預冷波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器啟動時間的實驗研究

李家鵬，夏麗昆，趙江來，陳曉燕，趙 森，周 建，劉 春，劉 昆

（1.昆明物理研究所，昆明 650223；2.重慶軍代局駐昆明地區(qū)軍代室，昆明 650223）

0 引言

紅外制導技術(shù)是當今制導武器系統(tǒng)的重點發(fā)展方向之一，也是我軍急需的高新技術(shù)。紅外制導導彈通常要求探測器在極短的時間內(nèi)（幾十秒甚至幾秒）完成啟動，要求制冷器啟動時間短。節(jié)流制冷器利用高壓氣體的節(jié)流降溫效應，最快在幾秒的時間內(nèi)就能將探測器冷卻到工作溫度，讓探測器快速響應，使紅外導彈快速進入工作狀態(tài)，因此目前國內(nèi)外大部分的紅外制導武器都采用節(jié)流制冷方式[1]。

紅外導引頭要求節(jié)流制冷器具有快速降溫、工作耗氣量盡可能小的特點。目前，節(jié)流制冷器通過大耗氣量實現(xiàn)大制冷量，以實現(xiàn)快速降溫或者采用自調(diào)機構(gòu)，在制冷器啟動完成后實現(xiàn)低的平均工作耗氣量都相對容易。但如何同時滿足快速降溫和低工作耗氣量的雙重要求是現(xiàn)階段微型開式節(jié)流制冷器的難點之一。文章結(jié)合實際需要，設計了一種預冷級波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器，通過實驗對比，該節(jié)流制冷器的啟動時間比單級自調(diào)式節(jié)流制冷器快，耗氣量比預冷級非自調(diào)式節(jié)流制冷器小。該節(jié)流制冷器在常溫下的啟動時間為12 s@90 K、15 s@80 K，同時耗氣量也得到了優(yōu)化，為未來快速制冷和長時間工作的節(jié)流制冷方式提供了一個途徑。

1 設計思路

紅外探測器被冷卻部分的熱負荷可以分拆成兩部分：熱容量熱負荷（啟動階段）和熱損失熱負荷（工作階段）。在制冷啟動工作階段熱容量熱負荷是主要部分，在制冷穩(wěn)定維持工作階段基本只存在熱損失熱負荷，相對來說較小。因此，理想的制冷裝置應當在啟動工作階段有較大的制冷量，而穩(wěn)定工作階段制冷量減小以節(jié)省能量消耗和消除制冷量過大帶來的負面影響。

自調(diào)式節(jié)流制冷器在啟動工作階段有較大的制冷量，在穩(wěn)定工作階段制冷量較小，節(jié)省制冷工質(zhì)，延長制冷器工作時間[2-4]。但相比非自調(diào)制冷器，其增加了自調(diào)機構(gòu)，自身熱質(zhì)量增加，其啟動時間通常慢于同類型的非自調(diào)式制冷器，不能滿足許多快速制導的需要，其原理如圖1所示。

圖1 自調(diào)式節(jié)流制冷器簡要原理圖Fig.1 Principle Layout of self regulated J-T cooler

采用預冷級的節(jié)流制冷方式，通過預冷級對制冷級進行預冷，加快節(jié)流制冷器的降溫速度，滿足紅外制導對制冷器快速制冷的要求。但由于帶預冷的節(jié)流制冷器的流量大，制冷工質(zhì)消耗大，因此制冷器工作時間較短[5-6]，其原理如圖2所示。

在紅外用節(jié)流制冷器的制冷方式中提出一種新型的制冷方式，將預冷快速制冷方式與波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷方式相結(jié)合，解決制冷器要求快速啟動和長時間工作之間的矛盾。帶有預冷級的波紋管自調(diào)式快速節(jié)流制冷器（簡稱預冷自調(diào)式節(jié)流制冷器），其簡要原理如圖3所示。

圖2 預冷級節(jié)流制冷器簡要原理圖Fig.2 Principle Layout of J-T cooler with precooler

將預冷波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器與單級非自調(diào)式節(jié)流制冷器、單級自調(diào)式節(jié)流制冷器（圖1所示結(jié)構(gòu)中去除自調(diào)機構(gòu)）和預冷非自調(diào)式節(jié)流制冷器的啟動時間、耗氣量進行對比分析。

