微型節流制冷器降溫時間的優化研究

李曉永，王 玲，洪曉麥，潘 奇，黃太和，王立保

（武漢高芯科技有限公司，武漢 430205）

0 引言

20世紀50年代，Honeywell Hymatic首次將節流（JT）制冷器應用于軍事上，此后JT制冷器在軍事領域獲得廣泛的應用。制冷器不僅為紅外導引系統提供低溫環境，而且與導彈的性能密切相關，例如制冷器的降溫時間決定了導彈的反應時間，制冷器的蓄冷時間決定了導彈的飛行時間。其中快速啟動的地空導彈等武器系統一般采用節流制冷器，如美國的Stinger、俄羅斯的Igla等。而隨著導彈在現代化戰爭中制空權等方面的作用愈加重要，對快速制冷型制冷器的需求也愈加迫切。

此外，由于節流制冷器復雜的幾何形狀和流體的多變性質，其結構、運行參數以及材料等都制約著制冷性能的提高。同時，由于特殊的應用背景，國外對我國嚴格封鎖其相關研究成果，而國內相關研究主要集中在實驗方面。對此，本文針對降溫時間展開相關的理論分析與實驗研究。

1 節流制冷器整機結構設計

微型節流制冷器利用高壓氣體的非理想性產生節流冷效應，進而實現被冷卻單元的冷卻。微型節流制冷器一般分為兩種類型：開式和閉式。最常用的是開式節流制冷器，該制冷器具有結構緊湊、體積小、質量輕、振動小、成本低和啟動快等特點[1]。因此，對于要求快速制冷的場合，一般選擇開式節流制冷器。

從外形結構上，節流制冷器可分為圓柱形和圓錐形兩種。對于紅外制冷系統，在相同的換熱面積下，圓錐形結構比圓柱形的節流制冷器的軸向長度更短，降溫速度更快，更利于系統的集成[2]。基于系統集成和快速降溫等方面的考慮，錐形節流制冷器更加適宜。

開式節流制冷器主要由芯軸、進氣法蘭、過濾器、節流孔和翅片管換熱器組成，如圖1所示。其中，翅片管換熱器是節流制冷器的關鍵部件，影響著制冷器的換熱效率、制冷量和制冷效率。根據文獻報道，兩層翅片管換熱器節流制冷器的降溫速率要優于三層的節流制冷器[3]。因此，基于快速降溫的需求，本文的節流制冷器采用開式、圓錐形、雙層繞制的結構形式。

圖1 開式節流制冷器結構示意圖Fig.1 The schematic diagram for the structure of coolers

2 降溫時間優化研究

完整的節流制冷系統包括節流制冷器、高壓氣瓶和杜瓦等部件。本文以優化降溫時間為目標，分別對這三個部件展開研究，包括氣瓶容積的分析優化、杜瓦漏熱損失的分析及優化，以及翅片管換熱器的優化。

2.1 氣瓶容積

高壓氣瓶是開式節流制冷系統的重要組成部分，為制冷器提供制冷工質[4]，氣瓶出口的熱力學參數即制冷器的進口參數，其容積的大小對制冷器性能影響較大。同時，在實際應用中，氣瓶體積受限于系統的尺寸，因此對氣瓶容積的研究具有重要意義。

假定氣瓶容器為絕熱，即供氣時間短而忽略與外界的熱量傳遞，建立氣瓶放氣的絕熱模型。氣瓶的初始壓力為50 MPa，環境溫度為300 K，出口直徑為1 mm。分別以25 mL、50 mL和100 mL氣瓶容積為例，采用四階龍格庫塔程序算法編寫計算程序，時間步長為2×10-18s。氣瓶出口的壓力及工質氣體質量的變化曲線如圖2、圖3所示。從圖中可以看出，在氣瓶放氣的過程中，隨著氣瓶容積的減小，氣瓶出口的壓力及質量均呈現減小的趨勢。

圖2 不同容積氣瓶出口的工質氣體壓力變化曲線Fig.2 The outlet pressure drop history for the gas cylinder with the different volume

