紅外用微型節(jié)流制冷器耗氣量實(shí)驗(yàn)研究

李家鵬，陳曉屏，陳　軍，劉迎文，劉　鑫

（1.昆明物理研究所，昆明　650223；2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安　710049）

紅外用微型節(jié)流制冷器耗氣量實(shí)驗(yàn)研究

李家鵬1，陳曉屏1，陳軍1，劉迎文2，劉鑫2

（1.昆明物理研究所，昆明650223；2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049）

微型節(jié)流制冷器具有體積小、重量輕、可靠性高、啟動(dòng)速度快、冷端無(wú)運(yùn)動(dòng)部件等突出優(yōu)勢(shì)在紅外導(dǎo)引頭中廣泛應(yīng)用。不同類型節(jié)流制冷器的耗氣量不一樣，節(jié)流制冷器耗氣量的大小決定了彈上氣瓶的體積、重量、工作時(shí)間等。對(duì)微型制冷器的耗氣量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比分析了4種節(jié)流制冷器在不同條件下的耗氣量，為節(jié)流制冷器在不同場(chǎng)合下為工程應(yīng)用提供了參考。

微型節(jié)流制冷器；耗氣量；紅外探測(cè)器

0　引言

紅外制導(dǎo)技術(shù)是當(dāng)今制導(dǎo)武器系統(tǒng)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一，也是我軍急需的高新技術(shù)。紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈通常要求探測(cè)器在極短的時(shí)間內(nèi)（幾十秒甚至幾秒）完成啟動(dòng)，要求制冷器啟動(dòng)時(shí)間短。微型節(jié)流制冷器利用高壓氣體的節(jié)流降溫效應(yīng)，最快在幾秒的時(shí)間內(nèi)就能將紅外器件冷卻到工作溫度要求，并且整體體積遠(yuǎn)小于常規(guī)低溫制冷機(jī)。自1955年，HoneywellHymatic首次將節(jié)流制冷器應(yīng)用于軍事領(lǐng)域［1-2］，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大部分的紅外制導(dǎo)武器都采用節(jié)流制冷方式［3-5］。節(jié)流制冷屬于開(kāi)式系統(tǒng)，需要消耗制冷工質(zhì)，工質(zhì)多少?zèng)Q定節(jié)流制冷器的工作時(shí)長(zhǎng)，即紅外制導(dǎo)引頭的尋導(dǎo)時(shí)間、飛行距離，因此節(jié)流耗氣量（流量）是制冷器的重要指標(biāo)之一。

制冷器工作過(guò)程可分為啟動(dòng)和穩(wěn)定工作兩個(gè)階段。在啟動(dòng)階段為滿足快速降溫的要求，需要大冷量盡快將探測(cè)器和制冷器本身寄生熱負(fù)荷移除，需要較大制冷量和較高流量；而在穩(wěn)定工作階段，由于探測(cè)器熱負(fù)荷較低，僅需要較小制冷量和較低流量。節(jié)流制冷器的流量主要決定于氣瓶壓力與節(jié)流結(jié)構(gòu)形式。非自調(diào)結(jié)構(gòu)耗氣量（流量）無(wú)法根據(jù)負(fù)載需求而相應(yīng)變化，耗氣量較大；而自調(diào)結(jié)構(gòu)可根據(jù)負(fù)載特性自適應(yīng)調(diào)節(jié)節(jié)流孔尺寸，實(shí)現(xiàn)流量的自適應(yīng)匹配和較低的耗氣量。目前，開(kāi)展非自調(diào)形式的節(jié)流制冷器的降溫特性與流量關(guān)系研究較多，對(duì)于自調(diào)結(jié)構(gòu)以及帶預(yù)冷級(jí)的節(jié)流器研究相對(duì)不足。

