預冷波紋管自調式節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軍代室，昆明 650223）

0 引言

紅外制導技術是當今制導武器系統的重點發展方向之一，也是我軍急需的高新技術。紅外制導導彈通常要求探測器在極短的時間內（幾十秒甚至幾秒）完成啟動，要求制冷器啟動時間短。節流制冷器利用高壓氣體的節流降溫效應，最快在幾秒的時間內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，因此目前國內外大部分的紅外制導武器都采用節流制冷方式[1]。

紅外導引頭要求節流制冷器具有快速降溫、工作耗氣量盡可能小的特點。目前，節流制冷器通過大耗氣量實現大制冷量，以實現快速降溫或者采用自調機構，在制冷器啟動完成后實現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階段微型開式節流制冷器的難點之一。文章結合實際需要，設計了一種預冷級波紋管自調式節流制冷器，通過實驗對比，該節流制冷器的啟動時間比單級自調式節流制冷器快，耗氣量比預冷級非自調式節流制冷器小。該節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化，為未來快速制冷和長時間工作的節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，而穩定工作階段制冷量減小以節省能量消耗和消除制冷量過大帶來的負面影響。

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

圖1 自調式節流制冷器簡要原理圖Fig.1 Principle Layout of self regulated J-T cooler

采用預冷級的節流制冷方式，通過預冷級對制冷級進行預冷，加快節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。但由于帶預冷的節流制冷器的流量大，制冷工質消耗大，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式節流制冷方式相結合，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式快速節流制冷器（簡稱預冷自調式節流制冷器），其簡要原理如圖3所示。

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

將預冷波紋管自調式節流制冷器與單級非自調式節流制冷器、單級自調式節流制冷器（圖1所示結構中去除自調機構）和預冷非自調式節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式節流制冷器啟動時間、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、質量流量計、流量與溫度數據采集系統構成，其中真空杜瓦組件由兵器211所生產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。流量計采用質量流量計，測量時可自動轉化為體積流量顯示，精度為0.25 N·L/min。基于Labview開發的數據采集系統，采集板卡最大采樣速度為ms級，完全滿足節流制冷器的動態性能及參數測試要求。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量，也有制冷器自身的熱質量，計算由式（1）可表示：

式中：Qassembly為總熱質量，kJ；mj為各個組成部分的質量，kg；T0為環境溫度，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由制冷器產生的制冷量Q0、杜瓦與制冷器待冷卻的熱質量mjcm,j(T)和杜瓦冷頭換熱系數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流小孔大小一致，如表1所列。

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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式制冷器、預冷自調式制冷器、單級非自調制冷器、單級自調制冷器。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。可以看出，在90 K之前，啟動時間從快到慢與計算的趨勢一樣，預冷非自調式最快，預冷自調式和單級非自調式次之，單級自調式最慢。但在90 K之后，非自調制冷器由于沒有自調機構，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，自調式制冷器則由于背壓較小，可以降低到75 K（昆明地區的大氣壓約為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，氣瓶內的工質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，具體數值如表3所列。由圖7可知，在90 K之前，預冷非自調式節流制冷器啟動最快，預冷自調式節流制冷器啟動時間次之，單級節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別主要在非自調上，固定氣瓶在工作時，其內部的壓力逐漸下降，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。自調式由于自調機構收縮，背壓基本與當地大氣壓一致，因此工作溫度穩定。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，自調式背壓下降得快，其降溫速度比非自調式的也快。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，非自調的降溫時間0.2 L氣瓶比恒壓的快，自調式的恒壓和0.2 L均不存在背壓問題，主要與制冷量有關，所以自調式到達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

節流制冷與其他制冷方式相比，最大的優勢之一是體積小，整個制冷器的尺寸一般小于Φ30 mm×40 mm。但節流制冷方式需要消耗制冷工質，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時間和飛行距離，決定彈上氣瓶的體積、質量，從而影響整彈的體積、質量等武器指標。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。可以看出，預冷自調式節流制冷器的總耗氣量為其制冷級（自調式）和預冷級（非自調式）耗氣量的總和，并基本等于單級自調式和單級非自調式制冷器的耗氣量。預冷非自調式節流制冷器的總耗氣量為其制冷級（非自調式）和預冷級（非自調式）耗氣量的總和，并基本等于單級非自調式制冷器耗氣量的兩倍。預冷自調式節流制冷器總的耗氣量在啟動過程中也有明顯的轉折部分，這是因為制冷器在啟動過程中，制冷級到達自調點后，制冷級耗氣量急劇下降，但整個工作過程中，由于預冷自調式節流制冷器的預冷級是非自調，因此在進入穩定工作狀態后，其耗氣量曲線與單級非自調制冷器平行，這是因為其制冷級的耗氣量自調后，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，預冷節流制冷器總的耗氣量比單級多，但比預冷非自調制冷器少。

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 結論

瞄準紅外制導用節流制冷器，提出一種新型的制冷方式，將預冷方式與波紋管自調方式相結合，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，制冷級的自調機構對制冷器制冷工質進行調節，降低制冷工質的消耗，延長制冷器的工作時間。將二者結合起來，在快速降溫與工作時間之間尋找一個結合點，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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