圖3 不同容積氣瓶出口的工質氣體質量變化曲線Fig.3 The outlet quality drop history for the gas cylinder with the different volume

由節流過程可知，一方面，提高充氣容積，可提高節流前的壓力，相應地增加節流后工質氣體的質量流量，為探測器的芯片等部件提供更多的制冷量。由節流前后壓力與降溫時間的關系τ1/τ2=（p2/p1）1.5（τ1、τ2分別為節流前后的降溫時間；p1、p2分別為節流前后工質氣體壓力）可知：提高充氣容積可縮短降溫時間[5]。另一方面，提高充氣容積可以提高節流制冷器的進口壓力，使節流后背壓較高，制冷效率降低，降溫時間延長。另外，提高充氣容積不僅使得制冷器進口的工質氣體壓力提高，同時摩擦因子也增大，壓力損失增大，不利于提高降溫速率[6]。因此，對制冷器的性能而言，存在最佳的充氣容積。

根據上述的仿真結果和理論分析，針對充氣容積開展了相關的實驗研究，如表1所列。在同一實驗條件下，采用相同的杜瓦測試，兩臺制冷器的降溫時間隨著充氣容積的變化均呈現相同的變化趨勢，即隨著充氣容積的增大，降溫時間先減小后增大。當采用25 mL氣瓶時,兩臺制冷器的降溫時間均最短。因此，本文中研制的節流制冷器以25 mL的小高壓鋼瓶作為驅動氣源。

表1 降溫時間隨充氣容積的變化Tab.1 The cool-down time varies with the volume of gas

2.2 杜瓦的漏熱損失

由于實際應用中紅外芯片封裝在杜瓦內，而杜瓦的熱損失、熱質量和熱阻是影響制冷器降溫的重要因素，因此，研究杜瓦是縮短節流制冷系統降溫時間的重要技術途徑之一[7]。

假定制冷器的制冷量為 QR，QR=mΔhJTη。其中m為制冷工質的質量，ΔhJT為制冷機的最大焓變，η為制冷機的效率。又假設制冷器、冷指及其他探測器部件的熱質量和熱損失等于QS，為保證負載降溫到指定溫度，則須滿足QR≥QS。由能量守恒可得：

式中：QD為杜瓦冷頭的熱質量從常溫到低溫的焓變；QC為制冷器的熱質量從常溫到低溫的焓變；Q′d為杜瓦的熱損失，包括熱傳導、熱輻射、熱對流，在時間t內常溫到低溫的焓變；Q′c為制冷器的熱損失，即時間t內常溫到低溫的焓變；Q′a為熱負荷在時間t內常溫到低溫的焓變。

由上述分析可知，為提高制冷器的降溫速率，即減小降溫時間t，應減小杜瓦的熱質量的焓變QD和熱損失Q′d。在減小杜瓦的熱損失Q′d方面，導熱損失是其重要的影響因素。根據傅里葉導熱定律Φ =(λA)dT/dx（Φ為熱流；λ為導熱系數；A為冷盤面積；T為杜瓦組件的溫度；x為杜瓦的有效長度；dT/dx為杜瓦組件的溫度梯度）可知，應減小溫度梯度，即減小單位長度上的溫差，才能減小杜瓦的漏熱損失。因此，將18 mm高的杜瓦增加至28 mm高后，降溫穩定時，軸向溫度梯度由11.7 K/mm降至7.5 K/mm。

采用稱重法評估杜瓦的熱損失Q′d：將液氮倒入杜瓦內，待傳熱平衡，單位時間內杜瓦中的液氮減少的潛熱量即為杜瓦的熱損失Q′d。采用稱重法測熱損失值時，應符合平衡方程：Q′d=Q′q。如圖4所示，減小溫度梯度前后杜瓦熱損失值分別為970 mW和300 mW。

圖4 減小溫度梯度前后杜瓦熱損失測試曲線Fig.4 The comparsion curves for the Dewar thermal loss with the temperature gradient reduction

