一種錐形自調(diào)式J-T制冷器

徐慶松,聶雪蓮,李進(jìn)武

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

紅外導(dǎo)引系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中,其核心元件——探測(cè)器芯片需要冷卻到110 K以下才能正常工作。目前紅外導(dǎo)引頭中的焦平面探測(cè)器組件中采用的制冷方式主要是斯特林制冷機(jī)和J-T制冷器兩種。斯特林制冷機(jī)具有應(yīng)用范圍廣、制冷量大(1～10W)[1],僅用電就可滿足全天候作戰(zhàn)需求,但是體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,降溫時(shí)間長(zhǎng)(3～10 min)。但J-T制冷器具有體積小、重量輕、降溫速度快(幾秒～幾十秒)、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn),此應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇不同的制冷方式。

J-T制冷器不僅為紅外導(dǎo)引系統(tǒng)提供低溫環(huán)境,還與導(dǎo)彈部分性能指標(biāo)密切相關(guān),J-T制冷器的降溫速度決定了導(dǎo)彈的反應(yīng)時(shí)間,目前能夠滿足導(dǎo)彈系統(tǒng)快速制冷要求,尤其是數(shù)秒級(jí)別的,只有J-T制冷器能夠做到。同時(shí)J-T制冷器的穩(wěn)定工作流量決定了導(dǎo)彈的飛行時(shí)間。隨著紅外焦平面探測(cè)器的廣泛應(yīng)用,凝視焦平面探測(cè)器的熱質(zhì)量比單元探測(cè)器大一個(gè)數(shù)量級(jí),熱負(fù)載大50 %～100 %(單元探測(cè)器約100～125 mW)[2],同時(shí)由于紅外導(dǎo)引頭內(nèi)部空間有限,制冷器與杜瓦結(jié)構(gòu)的研究在逐步向短小化、集成化方向發(fā)展,因此如何實(shí)現(xiàn)焦平面探測(cè)器芯片快速降溫、延長(zhǎng)導(dǎo)彈的工作時(shí)間、制冷器體積小巧,成為J-T制冷器永恒的追求。

2 錐形J-T制冷器

在2003年,國(guó)外就已經(jīng)報(bào)道了采用錐形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速降溫的目的。錐形J-T只制冷器在軸向長(zhǎng)度減少的同時(shí),利用徑向空間使熱交換器的面積不變甚至增加,從而增加熱交換器的換熱面積,實(shí)現(xiàn)快速降溫[3],錐形J-T制冷器實(shí)物如圖1所示。

圖1 錐形J-T制冷器實(shí)物圖

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的小型紅外探測(cè)器是15 μm中心間距128×128中波紅外焦平面探測(cè)器,探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2[4]所示,該探測(cè)器組件主要由探測(cè)器芯片、杜瓦和錐形J-T制冷器三部分組成。探測(cè)器的長(zhǎng)度不到40 mm,只有普通紅外焦平面探測(cè)器一半?？傮w要求降溫時(shí)間不大于5 s@110 K,目前有多家單位完成了該紅外焦平面探測(cè)器組件用的J-T制冷器,據(jù)可查的公開(kāi)文獻(xiàn),2015年4月,中國(guó)電科十六所徐海峰報(bào)道探測(cè)器降溫時(shí)間6.86 s@100 K[5];2021年4月,中國(guó)電科十一所魏巍報(bào)道探測(cè)器降溫時(shí)間4.1 s@110 K[6];2021年6月,武漢高芯科技有限公司李曉永報(bào)道,探測(cè)器降溫時(shí)間4.57 s@100 K[7]。

圖2 探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

各個(gè)研究單位/公司研制的錐形J-T制冷器所采用的結(jié)構(gòu)方式基本一樣,只是由于各個(gè)單位的焦平面探測(cè)器杜瓦內(nèi)部結(jié)構(gòu)和與J-T制冷器連接方式略有不同,導(dǎo)致J-T制冷器外形稍有差異,如圖3所示。均采用錐形結(jié)構(gòu)作為J-T制冷器的芯柱,換熱器采用立式矩形翅片結(jié)構(gòu),如圖4所示[7],雙層熱交換器均勻纏繞在錐形芯柱上。

