節流孔至冷頭距離對制冷器啟動時間的影響

郭祥祥,王海先

(中國電子科技集團公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

快速啟動制冷器是快速啟動探測器的重要組成部分,負責為探測器提供低溫環境?？焖賳又评淦鞯膯訒r間,決定了探測器的響應速度,是紅外探測系統的一個重要指標[1-2]。優化快速啟動制冷器設計,縮短啟動時間,成為了快速啟動探測器設計的重點。

目前,已有不同學者從多個角度對優化快速啟動制冷器設計、縮短其啟動時間進行了相關研究。李秀強[2]等測試了一種兩級制冷的快速啟動制冷器的啟動時間,在35 MPa的氮氣管道氣下,啟動時間為2.4 s。王偉濤[3]指出在制冷器毛細管和外殼配合間隙盡可能多地纏繞棉線,可以控制氣體體積膨脹、隔絕熱環境,從而縮短啟動時間,另外調節節流孔大小、增加導熱管圈數也有助于改善制冷器制冷能力。仰葉[4]等對錐形快速啟動制冷器的換熱器肋片形狀、高度、厚度和節距進行了優化,同時控制節流孔的大小、形狀和表面質量并對氣體工質進行純化來提升制冷性能,在35 MPa氬氣的條件下,探測器組件降溫至90 K所用時間為6 s。徐海峰[5]等選用了一種雙層錐形快速啟動制冷器進行了測試,在45 MPa氬氣的100 mL鋼瓶的測試條件下,探測器芯片溫度降至100 K所需時間為7.21 s。

關于節流孔至杜瓦冷頭距離對快速啟動探測器啟動時間的影響較少有學者進行研究。本文對不同節流孔至杜瓦冷頭距離下的探測器啟動時間進行了研究,對優化快速啟動制冷器設計提出了改進建議。

2 快速啟動制冷器設計

快速啟動制冷器的啟動時間和降溫過程的驅動力有關,這種驅動力使高壓氣體節流降溫,并推動高壓和低壓工質進行熱量交換,最終使制冷器冷卻到溫。該驅動力可以用等焓積分節流效應描述。假設工質由狀態1等焓節流至狀態2,則該過程的溫度變化總量為ΔTh,即:

(1)

式中,P1、P2為節流前后工質的壓力;αh為微分節流效應。該式表明等焓積分節流效應和工質節流前后的壓力有關。一般地說,節流前壓力越高,等焓積分節流效應越明顯。另外,等焓積分節流效應和等溫節流效應也有一定的關系,即:

(2)

式中,ΔhT為等溫節流效應;cp0為低壓下氣體的定壓比熱。式(2)表明,等溫節流效應越大,等焓積分節流效應也就越大。對于純工質,等溫節流效應和工質的沸點溫度可用范德瓦爾斯方程描述,即:

(3)

式中,Tb為工質沸點溫度,工質沸點溫度越高,等焓節流效應越明顯,降溫更快[1]。綜合考慮氣源壓力和制冷工質成分對啟動時間的影響,本文選用了氬氣和氮氣兩種工質,在15～35 MPa的工作壓力范圍內對啟動時間進行研究。

目前較為常見的制冷器芯柱結構有兩種:圓柱形和錐形。快速啟動紅外探測器系統對系統集成度有著較高的要求。在熱交換器換熱面積一定的條件下,錐形芯柱結構要比圓柱形芯柱結構軸向更短,從而更有利于系統集成。本文的制冷器芯柱采用錐形結構。

熱交換器是快速啟動制冷器的核心組成部分,其換熱效率及管內工質流量對啟動時間具有決定作用。雙層熱交換器比單層熱交換器具有更大的換熱面積,管內工質可被預冷的更加充分。三層熱交換器雖然換熱面積大于雙層熱交換器,但其管內流通面積小于雙層熱交換器,瞬時流量更小[6]。綜合來看,雙層熱交換器結構更有助于降低啟動時間,本文制冷器選用雙層熱交換器結構。

制冷器熱交換器噴液段固定在一不銹鋼支柱上,通過調整支柱的長短,可改變節流孔至杜瓦冷頭的距離。如圖1所示,本文選擇了兩種不同長度的支柱,制冷器與探測器互配后,節流孔至杜瓦冷頭的距離分別為7.86 mm和1.36 mm。