同時，為適配優化后的杜瓦，應相應增加制冷器的長度，增長制冷器長度亦可減小其軸向溫度梯度，即減小制冷器的熱損失Q′c。對增高前后的杜瓦和制冷器進行對比實驗研究，結果如圖5所示。從圖中可以看出，優化杜瓦后，制冷器降溫速率明顯提高，降溫至100 K的時間由18 s縮短至8.1 s。

圖5 優化杜瓦前后降溫測試曲線Fig.5 The comparsion cool-down time curves for the optimized Dewar

2.3 翅片管換熱器

節流制冷器的換熱器一般采用帶翅片的毛細管螺旋纏繞在芯軸上，翅片管與冷指之間的通道作為制冷工質的回流通道[8]，達到冷卻高壓流體的目的。換熱器的幾何結構參數主要為翅片參數和螺旋參數，如圖6所示。

圖6 翅片管結構示意圖Fig.6 The schematic diagram for the finned tube

換熱器翅片增加了回流冷流體的換熱面積，其系數可用肋化系數ψ表示[9]，計算式為：

為進一步降低制冷器的降溫時間，本文采用兩種翅片形式進行對比實驗研究。在影像儀下觀察翅片管樣貌形態，如圖7所示，其具體的尺寸參數如表2所列。利用矩形翅片和圓形翅片的參數計算得到的肋化系數分別為3.91和1.59，即單位長度內，采用矩形翅片比圓形翅片換熱面積增加2.46倍。

圖7 兩種翅片管在影像儀下的對比圖Fig.7 The contrast between two finned tubes in the imager

表2 不同類型翅片管的幾何參數Tab.2 Geometrical parameters for the different types of finned tube

在換熱器長度、螺旋參數等條件不變的情況下，采用上述不同翅片形式的換熱器制作制冷器，實驗結果如圖8所示。由結果可知，采用雙層矩形翅片增加換熱面積2.46倍后，制冷器的降溫時間由5.33 s@100 K縮短至4.57 s@100 K。

圖8 不同翅片管的制冷器降溫時間比較曲線Fig.8 The comparsion of cool-down time between the different finned tube’s coolers

3 性能測試及應用

經過對節流制冷器的整機結構設計，以及對翅片管的翅片形式等進行優化，優化后的微型節流制冷器實物如圖9所示。該款節流制冷器高約30 mm，最大直徑處約20 mm，質量約25 g，適于集成在制冷紅外探測器等系統中。

圖9 微型節流制冷器實物圖Fig.9 The miniature cooler

將研制的節流制冷器應用于128×128面陣規模的制冷紅外探測器中，芯片和冷屏等光電部件固定于冷盤上側，將二極管布置于芯片附近，用于監控探測器焦平面的降溫性能。在環境溫度條件下，探測器的焦平面降溫如圖10所示。由測試曲線可知，焦平面降溫時間為4.57 s@100 K，100 K以下的蓄冷時間為74 s。此外，探測器的成像效果良好，校正后圖像的非均勻性小于6 mV，實際成像效果如圖11所示。

圖10 探測器焦平面降溫曲線Fig.10 The cooling curve for the detector’s focal plane

圖11 探測器成像實際效果圖Fig.11 The actual output images for the infrared imaging system

4 結論

本文介紹了一款高芯科技自主研制的微型節流制冷器，以及對其關鍵部件的優化研究，研究成果包括：

（1）氣瓶容積對降溫時間具有重要影響，當采用25 mL高壓氣瓶時制冷器降溫時間最短。

（2）通過減小溫度梯度的方式優化杜瓦，杜瓦的漏熱損失由970 mW減小至300 mW。采用28 mm高度的杜瓦，制冷器的降溫時間由18 s@100 K縮短至8.1 s@100 K。

（3）優化翅片形式及尺寸參數，制冷器的換熱器采用矩形翅片管雙層繞制，其降溫時間由5.33 s@100 K縮短至4.57 s@100 K。

（4）將優化后的制冷器應用于128×128面陣規模的紅外探測器中，成像效果良好，校正后圖像的非均勻性小于6 mV。