擬對(duì)單級(jí)自調(diào)與非自調(diào)式節(jié)流制冷器以及帶預(yù)冷級(jí)的自調(diào)與非自調(diào)式節(jié)流制冷器［6-7］的流量動(dòng)態(tài)變化特性開(kāi)展系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，并比較和分析了各制冷器的流量變化特性，力求在啟動(dòng)時(shí)間和耗氣量之間獲得一個(gè)較優(yōu)配置，為制冷器在工程應(yīng)用提供參考。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由恒壓氣源或固定氣瓶（根據(jù)不同的測(cè)試條件選擇）、壓力表、氣體過(guò)濾器、真空杜瓦制冷器組件、測(cè)溫二極管、恒流源、流量收集工裝、質(zhì)量流量計(jì)、流量與溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，具體如圖1所示。其中真空杜瓦組件采用兵器211所生產(chǎn)的中波320×256焦平面探測(cè)器組件，杜瓦內(nèi)冷指外壁裝有貼片式測(cè)溫二級(jí)管，最大絕對(duì)誤差為0.2 K。流量計(jì)采用七星公司生產(chǎn)的質(zhì)量流量計(jì)，測(cè)量時(shí)可自動(dòng)轉(zhuǎn)化為體積流量顯示，精度為0.25 NL/min?；贚abview開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集板卡最大采樣速度為ms級(jí)，完全滿足節(jié)流制冷器的動(dòng)態(tài)性能及參數(shù)測(cè)試要求。

圖1　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

單級(jí)節(jié)流制冷系統(tǒng)一般由高壓氣瓶、閥門(mén)、熱交換器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器構(gòu)成（圖2a），單級(jí)自調(diào)式和非自調(diào)式節(jié)流制冷器的區(qū)別在于節(jié)流裝置是否可調(diào)。帶有預(yù)冷級(jí)的節(jié)流制冷器，實(shí)際可以當(dāng)作是兩個(gè)獨(dú)立的節(jié)流制冷器，用節(jié)流制冷器10（預(yù)冷級(jí)）來(lái)預(yù)冷節(jié)流制冷器11（制冷級(jí)）（圖2b），以實(shí)現(xiàn)快速制冷的目的，帶預(yù)冷級(jí)的自調(diào)式和非自調(diào)式的區(qū)別在于制冷級(jí)的節(jié)流裝置是否可調(diào)。

圖2　單級(jí)和帶有預(yù)冷級(jí)的節(jié)流制冷器結(jié)構(gòu)示意圖

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了進(jìn)一步探明自調(diào)與非自調(diào)節(jié)流制冷器的流量特性以及預(yù)冷對(duì)制冷性能的影響關(guān)系，分別開(kāi)展了節(jié)流制冷器的流量隨壓力、氣瓶容量大小及調(diào)節(jié)形式與預(yù)冷形式的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究。

2.1恒壓氣源條件下節(jié)流制冷器的流量動(dòng)態(tài)特性

圖3是不同啟動(dòng)壓力下（a）單級(jí)自調(diào)和（b）非自調(diào)節(jié)流制冷器的流量變化圖。當(dāng)高壓側(cè)壓力保持不變的條件下，隨著工作壓力的升高，單級(jí)自調(diào)式節(jié)流制冷器和單級(jí)非自調(diào)式節(jié)流制冷器啟動(dòng)初期的耗氣量都在上升，分析原因:在啟動(dòng)階段，隨著高壓氣體在節(jié)流制冷器內(nèi)節(jié)流膨脹降溫，使流經(jīng)高壓管路的工質(zhì)溫度逐漸降低，盡管高壓側(cè)由于流動(dòng)阻力導(dǎo)致節(jié)流前壓力有所降低，但溫度降低導(dǎo)致密度增加遠(yuǎn)大于壓力影響，因此節(jié)流前高壓工質(zhì)的密度隨著溫度降低而增加，如果忽略高壓管路的壓力降以及節(jié)流孔流量系數(shù)的變化，則通過(guò)節(jié)流孔的質(zhì)量流量將增大，直到制冷器進(jìn)入穩(wěn)定工況運(yùn)行。當(dāng)節(jié)流制冷器達(dá)到負(fù)載工況要求后，非自調(diào)制冷器的氣體流量進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定值；自調(diào)式節(jié)流機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)負(fù)載來(lái)自適應(yīng)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，盡管高壓側(cè)壓力保持不變，由于節(jié)流面積在達(dá)到負(fù)載工況后逐漸減小，導(dǎo)致制冷器流量逐漸降低，直到穩(wěn)定，并且隨著啟動(dòng)壓力的增加，自調(diào)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間也逐步前移，主要是因?yàn)閱?dòng)壓力越大，制冷器啟動(dòng)質(zhì)量流量和制冷能力都大，對(duì)節(jié)流制冷器的無(wú)效熱負(fù)荷進(jìn)行冷卻降溫速度較快。比較三種啟動(dòng)壓力下自調(diào)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)前耗氣總量，由于制冷器的無(wú)效熱負(fù)荷相同，三者比較相近。當(dāng)自調(diào)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)后，由于負(fù)載熱負(fù)荷不變，自調(diào)式節(jié)流制冷器的流量基本保持一致，穩(wěn)定在2～3 NL/min之間。比較自調(diào)和非自調(diào)結(jié)構(gòu)的性能，二者均滿足了快速啟動(dòng)的需求，但在工況穩(wěn)定后，非自調(diào)結(jié)構(gòu)制冷器存在流量較高和冷量的過(guò)度浪費(fèi)問(wèn)題；而自調(diào)結(jié)構(gòu)制冷器則有效的控制了流量，極大地節(jié)省了耗氣量，有助于延長(zhǎng)工作時(shí)間。但在工程設(shè)計(jì)中，降溫啟動(dòng)時(shí)間是另一個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)。顯而易見(jiàn)，非自調(diào)結(jié)構(gòu)制冷器由于耗氣量消耗大，降溫時(shí)間要快于自調(diào)結(jié)構(gòu)。

