提高波紋管式制冷器穩定性的設計

韓蓬磊，李 勉

(華北光電技術研究所，北京 100015)

提高波紋管式制冷器穩定性的設計

韓蓬磊，李 勉

(華北光電技術研究所，北京 100015)

針對波紋管式自調節流制冷器普遍存在穩定性差的問題，通過對此類制冷器最核心的部件——波紋管自調機構的受力分析，對制冷器的預留位移量這個核心參數進行優化設計，增強了制冷器的自調能力，從設計上避免制冷器不自調或流量變化現象的發生，改善了長期困擾自調式制冷器的間歇性噴液現象，提高了制冷器的穩定性，并通過實驗得到了論證。

波紋管;穩定性;自調;制冷器;預留位移

1 引 言

波紋管式自調節流制冷器目前在紅外探測器中的應用已較為廣泛。然而，此類制冷器普遍存在穩定性差的問題，這主要表現在兩個方面:一是存放或是使用一段時間以后流量在一定程度上會發生變化;二是制冷器到達低溫以后會出現間歇性噴液現象，即閥針關閉以后會突然打開，使得制冷器流量突然增大，導致探測器的二極管電壓突然降低。而紅外探測器恰恰對穩定性的要求特別高，所以這就對此類制冷器在紅外探測器中的應用帶來了一定的隱患。造成這種現象的主要原因包括，波紋管的材料、制作工藝、使用不當以及設計上的問題［1］，通過設計上的優化可以在一定程度上減弱甚至是避免波紋管自身對制冷器穩定性的影響。而制冷器的眾多設計參數中，波紋管與傳動桿焊接時的預留位移量是最核心的參數，對制冷器穩定性地提高起著至關重要的作用。

2 波紋管制冷器自調機構

圖1 波紋管制冷器自調機構示意圖

在波紋管制冷器的制作過程中，波紋管與傳動桿焊接時有一定的預留位移(如圖2所示)，然后向波紋管所在的充氣腔內充入一定量的高壓氣體，使波紋管壓縮，此時制冷器的閥針相對節流孔處于打開狀態。制冷器啟動后，從節流孔噴出液氮，充氣腔內的壓力迅速降低，從而使波紋管拉伸，帶動傳動桿及閥針下移，針尖伸入節流孔內，使節流孔變小甚至關閉從而控制了出液量，實現了對氣體流量的自動調節［2－3］。

圖2 充氣前后預留位移表征示意圖

從波紋管制冷器的自調機理不難看出，制冷器的制作過程中波紋管與傳動桿焊接時的預留位移量對制冷器最終的自調性能有著直接的影響。

3 預留位移量的設計

3.1 預留位移量的初步確定

3.1.1 波紋管自調機構受力分析

波紋管自調式制冷器的調節機構受力分析示意圖如圖3所示。

圖3 自調機構啟動過程受力分析示意圖

圖中，F為波紋管釋放的彈力;F'為閥體對傳動桿的反作用力;Fg為充氣腔內氣體對波紋管的作用力;Fk為節流孔噴出氣流對閥針的作用力;f為自調過程中的摩擦力。

假設背壓為1bar，制冷器啟動的后半階段，充氣腔內壓力降低，波紋管伸長，傳動桿帶動閥針下移，針尖伸入節流孔內，使節流孔變小甚至關閉。在制冷器低溫穩定以后，存在如下關系式，即:

式中，H為閥針相對節流孔的初始開度;H'為低溫穩定后閥針相對節流孔的開度，接近5μm。

以上各式中，Fk與f的值較難確定，從嚴格意義上講，Fk的值應為閥針錐面與柱面部分，壓差分布的曲面積分以及氣流對閥座的作用力之和。表示為:

這里作如下簡化:假定節流孔被完全關閉，則氣體對閥針的作用力近似為管道內氣體對節流口的內壓力，可視為Fk的最大值。表示為:

式中，p1為節流前氣體壓強;S'為節流口截面積。

而f的隨機性較大，但是實際情況下，如果裝配時能夠嚴格控制工藝過程，f的相對量級也會較低，可以忽略不計。

3.1.2 預留位移量的初步確定

從式(1)可以看出，如果傳動桿與波紋管焊接時預留位移量較小，在制冷器工作過程中，式(1)中左邊項始終小于右邊項，也就是說波紋管的最大彈力不足以抵消啟動過程中充氣腔內氣體壓力以及氣流對閥針的作用力，就會出現無法自調或是自調后穩定流量較大的現象，無法滿足使用要求，即:

為了便于定量計算，在這里取極限情況進行分析，即制冷器已噴出大量液氮。此時，充氣腔內氣體已被充分冷卻，充氣腔內氣體基本處于飽和狀態，氣體參數符合飽和氣體狀態方程，氣體的飽和蒸汽壓p與溫度呈一一對應關系。氣體對閥針的作用力取最大值Fkmax，忽略摩擦力f。式(6)可簡化為:

所以，為了保證波紋管自調機構的正常工作，要滿足以下關系式，即:

波紋管的預留位移量需滿足:

3.2 優化預留位移以提高制冷器的穩定性

雖然滿足式(9)的要求，制冷器便可以自調，但是自調式制冷器還普遍存在存放或是使用一段時間以后流量發生變化和間歇性噴液現象，原因之一就是波紋管的力平衡關系發生變化。要解決這一問題，可以在制冷器的設計中預留一定的預緊力，當受力關系發生變化時，僅僅改變了平衡后預緊力的大小，而閥針位移未發生變化，從而實現制冷器流量的穩定。