2 實驗模型

為了對比其他制冷器同預冷級波紋管自調(diào)式節(jié)流制冷器啟動時間、耗氣量等指標，除了制冷器，搭建了專門的測試平臺。該實驗臺主要由恒壓氣源或固定氣瓶（根據(jù)不同的測試條件選擇）、壓力表、氣體過濾器、真空杜瓦組件、測溫二極管、恒流源、流量收集工裝、質(zhì)量流量計、流量與溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，其中真空杜瓦組件由兵器211所生產(chǎn)的某型中波焦平面探測器組件作為實驗的真空杜瓦，恒流源輸出的精度誤差為mV級，杜瓦內(nèi)冷指芯片旁裝有貼片式測溫二級管，最大絕對誤差為0.2 K。流量計采用質(zhì)量流量計，測量時可自動轉(zhuǎn)化為體積流量顯示，精度為0.25 N·L/min?；贚abview開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集板卡最大采樣速度為ms級，完全滿足節(jié)流制冷器的動態(tài)性能及參數(shù)測試要求。具體原理如圖4所示。

圖4 啟動時間、耗氣量實驗平臺示意圖Fig.4 The schematic diagram of cool-down time and gas consumption

3 性能對比

3.1 啟動時間對比

制冷器的降溫時間是指制冷器將探測器組件的芯片從環(huán)境溫度冷卻到探測器工作溫度所需的時間。降溫過程中，組成熱負載的成分既有被冷卻杜瓦組件的熱質(zhì)量，也有制冷器自身的熱質(zhì)量，計算由式（1）可表示：

式中：Qassembly為總熱質(zhì)量，kJ；mj為各個組成部分的質(zhì)量，kg；T0為環(huán)境溫度，K；T5為制冷溫度，K。制冷器工作時，其制冷量方程如式（2）：

由此，可獲得節(jié)流制冷器的降溫時間t的計算如式（3）：

實際工作過程中，制冷器的降溫時間t由制冷器產(chǎn)生的制冷量Q0、杜瓦與制冷器待冷卻的熱質(zhì)量mjcm,j(T)和杜瓦冷頭換熱系數(shù)k共同決定，如圖5所示。

圖5 降溫時間的熱力學公式圖Fig.5 Thermodynamics expressions of cool-down time

假設制冷器的工作壓力為30 MPa恒壓，制冷級和預冷級采用的節(jié)流小孔大小一致，如表1所列。

教材，作為教學的基礎，主要是通過教材的學習，來讓學生理解英語知識的運用。教材有其選材要求和編排順序,教學需要遵循教材但不囿于教材,可以突破教材原有的框架,通過補充、添加等方式，形成以教材為核心的豐富的材料“群”，讓教學因這樣的添加而變得厚實有內(nèi)容。

表1 四種制冷器計算啟動時間Table 1 Theoretical calculation cool-down time for four kinds of J-T coolers

通過計算可知，制冷器到達90 K和80 K的啟動時間快慢順序為預冷非自調(diào)式制冷器、預冷自調(diào)式制冷器、單級非自調(diào)制冷器、單級自調(diào)制冷器。圖6是四種制冷器在氮氣30 MPa恒壓條件下，實驗測得的啟動時間，具體值如表2所列?？梢钥闯觯?0 K之前，啟動時間從快到慢與計算的趨勢一樣，預冷非自調(diào)式最快，預冷自調(diào)式和單級非自調(diào)式次之，單級自調(diào)式最慢。但在90 K之后，非自調(diào)制冷器由于沒有自調(diào)機構(gòu)，回流氣體的背壓較大，制冷溫度下降變慢，且只能降低到80 K左右溫度就不再下降，自調(diào)式制冷器則由于背壓較小，可以降低到75 K（昆明地區(qū)的大氣壓約為80 kPa）。

表2 四種制冷器實驗啟動時間（30 MPa）Table 2 Experiment cool-down time for four kinds of J-T coolers（30 MPa）

圖6 四種制冷器實驗啟動時間（30 MPa）曲線Fig.6 Experiment cool-down curves for four kinds of J-T coolers（30 MPa）

在紅外制導實際應用中，無法保證恒壓源，通常采用彈上氣瓶作為制冷器的氣源，氣瓶內(nèi)的工質(zhì)壓力會隨工作時間延長而逐漸降低。采用0.2 L的氣瓶作為實驗氣瓶，后面的描述如無特別說明，四種制冷器制冷級、預冷級使用的氣瓶均為0.2 L，如表3所列。

