng)時(shí)間,在35 MPa的氮?dú)夤艿罋庀?啟動(dòng)時(shí)間為2.4 s。王偉濤[3]指出在制冷器毛細(xì)管和外殼配合間隙盡可能多地纏繞棉線,可以控制氣體體積膨脹、隔絕熱環(huán)境,從而縮短啟動(dòng)時(shí)間,另外調(diào)節(jié)節(jié)流孔大小、增加導(dǎo)熱管圈數(shù)也有助于改善制冷器制冷能力。仰葉[4]等對(duì)錐形快速啟動(dòng)制冷器的換熱器肋片形狀、高度、厚度和節(jié)距進(jìn)行了優(yōu)化,同時(shí)控制節(jié)流孔的大小、形狀和表面質(zhì)量并對(duì)氣體工質(zhì)進(jìn)行純化來(lái)提升制冷性能,在35 MPa氬氣的條件下,探測(cè)器組件降溫至90 K所用時(shí)間為6 s。徐海峰[5]等選用了一種雙層錐形快速啟動(dòng)制冷器進(jìn)行了測(cè)試,在45 MPa氬氣的100 mL鋼瓶的測(cè)試條件下,探測(cè)器芯片溫度降至100 K所需時(shí)間為7.21 s。

關(guān)于節(jié)流孔至杜瓦冷頭距離對(duì)快速啟動(dòng)探測(cè)器啟動(dòng)時(shí)間的影響較少有學(xué)者進(jìn)行研究。本文對(duì)不同節(jié)流孔至杜瓦冷頭距離下的探測(cè)器啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行了研究,對(duì)優(yōu)化快速啟動(dòng)制冷器設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)建議。

2 快速啟動(dòng)制冷器設(shè)計(jì)

快速啟動(dòng)制冷器的啟動(dòng)時(shí)間和降溫過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力有關(guān),這種驅(qū)動(dòng)力使高壓氣體節(jié)流降溫,并推動(dòng)高壓和低壓工質(zhì)進(jìn)行熱量交換,最終使制冷器冷卻到溫。該驅(qū)動(dòng)力可以用等焓積分節(jié)流效應(yīng)描述。假設(shè)工質(zhì)由狀態(tài)1等焓節(jié)流至狀態(tài)2,則該過(guò)程的溫度變化總量為ΔTh,即:

(1)

式中,P1、P2為節(jié)流前后工質(zhì)的壓力;αh為微分節(jié)流效應(yīng)。該式表明等焓積分節(jié)流效應(yīng)和工質(zhì)節(jié)流前后的壓力有關(guān)。一般地說(shuō),節(jié)流前壓力越高,等焓積分節(jié)流效應(yīng)越明顯。另外,等焓積分節(jié)流效應(yīng)和等溫節(jié)流效應(yīng)也有一定的關(guān)系,即:

(2)

式中,ΔhT為等溫節(jié)流效應(yīng);cp0為低壓下氣體的定壓比熱。式(2)表明,等溫節(jié)流效應(yīng)越大,等焓積分節(jié)流效應(yīng)也就越大。對(duì)于純工質(zhì),等溫節(jié)流效應(yīng)和工質(zhì)的沸點(diǎn)溫度可用范德瓦爾斯方程描述,即:

(3)

式中,Tb為工質(zhì)沸點(diǎn)溫度,工質(zhì)沸點(diǎn)溫度越高,等焓節(jié)流效應(yīng)越明顯,降溫更快[1]。綜合考慮氣源壓力和制冷工質(zhì)成分對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的影響,本文選用了氬氣和氮?dú)鈨煞N工質(zhì),在15～35 MPa的工作壓力范圍內(nèi)對(duì)啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行研究。

目前較為常見(jiàn)的制冷器芯柱結(jié)構(gòu)有兩種:圓柱形和錐形。快速啟動(dòng)紅外探測(cè)器系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)集成度有著較高的要求。在熱交換器換熱面積一定的條件下,錐形芯柱結(jié)構(gòu)要比圓柱形芯柱結(jié)構(gòu)軸向更短,從而更有利于系統(tǒng)集成。本文的制冷器芯柱采用錐形結(jié)構(gòu)。

熱交換器是快速啟動(dòng)制冷器的核心組成部分,其換熱效率及管內(nèi)工質(zhì)流量對(duì)啟動(dòng)時(shí)間具有決定作用。雙層熱交換器比單層熱交換器具有更大的換熱面積,管內(nèi)工質(zhì)可被預(yù)冷的更加充分。三層熱交換器雖然換熱面積大于雙層熱交換器,但其管內(nèi)流通面積小于雙層熱交換器,瞬時(shí)流量更小[6]。綜合來(lái)看,雙層熱交換器結(jié)構(gòu)更有助于降低啟動(dòng)時(shí)間,本文制冷器選用雙層熱交換器結(jié)構(gòu)。

制冷器熱交換器噴液段固定在一不銹鋼支柱上,通過(guò)調(diào)整支柱的長(zhǎng)短,可改變節(jié)流孔至杜瓦冷頭的距離。如圖1所示,本文選擇了兩種不同長(zhǎng)度的支柱,制冷器與探測(cè)器互配后,節(jié)流孔至杜瓦冷頭的距離分別為7.86 mm和1.36 mm。