圖3 不同研究單位的錐形J-T制冷器雙層結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

圖4 立式矩形翅片結(jié)構(gòu)

3 錐形自調(diào)式J-T制冷器

通過(guò)幾年的不斷研究探索,錐形J-T制冷器的制做工藝已經(jīng)較為成熟,配合紅外焦平面探測(cè)器組件得到了較好的應(yīng)用,目前中國(guó)電科十一所研制的紅外焦平面探測(cè)器組件常溫降溫時(shí)間普遍可以達(dá)到3 s@100 K以內(nèi)的水平。但是該款錐形J-T制冷器的流量極大,一般為40 l/min@42 MPa左右;而制導(dǎo)系統(tǒng)中的氣瓶容積有限,無(wú)法保證長(zhǎng)時(shí)間工作,一般只能維持140 s左右的時(shí)間,在一定程度上限制了該款J-T制冷器的應(yīng)用范圍。

如果將自調(diào)機(jī)構(gòu)植入錐形J-T制冷器結(jié)構(gòu)中,將大大降低其穩(wěn)定工作時(shí)的工作流量,在相同氣瓶條件下,紅外探測(cè)器組件穩(wěn)定工作時(shí)間可以延長(zhǎng)數(shù)倍甚至數(shù)十倍。早在2012年之前,中國(guó)電科十一所就已經(jīng)設(shè)計(jì)出一款錐形自調(diào)式J-T制冷器[8],該款產(chǎn)品是國(guó)內(nèi)首款采用固體低溫形變?cè)硌兄贫傻淖哉{(diào)式J-T制冷器,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。但是該款錐形自調(diào)式J-T制冷器由于自調(diào)機(jī)構(gòu)中閥針在降溫自調(diào)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中行程極短,只有幾十個(gè)微米,因此制造難度較高,成品率較低;同時(shí)使用介質(zhì)氣體壓力較高,通常50 MPa以上才有較好的效果;另外無(wú)法交叉使用氣體,否則會(huì)導(dǎo)致自調(diào)機(jī)構(gòu)失效。這樣就對(duì)國(guó)內(nèi)用戶使用造成極大的限制,使用成本較高。即使是現(xiàn)在,能滿足其工作條件要求的導(dǎo)彈導(dǎo)引頭用戶也是不多的。

因此,本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款微型波紋管型自調(diào)機(jī)構(gòu)裝入錐形J-T制冷器中,解決了上述難題。波紋管型自調(diào)式制冷器的工作原理是利用一定體積的密封氣體壓力隨著溫度的變化而變化,通過(guò)波紋管帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和閥針控制節(jié)流孔的大小,實(shí)現(xiàn)對(duì)工作流量的改變,結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖如圖5、圖6所示。

圖5 錐形自調(diào)式制冷器示意圖

圖6 錐形自調(diào)式制冷器實(shí)物圖

該款錐形波紋管型自調(diào)式J-T制冷器有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):

(1)通過(guò)調(diào)整充氣腔內(nèi)的壓力和波紋管力學(xué)性質(zhì)得到理想的自調(diào)溫度點(diǎn),提高制冷器的制冷時(shí)間;

(2)壓力適應(yīng)范圍較廣,15～50 MPa均可以使用;同時(shí)常用的J-T制冷器應(yīng)用工質(zhì)——氮?dú)?、氬氣均能夠正常工?基本可以滿足不同用戶的多種應(yīng)用工況;

(3)不改變錐形J-T制冷器的外形尺寸和接口方式,探測(cè)器組件不需要做任何改變,用戶使用體驗(yàn)良好。

(4)成本較低。目前J-T制冷器自調(diào)機(jī)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的自調(diào)元件就是波紋管,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)工藝穩(wěn)定、成熟,能夠保證供應(yīng)產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。

4 測(cè)試結(jié)果

為了更好對(duì)比自調(diào)式與非自調(diào)制冷器的性能上的區(qū)別,選擇具有代表性的兩種J-T制冷器各一只,測(cè)試用的紅外焦平面探測(cè)器杜瓦組件為文獻(xiàn)[6]中的結(jié)構(gòu),且以下測(cè)試數(shù)據(jù)均為同一只紅外焦平面探測(cè)器杜瓦組件的測(cè)試結(jié)果。該杜瓦組件的測(cè)溫二極管電壓與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。通過(guò)測(cè)量二極管電壓值即可以得到該位置對(duì)應(yīng)的溫度值。