同時，由于預緊力的引入，波紋管調節機構的力學平衡關系也發生了相應的變化，需要對預留位移量的設計參數做進一步地討論，將式(1)變形為:

欲使制冷器流量穩定，可使式(10)等號右邊項大于左邊項，也就是說令自調驅動力大于自調阻力，那么兩者之差即為預緊力T，可表示為:

假設設計時即預存相當于針閥開度變化Δ的預緊力，則當波紋管或者其他因素引起自調機構受力關系發生變化時，相當于僅僅改變了系統平衡時剩余預緊力的大小，而針閥的開度未發生改變，從而維持了流量的穩定，即式(11)演化為:

其中，Δ的大小可以參考波紋管的殘余變形量來確定。

結合以上各式，式(12)可展開為:

由此可得，預留位移量應滿足:

從設計角度講，只要實際的預留位移量滿足上式的制冷器，均可以認為制冷器具有較好的自調性能以及流量的穩定性。同時，應考慮波紋管自身的性能限制，預留位移量不能大于波紋管的公稱位移(一般在1 mm以內)，否則波紋管有可能會失效，喪失自調能力。

4 實驗結果

4.1 制冷器正向設計論證實驗

為了驗證以上的參數設計理論，取波紋管的截面積S為4.5mm2，節流孔面積S'為0.03mm2，工藝參數H為0.15 mm，Δ參考波紋管的殘余變形量為0.05 mm，調節器漏氣速率Q為1×10－10Pa·m3/s，充氣腔總容積為700 mm3，設計壽命為15年，同時充氣工質為氮氣。則由式(9)可求出預留位移X0應該大于0.29 mm，再結合式(15)，修正后的X0應該大于0.49 mm，在進氣壓力為20 MPa下做如下論證實驗。

(1)按照不同的預留位移量和充氣壓力，制作4只制冷器，如表1所示。

表1 制冷器相關參數

(2)將01～04這四只制冷器，分別進行測試，結果如表2所示。

表2 制冷器測試結果

結合表1和表2可以看出，只要制冷器的預留位移量滿足式(15)的要求，就能具備較好的自調能力;相反，制冷器的自調能力會明顯不足。所以，按照本文的指導選擇合理的預留位移，是保證制冷器最終自調性能的關鍵。

4.2 問題制冷器的處理論證實驗

為了使出現問題的03、04兩只制冷器能夠正常自調，滿足使用要求，根據本文的指導，可以增大制冷器的預留位移。但是從圖2中可看到，波紋管與傳動桿焊接面被封死在充氣腔內部，所以在正式的制冷器產品中，預留位移是無法調整的。在此，為了達到實驗的目的，采取非常規手段，將閥體的位置上移0.3 mm，以這種方式來增大制冷器的預留位移量。將處理過的03、04兩只制冷器重新進行測試，測試結果如表3所示。

表3 處理過的制冷器測試數據

從測試結果看，預留位移量增大0.3 mm后，相應制冷器的不自調現象得到明顯改善。證明了合理的預留位移是決定制冷器自調能力的關鍵因素，與4.1中的實驗結果相互呼應。

4.3 改善制冷器間歇性噴液現象的論證實驗

目前波紋管式自調制冷器的設計中，普遍沒有考慮預緊力的存在，只是以式(9)為指導。那么，根據實驗4.1中的條件可以得到，預留位移量X0只需大于0.29 mm。那么，對比04與01這兩只制冷器在自調完成并到達低溫后的二極管電壓隨時間的變化曲線(如圖4所示)可以看出，04號制冷器對應二極管的電壓波動較大。這是由于制冷器的流量忽大忽小，存在間歇性噴液的現象，導致了二極管的溫度不穩定而造成了電壓的波動。01號制冷器則是由于預留位移的設計時預緊力的存在，使得制冷器流量較為穩定，沒有出現間歇性噴液的現象，從而使探測器的穩定性也得到提高。

圖4 二極管電壓隨時間的變化曲線圖

5 結 論

波紋管式自調節流制冷器普遍存在的穩定性較差的問題，可以從設計上得到很好地改善。制冷器自調能力的強弱，取決于設計時預留位移量的大小。通過對波紋管自調機構中預留位移這個核心參數的優化設計，可以使波紋管式自調節流制冷器的穩定性得到顯著提高，在保證了長時間使用或存放后流量穩定性的同時，間歇性噴液現象也得到了明顯地改善，本文對實際參數的選取具有重要的指導性意義。

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Design of the stability of self-regulated crycooler w ith bellows

HAN Peng-lei，LIMian
(North China Research Institute of Electro-optic，Beijing 100015，China)

Aiming at the problem of poor stability of self-regulated crycooler with bellows，through the force analysis of self-regulated structure ofbellows，the reserved displacement is optimally designed which is the core components of the self-regulated crycooler with bellows.Self-regulation ability of the crycooler is enhanced.Mis-function of self-regulating and flow rate changing of the crycooler are avoided by design.The phenomenon of intermittent hydrojet of the self-regulated crycooler is improved.The stability of this crycooler is improved observably，which is verified through experiments.

bellows;stability;self-regulating;crycooler;reserved displacement

TN216

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.010

1001-5078(2014)04-0395-04

韓蓬磊(1986－)，男，本科，工程師，主要從事快啟動式制冷器，雙工質制冷器以及波紋管自調式制冷器的研究。E-mail: 368374355@qq.com

2013-08-21;

2013-09-01