圖3　不同壓力下單級(jí)節(jié)流制冷器的工質(zhì)流量變化圖

2.2氣瓶氣源下節(jié)流制冷器的流量動(dòng)態(tài)特性

圖4為采用0.2 L氣瓶氣源條件下，（a）單級(jí)自調(diào)和（b）非自調(diào)節(jié)流制冷器的流量變化圖。當(dāng)氣瓶為有限容量時(shí)，隨著氣瓶?jī)?nèi)氣體的不斷消耗，氣瓶的壓力逐漸降低，相當(dāng)于起始高壓壓力在變化，在變壓力下節(jié)流制冷器的啟動(dòng)特性與穩(wěn)定工作特性與恒壓力有較大差異。對(duì)于自調(diào)式節(jié)流制冷器，如圖4 （a）所示，啟動(dòng)的最初階段，氣體流量先開(kāi)始下降，氣瓶初始?jí)毫Σ灰恢?，出現(xiàn)了對(duì)于低于30 MPa氣瓶壓力下，氣體流量逐漸降低，而高于30 MPa則呈現(xiàn)略微增加的現(xiàn)象。

圖4　不同壓力下有限氣瓶單級(jí)節(jié)流制冷器工質(zhì)流量變化圖

分析原因:啟動(dòng)最初階段，隨著氣瓶?jī)?nèi)氣體消耗，氣瓶壓力逐漸降低，對(duì)于不同初始?jí)毫ο拢评淦鞯牧髁砍尸F(xiàn)先下降的趨勢(shì)。但隨著節(jié)流制冷器自身熱負(fù)荷被移除，整體平均溫度逐漸下降，導(dǎo)致節(jié)流孔前高壓側(cè)工質(zhì)密度逐漸增加，這有助于工質(zhì)流量的提升；而氣瓶壓力下降則會(huì)導(dǎo)致節(jié)流前后的壓差減小，可見(jiàn)節(jié)流前的密度與壓力共同決定了流量的變化關(guān)系。當(dāng)起始?jí)毫Ω哂?0 MPa時(shí)，密度變化的影響要略大于壓差的影響，流量呈現(xiàn)略微升高的現(xiàn)象，當(dāng)起始?jí)毫Φ陀?0 MPa時(shí)，由于壓力下降太快，導(dǎo)致壓差變化的影響要大于密度影響，流量持續(xù)下降?？梢灶A(yù)測(cè)，隨著氣瓶容量的增大，該壓力臨界值會(huì)逐漸減小。當(dāng)制冷器負(fù)載接近設(shè)定工況，自調(diào)結(jié)構(gòu)開(kāi)始動(dòng)作，流量呈現(xiàn)快速減小，并最終達(dá)到穩(wěn)定工況，流量均穩(wěn)定在2～3 NL/min之間。但對(duì)于非自調(diào)結(jié)構(gòu)，同樣呈現(xiàn)類似于自調(diào)機(jī)構(gòu)在啟動(dòng)初始階段的現(xiàn)象，只是由于自調(diào)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥針的存在，導(dǎo)致其節(jié)流面積要略小于非自調(diào)節(jié)流面積，非自調(diào)結(jié)構(gòu)的流量在相同初始?jí)毫ο乱笥谧哉{(diào)結(jié)構(gòu)流量，并且先下降后增加的現(xiàn)象不太明顯。另外，由于非自調(diào)機(jī)構(gòu)無(wú)法改變節(jié)流尺寸，當(dāng)負(fù)載達(dá)到要求后，由于節(jié)流前后大壓差的存在，導(dǎo)致工質(zhì)流量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，當(dāng)啟動(dòng)90 s后，四種不同起始?jí)毫ο碌闹评淦髁髁勘容^接近，主要是由于氣瓶經(jīng)過(guò)90 s的氣體消耗，氣瓶?jī)?nèi)的工質(zhì)壓力基本上差別不大。比較氣瓶條件有限容量下的自調(diào)和非自調(diào)結(jié)構(gòu)的制冷器性能，二者均滿足有效降溫的需求，在負(fù)載工況穩(wěn)定后，非自調(diào)結(jié)構(gòu)仍存在流量較高和冷量過(guò)度浪費(fèi)的問(wèn)題；而自調(diào)結(jié)構(gòu)則有效的控制了流量，極大的節(jié)省了耗氣量，有助于延長(zhǎng)工作時(shí)間。對(duì)于有限氣瓶的應(yīng)用設(shè)計(jì)，盡管非自調(diào)結(jié)構(gòu)的降溫時(shí)間快于自調(diào)結(jié)構(gòu)，由于耗氣量過(guò)大導(dǎo)致有效工作時(shí)長(zhǎng)要小于自調(diào)機(jī)構(gòu)。需要合理匹配降溫啟動(dòng)時(shí)間和制冷有效工作時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系。