表1 測(cè)溫二極管電壓值與溫度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4.1 降溫時(shí)間對(duì)比

測(cè)試條件為180 mL氣瓶,壓力為50 MPa,氣體為高純氬氣。測(cè)試曲線如圖7所示,降溫時(shí)間結(jié)果見(jiàn)表2。從測(cè)試結(jié)果上,我們可以看出,非自調(diào)制冷器降溫時(shí)間要優(yōu)于自調(diào)試制冷器,降至100 K的時(shí)間要快約0.6 s,這是由于非自調(diào)制冷器采用雙層熱交換器結(jié)構(gòu),換熱面積大,從而降溫時(shí)間更快。但是自調(diào)式制冷器的降溫至100 K的時(shí)間也達(dá)到了4 s以內(nèi)。

表2 兩種制冷器的降溫時(shí)間(單位:s)

圖7 兩種制冷器的降溫曲線

4.2 工作時(shí)間對(duì)比

測(cè)試條件與上相同,從工作曲線我們可以很清楚的看出,自調(diào)式制冷器的工作時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于非自調(diào)式制冷器,非自調(diào)式制冷器的工作時(shí)間一般為140～160 s;而自調(diào)式制冷器可以達(dá)到20 min以上。從圖8(b)中,可以看出20 min后,180 mL氣瓶的壓力還剩余25 MPa左右,依然可以繼續(xù)維持制冷狀態(tài)。

圖8 兩種制冷器工作時(shí)間曲線

圖9為自調(diào)式制冷器穩(wěn)定工作時(shí)溫度穩(wěn)定性的曲線,從圖上可以看出,只有在最初的幾分鐘有一定的溫度波動(dòng),但是波動(dòng)值也不大,僅為0.7 K(電壓值變換1.18 mV),而后面的溫度波動(dòng)就極小了不到0.3 K?？梢院芎玫臐M足紅外焦平面探測(cè)器芯片對(duì)溫度穩(wěn)定性的需求。

圖9 溫度穩(wěn)定性

4.3 不同壓力、氣體品質(zhì)下的測(cè)試情況

J-T制冷器常用的工作介質(zhì)為氬氣和氮?dú)?同時(shí)紅外探測(cè)器的用戶的高壓設(shè)備能力也不同,該款制冷器能夠很好的滿足不同用戶的使用條件。選取40 MPa、30 MPa、20 MPa恒壓氬氣和30 MPa、20 MPa恒壓氮?dú)膺M(jìn)行測(cè)試,不同條件下的降溫曲線如圖10所示,實(shí)際測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3?？梢钥闯?在各個(gè)條件下,該款制冷器均能實(shí)現(xiàn)自調(diào)工作,在各個(gè)壓力下能夠小流量穩(wěn)定工作,且穩(wěn)定流量基本相當(dāng)。這就給紅外探測(cè)器的用戶很好的選擇,氮?dú)?、氬氣兩種氣體均可使用;同時(shí)在不需要快速降溫只需要對(duì)紅外探測(cè)器性能進(jìn)行測(cè)試,以及進(jìn)行光學(xué)、電學(xué)性能調(diào)試時(shí),只需要較低的氣體壓力或者即可,降低用戶使用成本。

表3 不同壓力條件下的降溫時(shí)間

圖10 Cooling time curves under different pressure conditions

5 結(jié) 論

本文介紹了一款中國(guó)電科十一所研制的錐形自調(diào)式J-T制冷器,該制冷器結(jié)合了錐形制冷器降溫速度快、長(zhǎng)度短和自調(diào)式制冷器工作流量低、制冷溫度深兩方面的優(yōu)勢(shì),解決了原有錐形自調(diào)式J-T制冷器對(duì)壓力、氣體品質(zhì)使用條件的限制,大大拓寬了該類型制冷器的應(yīng)用場(chǎng)景,未來(lái)可以廣泛應(yīng)用于地對(duì)空、艦載、機(jī)載等多種導(dǎo)彈系統(tǒng)。