表3 四種制冷器實驗啟動時間Table 3 Experiment cool-down time for four kinds of J-T coolers

圖7為四種制冷器制冷級、預冷級均用30 MPa氮氣，0.2 L氣瓶，常溫300 K條件下獲得的啟動時間對比圖，具體數(shù)值如表3所列。由圖7可知，在90 K之前，預冷非自調(diào)式節(jié)流制冷器啟動最快，預冷自調(diào)式節(jié)流制冷器啟動時間次之，單級節(jié)流制冷器啟動時間相對較慢。其啟動時間與30 MPa恒壓條件下趨勢一致。采用固定氣瓶與恒壓的區(qū)別主要在非自調(diào)上，固定氣瓶在工作時，其內(nèi)部的壓力逐漸下降，因此制冷器的回流氣體隨壓力逐漸降低，背壓逐漸減小，因此工作溫度隨工作壓力下降逐漸降低。自調(diào)式由于自調(diào)機構(gòu)收縮，背壓基本與當?shù)卮髿鈮阂恢?，因此工作溫度穩(wěn)定。此時影響到達最終溫度的降溫速度的主要因素不是制冷量，而是背壓與換熱系數(shù)，自調(diào)式背壓下降得快，其降溫速度比非自調(diào)式的也快。與30 MPa恒壓相比，0.2 L氣瓶里的氣壓逐漸下降，因此啟動過程中制冷量逐漸下降，四種制冷器到達90 K的時間都比恒壓條件下變慢，但到達80 K后，由于背壓的原因，非自調(diào)的降溫時間0.2 L氣瓶比恒壓的快，自調(diào)式的恒壓和0.2 L均不存在背壓問題，主要與制冷量有關(guān)，所以自調(diào)式到達80 K的時間也比恒壓的慢。

圖7 四種制冷器實驗啟動時間（30 MPa，0.2 L）曲線Fig.7 Experiment cool-down curves for four kinds of J-T coolers（30 MPa，0.2 L）

3.2 耗氣量對比

節(jié)流制冷與其他制冷方式相比，最大的優(yōu)勢之一是體積小，整個制冷器的尺寸一般小于Φ30 mm×40 mm。但節(jié)流制冷方式需要消耗制冷工質(zhì)，制冷器的耗氣量決定了制冷器的工作時間，即紅外制導導引頭的作戰(zhàn)時間和飛行距離，決定彈上氣瓶的體積、質(zhì)量，從而影響整彈的體積、質(zhì)量等武器指標。因此制冷器的耗氣量是制冷器的重要指標之一。

制冷器工作過程耗氣量的需求可分為兩個階段，啟動階段和穩(wěn)定工作階段。在制冷器啟動時，需要將杜瓦以及制冷器本身的熱質(zhì)量冷卻到制冷溫度，制冷量越大，降溫速度越快，因此啟動時需要較大的制冷量，即要求制冷器的流量比較大。當制冷溫度達到工作狀態(tài)后，只需要提供較小的制冷量維持熱負載即可，所需的流量較小。

圖8為四種制冷器采用30 MPa氮氣，0.2 L氣瓶，常溫300 K條件下的耗氣量對比圖?？梢钥闯?，預冷自調(diào)式節(jié)流制冷器的總耗氣量為其制冷級（自調(diào)式）和預冷級（非自調(diào)式）耗氣量的總和，并基本等于單級自調(diào)式和單級非自調(diào)式制冷器的耗氣量。預冷非自調(diào)式節(jié)流制冷器的總耗氣量為其制冷級（非自調(diào)式）和預冷級（非自調(diào)式）耗氣量的總和，并基本等于單級非自調(diào)式制冷器耗氣量的兩倍。預冷自調(diào)式節(jié)流制冷器總的耗氣量在啟動過程中也有明顯的轉(zhuǎn)折部分，這是因為制冷器在啟動過程中，制冷級到達自調(diào)點后，制冷級耗氣量急劇下降，但整個工作過程中，由于預冷自調(diào)式節(jié)流制冷器的預冷級是非自調(diào)，因此在進入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，其耗氣量曲線與單級非自調(diào)制冷器平行，這是因為其制冷級的耗氣量自調(diào)后，耗氣量均勻一致，其預冷級的耗氣量隨氣瓶壓力降低而降低。從圖8可見，預冷節(jié)流制冷器總的耗氣量比單級多，但比預冷非自調(diào)制冷器少。

圖8 四種制冷器實驗耗氣量（30 MPa，0.2 L）曲線Fig.8 Experiment gas consumption curves for four kinds of J-T coolers（30 MPa，0.2 L）

4 結(jié)論

瞄準紅外制導用節(jié)流制冷器，提出一種新型的制冷方式，將預冷方式與波紋管自調(diào)方式相結(jié)合，解決了制冷器快速啟動和工作時長之間的矛盾。

通過采用預冷級對制冷級進行預冷，加快制冷器的降溫速度，滿足紅外制導對制冷器快速制冷的要求。在完成啟動后，為了延長制冷器的工作時間，預冷級停止工作，制冷級的自調(diào)機構(gòu)對制冷器制冷工質(zhì)進行調(diào)節(jié)，降低制冷工質(zhì)的消耗，延長制冷器的工作時間。將二者結(jié)合起來，在快速降溫與工作時間之間尋找一個結(jié)合點，既能滿足制冷器快速降溫，又能滿足制冷器長時間工作。

參考文獻：

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