2.3氣瓶容積對(duì)節(jié)流制冷器流量的影響

在實(shí)際的紅外探測(cè)器冷卻過(guò)程中，制冷工質(zhì)氣源不可能采用恒壓氣源，一般是固定容積有限氣瓶。圖5為啟動(dòng)壓力相同（30 MPa），恒壓氣源和有限容積氣瓶下，單級(jí)自調(diào)式節(jié)流制冷器（圖5a）和單級(jí)非自調(diào)式節(jié)流制冷器（圖5b）的流量動(dòng)態(tài)變化圖。

圖5　不同氣瓶容量下單級(jí)節(jié)流制冷器的工質(zhì)流量變化圖

對(duì)于非自調(diào)結(jié)構(gòu)，由于高壓氣體供應(yīng)量的差異，氣瓶?jī)?nèi)的壓力不像恒壓氣源恒定不變，氣瓶壓力隨著系統(tǒng)運(yùn)行逐漸降低，在工作初期，壓力降低速率相對(duì)較慢，此時(shí)節(jié)流制冷器整體溫度的降低改變了節(jié)流孔前的工質(zhì)密度，導(dǎo)致流量維持近20 s的相對(duì)不變，隨著氣瓶壓力的進(jìn)一步降低，流量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)；而恒壓氣源壓力維持不變，在工作初期流量逐漸增加，待到系統(tǒng)平衡后，流量基本維持不變。對(duì)于自調(diào)式結(jié)構(gòu)，無(wú)論是恒壓氣源或氣瓶，均由于節(jié)流閥針的自調(diào)節(jié)，在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定工況后，節(jié)流孔尺寸減小，使流量最終維持近似不變，由于自調(diào)機(jī)構(gòu)的閥針僅感應(yīng)溫度變化，因此恒壓氣源壓力高于有限容積，其穩(wěn)定后的流量相對(duì)略高于氣瓶。在一定的工作時(shí)間內(nèi)，可以近似認(rèn)為采用氣瓶的節(jié)流制冷器的流量不變。另外，由于恒壓氣源的節(jié)流制冷器，最初啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)，氣體流量大于有限氣瓶，其制冷能力也較高，是自調(diào)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)時(shí)間優(yōu)于有限氣瓶的原因。

