開式節(jié)流制冷技術(shù)在局部環(huán)境溫度控制中的應(yīng)用研究

唐小偉

（蘭州物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備的集成度越來越高，功能越來越復(fù)雜，隨之帶來的熱量耗散問題也就越來越嚴(yán)重。對于飛行器設(shè)備艙內(nèi)慣導(dǎo)裝置等對環(huán)境溫度極為敏感的精密機(jī)電一體化關(guān)鍵設(shè)備，環(huán)境溫度將直接影響其工作精度。慣導(dǎo)內(nèi)的陀螺在工作過程中，陀螺漂移的穩(wěn)定性與溫度之間存在很大關(guān)聯(lián)，慣性器件溫度的敏感性和平臺內(nèi)溫度場都將對導(dǎo)航系統(tǒng)精度產(chǎn)生影響。平臺溫度場不均勻?qū)⒂绊懫脚_支架的幾何尺寸，從而影響慣性系統(tǒng)的工作精度。陀螺儀中撓性支撐桿的彈性模量隨著溫度的變化將會引起陀螺漂移變化。總而言之，溫度的上升或者溫度的大幅度波動都會引起陀螺漂移和平臺系統(tǒng)工作精度的變化[1]。為了減少溫度上升對慣性系統(tǒng)工作精度的影響，提高飛行器的命中精度，必須在飛行器封閉的設(shè)備艙內(nèi)進(jìn)行有效的環(huán)境溫度控制，以避免在飛行過程中不斷聚集的熱量引起環(huán)境溫度的過度升高。

2 開式節(jié)流制冷裝置的結(jié)構(gòu)及原理

開式節(jié)流制冷裝置是應(yīng)用于某飛行器前設(shè)備艙內(nèi)的環(huán)境溫度控制，它能夠?yàn)閼T導(dǎo)等關(guān)鍵設(shè)備提供適宜的工作環(huán)境溫度。在飛行器發(fā)射前，部分電子設(shè)備已陸續(xù)開始工作。在飛行器發(fā)射時，前設(shè)備艙內(nèi)已經(jīng)聚集了一定的熱量。飛行器發(fā)射后，隨著飛行時間的增加，前設(shè)備艙內(nèi)的環(huán)境溫度會越來越高。如果在烈日等炎熱環(huán)境下貯存并準(zhǔn)備發(fā)射的飛行器，受環(huán)境溫度的影響，飛行器在發(fā)射時，前設(shè)備艙內(nèi)環(huán)境溫度已能達(dá)到相當(dāng)高的程度，因此有必要為飛行器前設(shè)備艙內(nèi)慣導(dǎo)等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行環(huán)境溫度控制。

當(dāng)飛行器前設(shè)備艙內(nèi)環(huán)境溫度升高到一定程度后，開式節(jié)流制冷裝置自動開啟工作，將慣導(dǎo)周圍的工作環(huán)境冷卻，待溫度降低后開式節(jié)流制冷裝置停止制冷工作，完成一個降溫循環(huán)。隨后由于各種設(shè)備的繼續(xù)工作，熱量又不斷得以累積，慣導(dǎo)周圍的環(huán)境溫度又重新逐步升高，開式節(jié)流制冷裝置便開始下一個制冷循環(huán)。通過開式節(jié)流制冷裝置不斷的反復(fù)開關(guān)工作，使慣導(dǎo)在飛行器飛行全程中始終處于適宜的環(huán)境溫度之內(nèi)。

開式節(jié)流制冷裝置利用了開式節(jié)流制冷效應(yīng)進(jìn)行工作。存儲于制冷劑貯瓶內(nèi)的高壓液態(tài)制冷劑通過節(jié)流組件時，高壓液態(tài)制冷劑的流速與壓力顯著下降，液態(tài)制冷劑極易產(chǎn)生體積膨脹，隨后通過蒸發(fā)組件變?yōu)闅鈶B(tài)，完成相變過程，由此產(chǎn)生制冷效應(yīng)。其工作原理如圖1所示，對于開式節(jié)流制冷系統(tǒng)，制冷劑從狀態(tài)1開始節(jié)流降壓至狀態(tài)2，隨后等溫等壓汽化至狀態(tài)3，并完全轉(zhuǎn)化為氣態(tài)工質(zhì)，3－4為等壓升溫過程，因此開式節(jié)流制冷效應(yīng)中冷量包括2－3過程中的液體汽化潛熱和3－4過程中氣態(tài)工質(zhì)等壓升溫吸熱兩部分[2]。同其他制冷方式相比，開式節(jié)流制冷的特點(diǎn)是沒有任何運(yùn)動部件（無壓縮機(jī)），因此結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，對于短時間內(nèi)的制冷，開式節(jié)流制冷效應(yīng)是最佳方案。