制冷器節(jié)流孔通過(guò)激光打孔的工藝制成,節(jié)流孔直徑均為0.06 mm,在20 MPa氬氣恒壓條件下測(cè)試制冷器空載流量如表1所示,均在24 g/min左右。Martin H[7]給出了節(jié)流孔直徑為D,以滯止點(diǎn)為圓心、半徑為r的圓內(nèi),節(jié)流孔至被沖擊表面距離為H的對(duì)流換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,即:

(4)

該關(guān)聯(lián)式中,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為2≤H/D≤7.5。對(duì)于快速啟動(dòng)制冷器,考慮到增大節(jié)流效應(yīng)并提高氣瓶維持時(shí)間,節(jié)流孔往往不大,對(duì)于本文的研究對(duì)象,H/D在22.7～131之間,超出了已有經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式應(yīng)用范圍。因此,本文主要采用試驗(yàn)方法研究節(jié)流孔至杜瓦冷頭的距離對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的影響。

表1 20 MPa恒壓氬氣條件下制冷器流量Tab.1 Mass flow rate of cryocooler using argon under 20 MPa constant pressure

圖1 制冷器支柱高度設(shè)計(jì)Fig.1 Prop height design of cryocooler

3 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)所用的探測(cè)器杜瓦組件搭載了銻化銦芯片,測(cè)試氣源為恒壓氬氣、氮?dú)?測(cè)試壓力在15～35 MPa之間。測(cè)試氣源為氬氣時(shí),啟動(dòng)時(shí)間為芯片溫度由室溫降至87 K所需的時(shí)間；氣源為氮?dú)鈺r(shí),啟動(dòng)時(shí)間為芯片溫度由室溫降至77 K所需的時(shí)間。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。

測(cè)試結(jié)果顯示,節(jié)流孔至杜瓦冷頭距離更近的S2制冷器在整個(gè)壓力測(cè)試范圍內(nèi),啟動(dòng)時(shí)間均快于S1制冷器。使用氬氣工質(zhì)時(shí),20 MPa是一個(gè)拐點(diǎn)壓力。壓力在20 MPa以下時(shí),提升測(cè)試壓力,啟動(dòng)時(shí)間將快速縮短。但壓力在20 MPa以上時(shí),通過(guò)提高壓力來(lái)縮短啟動(dòng)時(shí)間的效益將明顯減少。同時(shí),20 MPa也是兩種制冷器啟動(dòng)時(shí)間差的拐點(diǎn)壓力。在20 MPa以下時(shí),通過(guò)縮短節(jié)流孔至杜瓦冷頭的距離,能明顯地縮短啟動(dòng)時(shí)間,且壓力越低,這種效果越明顯。但壓力在20 MPa以上時(shí),隨著壓力升高,兩種制冷器的啟動(dòng)時(shí)間差幾乎沒(méi)有明顯差別,在2 s左右。

當(dāng)制冷工質(zhì)為氮?dú)鈺r(shí),30 MPa是拐點(diǎn)壓力。在30 MPa以下時(shí),因節(jié)流孔至杜瓦冷頭距離不同導(dǎo)致的啟動(dòng)時(shí)間差可達(dá)數(shù)十秒,甚至影響到制冷器啟動(dòng)。當(dāng)壓力在15 MPa時(shí),節(jié)流孔至杜瓦冷頭距離較遠(yuǎn)的S1制冷器無(wú)法啟動(dòng),而S2制冷器可以在75.22 s啟動(dòng)。當(dāng)壓力高于30 MPa時(shí),因節(jié)流孔至杜瓦冷頭距離不同導(dǎo)致的啟動(dòng)時(shí)間差穩(wěn)定在10 s左右。

圖2 制冷器使用氬氣氣源時(shí)的啟動(dòng)時(shí)間Fig.2 Start-up time of cryocooler with argon supply

圖3 制冷器使用氮?dú)鈿庠磿r(shí)的啟動(dòng)時(shí)間Fig.3 Start-up time of cryocooler with nitrogen supply

比較相同制冷器在氮?dú)夂蜌鍤鈨煞N氣源條件下的啟動(dòng)時(shí)間可以發(fā)現(xiàn),工質(zhì)組分對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的影響更為顯著。節(jié)流孔距離杜瓦冷頭距離更近的S2制冷器,氮?dú)鈫?dòng)時(shí)間幾乎是氬氣的3倍,而對(duì)于S1制冷器,這種差異更加明顯,在壓力為17.5 MPa時(shí),氮?dú)鈫?dòng)時(shí)間是氬氣的6.7倍。因此,快速啟動(dòng)制冷器設(shè)計(jì)時(shí),還應(yīng)注意制冷工質(zhì)的選用,在滿足探測(cè)器所需的制冷溫度的前提下,選擇沸點(diǎn)較高的制冷工質(zhì),制冷器啟動(dòng)越快。

4 結(jié) 論

隨著紅外探測(cè)器芯片集成度的提高,系統(tǒng)對(duì)制冷器的體積和啟動(dòng)時(shí)間提出了更為苛刻的要求。能夠在較短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)的節(jié)流制冷器更容易受到紅外探測(cè)器探測(cè)系統(tǒng)的歡迎。在對(duì)快速啟動(dòng)制冷器設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)適當(dāng)?shù)乜s短節(jié)流孔至杜瓦冷頭的距離以縮短探測(cè)器啟動(dòng)時(shí)間。尤其是在氬氣氣源供氣壓力低于20 MPa、氮?dú)鈿庠磯毫Φ陀?0 MPa時(shí),較短的節(jié)流孔至杜瓦冷頭的距離對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的改善更為明顯。