2.4預(yù)冷形式對(duì)節(jié)流制冷器流量及性能的影響

圖6為采用0.2 L氣瓶，啟動(dòng)壓力為30 MPa時(shí)，四種節(jié)流制冷器的性能動(dòng)態(tài)變化曲線。由于預(yù)冷級(jí)的引入，為制冷級(jí)降低了熱負(fù)荷，加快了制冷級(jí)自身熱負(fù)荷的消除，其啟動(dòng)降溫時(shí)間也會(huì)明顯快于單制冷級(jí)節(jié)流制冷器。由圖6（a）可知，采用自調(diào)式節(jié)流裝置，其流量均低于非自調(diào)形式，在一定時(shí)間內(nèi)攜帶的制冷量也相對(duì)較小，系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定工況所需時(shí)間也較長(zhǎng)；由于預(yù)冷級(jí)的引入，改變了單級(jí)節(jié)流制冷器的流量特性，因此影響了降溫時(shí)間，為了實(shí)現(xiàn)有效預(yù)冷，勢(shì)必要消耗更多的工作介質(zhì)，提供系統(tǒng)所需的預(yù)冷。采用預(yù)冷級(jí)的節(jié)流制冷器，降溫時(shí)間比未采用預(yù)冷級(jí)的制冷器要快很多。由圖6 （b）可知，采用預(yù)冷措施后，由于預(yù)冷級(jí)采用的是獨(dú)立非自調(diào)的節(jié)流制冷器，系統(tǒng)的總流量要大于單制冷級(jí)節(jié)流制冷器。對(duì)于非自調(diào)結(jié)構(gòu)，帶預(yù)冷級(jí)系統(tǒng)的流量大約是不帶預(yù)冷級(jí)的兩倍。并且由于氣瓶的容積有限，隨著工作時(shí)間延長(zhǎng)，氣瓶?jī)?nèi)的壓力逐漸降低，總流量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。對(duì)于自調(diào)式結(jié)構(gòu)，由于達(dá)到冷負(fù)載的工況要求，自調(diào)機(jī)構(gòu)自適應(yīng)調(diào)節(jié)節(jié)流尺寸，導(dǎo)致流量出現(xiàn)下降趨勢(shì)。由于預(yù)冷級(jí)給系統(tǒng)提供更多的冷量，帶預(yù)冷的自調(diào)結(jié)構(gòu)動(dòng)作響應(yīng)要早于單級(jí)自調(diào)裝置，其總流量下降時(shí)間要早于單制冷級(jí)。但由于預(yù)冷級(jí)為非自調(diào)節(jié)流系統(tǒng)，故總流量較高。

圖6　四種節(jié)流制冷器的溫度與流量變化曲線圖

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)單級(jí)自調(diào)與非自調(diào)式節(jié)流制冷器及帶預(yù)冷級(jí)的自調(diào)與非自調(diào)式節(jié)流制冷器的流量動(dòng)態(tài)變化特性的實(shí)驗(yàn)研究，比較和分析各制冷器的降溫與流量變化特性，發(fā)現(xiàn)制冷器的啟動(dòng)時(shí)間從快到慢依次為帶預(yù)冷級(jí)的非自調(diào)式、帶預(yù)冷級(jí)的自調(diào)式、單級(jí)非自調(diào)式、單級(jí)自調(diào)式，同時(shí)系統(tǒng)所需的耗氣量也依次減小。在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)工作時(shí)長(zhǎng)，合理平衡啟動(dòng)時(shí)間、耗氣量與氣瓶容積之間的關(guān)系，進(jìn)一步優(yōu)化節(jié)流制冷器的部件匹配和調(diào)控。

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EXPERIMENTAL RESEARCH ON GASCONSUMPTION OFA JOULE-THOMSON COOLER FOR IR-DETECTORS

LIJia-peng1，CHEN Xiao-ping1，CHEN Jun1，LIU Ying-wen2，LIU Xin2
（1.Kunm ing Institute of Physics，Kunm ing，Yunnan650223；2.MOE Key Laboratory of Thermal-Fluid Science and Engineering，Schoolof Energy&Power Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an710049）

With the advantages of small size，lightweight，high reliability，quick startand the cold end w ithoutmoving part，m iniature JT cryocooler isw ildly applied in infrared seeker.Gas consumption is different for different types of JT cooler.The volume，weight，working time of an infrared seeker bottle is determined by a JT cryocooler'sgas consumption.We have done some experimental research on Gas consumption about four kinds of Joule-Thomson Cooler in differentcondition.Some advicesare supplied for differentengineering applicationsby the research.

miniature J-T cryocooler；gas consumption；IR-detectors

TB65

A

1006-7086（2016）03-0148-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.03.005

2016-02-24

李家鵬（1980-），男，云南大理人，博士研究生，主要從事微型低溫制冷研究。E-mail:27285385@qq.com。