圖1 制冷過程壓焓圖

用于飛行器前設(shè)備艙慣導(dǎo)環(huán)境溫度控制的開式節(jié)流制冷裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，高壓制冷劑長期貯存于貯瓶1中，工藝閥2用于制冷劑的加注，電磁閥3控制制冷劑流動，溫控儀5用于電磁閥控制，溫度傳感器用于監(jiān)測艙內(nèi)慣導(dǎo)周圍環(huán)境溫度并給溫控儀提供溫度信號。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到溫度設(shè)定上限時，溫控儀控制電磁閥開啟工作，高壓制冷劑由節(jié)流組件4節(jié)流膨脹后通過蒸發(fā)器6膨脹產(chǎn)生制冷效應(yīng)而使周圍環(huán)境溫度降低。當(dāng)艙內(nèi)慣導(dǎo)周圍環(huán)境溫度低于溫度設(shè)定下限時，溫控儀關(guān)閉電磁閥，制冷劑停止流動，制冷效應(yīng)消失。由于慣導(dǎo)及其他負(fù)載的繼續(xù)工作，周圍環(huán)境溫度很快隨之上升，當(dāng)慣導(dǎo)周圍環(huán)境溫度再次升高到開啟溫度點(diǎn)時該裝置開始工作，如此循環(huán)，滿足慣導(dǎo)的溫控指標(biāo)要求。

圖2 開式節(jié)流制冷裝置方案及工作原理

3 開式節(jié)流制冷裝置性能分析

對于慣導(dǎo)等對環(huán)境溫度極為敏感的關(guān)鍵設(shè)備，其工作環(huán)境溫度必須穩(wěn)定，首先是溫度上限不能過高，其次是溫度波動度不能太大。由于開式節(jié)流制冷方式制冷功率大，因此必須結(jié)合蒸發(fā)器與慣導(dǎo)的相對安裝位置確定合理的溫度上下限（即降溫區(qū)間），這樣既要保證慣導(dǎo)周圍環(huán)境溫度不能過高，又要保證慣導(dǎo)周圍環(huán)境溫度不能過低（溫度波動度不能過大），合理的降溫區(qū)間直接影響制冷劑的消耗量與制冷效果。

熱性能試驗(yàn)是檢測與驗(yàn)證開式節(jié)流制冷裝置性能的主要環(huán)節(jié)，通過環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)密閉的模擬設(shè)備艙（內(nèi)裝有各種模擬熱負(fù)載）模擬實(shí)際工況下的熱性能試驗(yàn)。模擬設(shè)備艙應(yīng)盡可能真實(shí)的模擬實(shí)際工作中設(shè)備艙內(nèi)的復(fù)雜熱環(huán)境，它由各種模擬熱負(fù)載、熱沉、對流發(fā)生器、溫度監(jiān)測裝置等部分組成[3]。將開式節(jié)流制冷裝置放進(jìn)模擬設(shè)備艙內(nèi)，按時間先后順序開啟各種模擬熱負(fù)載進(jìn)行熱性能試驗(yàn)。整個試驗(yàn)過程分為3個階段：

1）升溫階段：調(diào)節(jié)環(huán)境試驗(yàn)箱溫度，并按照飛行器實(shí)際加電順序先后開啟各種模擬熱負(fù)載。

2）保溫階段：由于熱容的存在，需要一定的保溫時間將試驗(yàn)中各個設(shè)備熱透。

3）性能試驗(yàn)階段：開式節(jié)流制冷裝置加電工作，模擬實(shí)際熱工況進(jìn)行降溫性能試驗(yàn)。

當(dāng)性能試驗(yàn)階段開始后，在各種模擬熱負(fù)載的作用下，模擬設(shè)備艙內(nèi)環(huán)境溫度迅速上升。當(dāng)溫度升高到溫控儀設(shè)定的溫度上限后，開式節(jié)流制冷裝置開始工作。由于電磁閥開啟時溫控儀需要提供較大的電流，因此從溫控儀的工作電流可以清晰反映出所對應(yīng)的每一次制冷循環(huán)（如圖3所示）。