制冷器節流孔通過激光打孔的工藝制成,節流孔直徑均為0.06 mm,在20 MPa氬氣恒壓條件下測試制冷器空載流量如表1所示,均在24 g/min左右。Martin H[7]給出了節流孔直徑為D,以滯止點為圓心、半徑為r的圓內,節流孔至被沖擊表面距離為H的對流換熱系數經驗關聯式,即:

(4)

該關聯式中,實驗驗證范圍為2≤H/D≤7.5。對于快速啟動制冷器,考慮到增大節流效應并提高氣瓶維持時間,節流孔往往不大,對于本文的研究對象,H/D在22.7～131之間,超出了已有經驗關系式應用范圍。因此,本文主要采用試驗方法研究節流孔至杜瓦冷頭的距離對啟動時間的影響。

表1 20 MPa恒壓氬氣條件下制冷器流量Tab.1 Mass flow rate of cryocooler using argon under 20 MPa constant pressure

圖1 制冷器支柱高度設計Fig.1 Prop height design of cryocooler

3 實驗研究

實驗所用的探測器杜瓦組件搭載了銻化銦芯片,測試氣源為恒壓氬氣、氮氣,測試壓力在15～35 MPa之間。測試氣源為氬氣時,啟動時間為芯片溫度由室溫降至87 K所需的時間；氣源為氮氣時,啟動時間為芯片溫度由室溫降至77 K所需的時間。測試結果見圖2、圖3。

測試結果顯示,節流孔至杜瓦冷頭距離更近的S2制冷器在整個壓力測試范圍內,啟動時間均快于S1制冷器。使用氬氣工質時,20 MPa是一個拐點壓力。壓力在20 MPa以下時,提升測試壓力,啟動時間將快速縮短。但壓力在20 MPa以上時,通過提高壓力來縮短啟動時間的效益將明顯減少。同時,20 MPa也是兩種制冷器啟動時間差的拐點壓力。在20 MPa以下時,通過縮短節流孔至杜瓦冷頭的距離,能明顯地縮短啟動時間,且壓力越低,這種效果越明顯。但壓力在20 MPa以上時,隨著壓力升高,兩種制冷器的啟動時間差幾乎沒有明顯差別,在2 s左右。

當制冷工質為氮氣時,30 MPa是拐點壓力。在30 MPa以下時,因節流孔至杜瓦冷頭距離不同導致的啟動時間差可達數十秒,甚至影響到制冷器啟動。當壓力在15 MPa時,節流孔至杜瓦冷頭距離較遠的S1制冷器無法啟動,而S2制冷器可以在75.22 s啟動。當壓力高于30 MPa時,因節流孔至杜瓦冷頭距離不同導致的啟動時間差穩定在10 s左右。

圖2 制冷器使用氬氣氣源時的啟動時間Fig.2 Start-up time of cryocooler with argon supply

圖3 制冷器使用氮氣氣源時的啟動時間Fig.3 Start-up time of cryocooler with nitrogen supply

比較相同制冷器在氮氣和氬氣兩種氣源條件下的啟動時間可以發現,工質組分對啟動時間的影響更為顯著。節流孔距離杜瓦冷頭距離更近的S2制冷器,氮氣啟動時間幾乎是氬氣的3倍,而對于S1制冷器,這種差異更加明顯,在壓力為17.5 MPa時,氮氣啟動時間是氬氣的6.7倍。因此,快速啟動制冷器設計時,還應注意制冷工質的選用,在滿足探測器所需的制冷溫度的前提下,選擇沸點較高的制冷工質,制冷器啟動越快。

4 結 論

隨著紅外探測器芯片集成度的提高,系統對制冷器的體積和啟動時間提出了更為苛刻的要求。能夠在較短時間內啟動的節流制冷器更容易受到紅外探測器探測系統的歡迎。在對快速啟動制冷器設計時,應適當地縮短節流孔至杜瓦冷頭的距離以縮短探測器啟動時間。尤其是在氬氣氣源供氣壓力低于20 MPa、氮氣氣源壓力低于30 MPa時,較短的節流孔至杜瓦冷頭的距離對啟動時間的改善更為明顯。