影響自調(diào)式J－T制冷器啟動時間的因素

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，快啟動式即為直噴型制冷器，多用于單元紅外探測器組件，通常要求制冷系統(tǒng)的啟動時間為3～5 s。對于以InSb和HgCdTe為基礎(chǔ)的第二代紅外焦平面探測器組件，直噴型的快啟動制冷器與自調(diào)式制冷器相比，不僅達不到更低的溫度，而且達到同等溫度所耗費的時間更長。因此，第二代焦平面探測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自動調(diào)節(jié)流量。

目前，國內(nèi)波紋管型自調(diào)式J－T制冷器技術(shù)基本成熟，可以進行小批量生產(chǎn)。以中波320×256 HgCdTe紅外焦平面探測器組件為例，80 K時，制冷器常溫啟動時間可以保證在40 s以內(nèi)。隨著國內(nèi)武器裝備水平的快速發(fā)展，整機用戶對紅外探測器組件的指標要求越來越高。其中，對制冷器啟動時間的要求達到:常溫啟動時間＜25 s(80 K)，高溫啟動時間＜30 s(80 K)。因此，對自調(diào)式J－T制冷器啟動時間的研究已迫在眉睫。

2 波紋管型自調(diào)式制冷器工作過程

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

第一階段:波紋管自調(diào)前。此階段屬于強制對流換熱，高壓氣體經(jīng)過熱交換管在節(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，將熱交換管中的高壓氣體冷卻，如此循環(huán)降溫對熱負載進行冷卻。

第二階段:波紋管自調(diào)中。當噴口出現(xiàn)液態(tài)工質(zhì)時，充氣腔內(nèi)氣體迅速降溫，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，制冷器工作處于穩(wěn)定狀態(tài)，冷指內(nèi)積蓄液態(tài)工質(zhì)，對芯片的降溫屬于熱傳導(dǎo)方式。

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

圖1 波紋管型自調(diào)式J－T制冷器

3 啟動時間影響因素分析

當芯片與杜瓦條件確定后，單獨對制冷器進行改進是工作的重點。本文僅對熱交換管長度、壓強、流量三個因素進行實驗研究，通過分析實驗現(xiàn)象加深對制冷過程的了解。

測試用組件為中波320×256 HgCdTe紅外焦平面正式組件，測試過程中記錄測溫二極管電壓值，80 K對應(yīng)的測溫二極管電壓值為1．053 V，測溫二極管安裝位置如圖2所示。實驗工質(zhì)采用氮氣，工作環(huán)境為常溫20℃，進行對比實驗的組件相同。

圖2 測溫二極管位置示意圖

3．1 熱交換管長度對啟動時間的影響

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

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

圖3 熱交換管長度對啟動時間影響曲線

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，這說明增加熱交換管長度，有利于加強氣體的強制對流換熱。但在制冷器工作的第三階段，800 mm長熱交換管的制冷器降溫速度逐漸減慢，與400 mm長熱交換管的制冷器降溫時間逐漸接近。經(jīng)過分析認為: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，這個過程的流動阻力不僅不能忽略，而且嚴重影響制冷器節(jié)流后的背壓［2］。400 mm長熱交換管的回流阻力小于800 mm長熱交換管，相應(yīng)的背壓降至大氣壓的速度較快，到達77 K的速度加快，因此出現(xiàn)了第三階段的情況。

考核制冷器啟動時間的指標是80 K，因此總體看來，在40 MPa條件下，兩支制冷器的啟動時間相差不大。這個實驗說明熱交換管的翅片排列和繞制工藝不僅影響制冷器啟動過程中的換熱，也影響氣體的回流，且回流阻力對制冷效果的影響更明顯。

3．2 氣源壓力對啟動時間的影響

圖4 20 MPa、30 MPa、40 MPa不同壓力對啟動時間影響曲線

對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時間，測試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:啟動時間隨著壓力的增加而降低。當節(jié)流孔大小一定時，氣體壓力增加，流速增加，單位時間流過制冷器的流量增加，制冷器的制冷量必然增大，因此可以降低啟動時間。

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曲線與40 MPa曲線基本重合，在制冷器工作的第三階段，使用50 MPa氣壓，制冷器無法降至77 K。

圖5 高壓對啟動時間影響曲線

經(jīng)過分析認為: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，隨著壓強的增加，單位時間內(nèi)流過節(jié)流孔的工質(zhì)流量增加，壓強增大到一定值，再增大壓強，會造成杜瓦冷指內(nèi)背壓增大，影響降溫過程的“驅(qū)動力”，這種驅(qū)動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，出現(xiàn)在第三階段的現(xiàn)象主要因為:制冷器自調(diào)機構(gòu)受力改變［3］，無法帶動閥針自調(diào)到位，制冷器出氣量大，冷指內(nèi)背壓增大，氮氣液化溫度升高，無法降至常壓下的液化溫度77 K。

氣源壓力實驗說明當制冷器設(shè)計和制作工藝固定后，氣源壓力存在一個最佳值。在最佳壓力之前提高供氣壓力，可以減少啟動時間，供氣壓力高于最佳壓力時，不但對啟動時間沒有貢獻，制冷器還無法降至最低溫。制冷器設(shè)計與工藝改變后應(yīng)該找出制冷器的最佳使用壓力，超過該壓力，自調(diào)機構(gòu)受力增大，容易損壞。

3．3 流量對啟動時間的影響

從宏觀上看，自調(diào)式J－T制冷器啟動過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。相同進氣壓力條件下，制冷器設(shè)計和制作工藝固定后，有一個固定的最大流量值，改變制冷器設(shè)計結(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時間對比曲線。

圖6 流量對啟動時間影響曲線

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的制冷器的啟動時間明顯快于最大流量值為35 L/min的制冷器，時間差大約為10 s。經(jīng)過分析認為:制冷器進氣流速相同，增大進氣流量，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間。由于進氣流量的增加，制冷器設(shè)計中重點考慮了自調(diào)機構(gòu)的設(shè)計，以增加制冷器的可靠性。進氣流量增加，回流氣流流量也相應(yīng)增加，在設(shè)計上減少了回流阻力，使節(jié)流工質(zhì)充分膨脹。

4 結(jié)論

啟動時間是考核焦平面紅外探測器性能的重要指標，本文從實驗方面研究了熱交換管長度、氣源壓力、流量對啟動時間的影響。從實驗結(jié)果可知:①從探測器組件降溫至80 K這個時間點看，40 MPa時，400 mm長熱交換管和800 mm長熱交換管對啟動時間的貢獻差別不大;②制冷器結(jié)構(gòu)設(shè)計和制作工藝確定以后，存在一個最佳啟動壓力，在最佳壓力之前提高供氣壓力，可以減少啟動時間，供氣壓力高于最佳壓力時，不但對啟動時間沒有貢獻，制冷器還無法降至最低溫;③在制冷器工作的第一階段，增大進氣流量可以明顯提高啟動時間。

通過對實驗結(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，回流阻力嚴重影響制冷效果;當氣流對閥針的作用力增大，自調(diào)機構(gòu)無法自調(diào)到位時，制冷器將無法降至最低溫。實驗結(jié)果及分析對研制快啟動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［M］．北京:機械工業(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)計研究［J］．紅外技術(shù)，2006，28(11):651 －654．