圖3 溫控儀工作電流-時間圖

開式節(jié)流制冷裝置開啟工作后，各個監(jiān)測點(diǎn)溫度發(fā)生明顯變化，艙內(nèi)各點(diǎn)基本都能反映出由于降溫所帶來的溫度變化，因此，開式節(jié)流制冷裝置制冷效果非常明顯。一般來講，與蒸發(fā)器距離越近，溫度變化越明顯，溫度變化區(qū)間越大，為了保證慣導(dǎo)周圍環(huán)境溫度基本穩(wěn)定在一個合理的區(qū)間內(nèi)，需要結(jié)合蒸發(fā)器與慣導(dǎo)安裝的相對位置確定合理的溫度上下限。

圖4 慣導(dǎo)附近溫度監(jiān)測點(diǎn)-時間圖

圖4為慣導(dǎo)附近溫度監(jiān)測點(diǎn)的溫度變化曲線，該曲線可以反映出開式節(jié)流制冷裝置能夠有效的避免慣導(dǎo)環(huán)境溫度的持續(xù)升高。圖5為蒸發(fā)器附近的溫度變化曲線，雖然蒸發(fā)器附近的降溫幅度較大，但是由于艙內(nèi)熱環(huán)境的復(fù)雜性及相對安裝位置的影響，其作用于慣導(dǎo)周圍環(huán)境的能力還是有限的（防止慣導(dǎo)周圍溫度波動度過大），這同時又決定了溫控儀控溫上下限的設(shè)定范圍，這樣才能夠保證慣導(dǎo)周圍的環(huán)境溫度在一個比較小的范圍內(nèi)變化，不會產(chǎn)生較大的溫度波動。圖6為前設(shè)備艙內(nèi)距慣導(dǎo)較遠(yuǎn)處無對流區(qū)域環(huán)境溫度變化曲線，雖然距慣導(dǎo)較遠(yuǎn)處溫度有整體逐步上升的趨勢，但它仍然能夠反映出每一個降溫循環(huán)所帶來的影響。整體來說，開式節(jié)流制冷裝置能夠有效的保證慣導(dǎo)周圍環(huán)境溫度不再持續(xù)升高，并將其控制在一個比較小的溫度變化范圍之內(nèi)。由于開式節(jié)流制冷裝置利用了工質(zhì)的開式節(jié)流相變制冷原理，不存在壓縮機(jī)，因此在制冷過程中不帶來任何熱效應(yīng)，它能夠有效的將艙內(nèi)慣導(dǎo)及其他設(shè)備的環(huán)境溫度控制在一定范圍之內(nèi)。

圖5 蒸發(fā)器附近溫度監(jiān)測點(diǎn)-時間圖

圖6 距慣導(dǎo)較遠(yuǎn)處無對流區(qū)域溫度監(jiān)測點(diǎn)-時間圖

4 結(jié)論

開式節(jié)流制冷裝置將開式節(jié)流制冷效應(yīng)成功的運(yùn)用于飛行器前設(shè)備艙內(nèi)慣導(dǎo)等關(guān)鍵設(shè)備的環(huán)境溫度控制，在質(zhì)量大小及電源功率要求嚴(yán)格的情況下，能夠有效的解決關(guān)鍵設(shè)備短期內(nèi)的溫度控制問題。

[1]孫謙，謝玲.精密溫控對慣性導(dǎo)航平臺系統(tǒng)性能的影響[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2002，22：379～382.

[2]閆春杰，潘雁頻，霍英杰，等.R22液體蒸發(fā)冷卻裝置研制[J].真空與低溫，2007，13：193～195.

[3]陳正剛，潘雁頻，閆春杰，等.某飛行器開式節(jié)流制冷裝置試驗(yàn)分析[J].真空與低溫，2007，13：281～283.