一種錐形自調式J-T制冷器

徐慶松,聶雪蓮,李進武

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

紅外導引系統廣泛應用于導彈武器系統中,其核心元件——探測器芯片需要冷卻到110 K以下才能正常工作。目前紅外導引頭中的焦平面探測器組件中采用的制冷方式主要是斯特林制冷機和J-T制冷器兩種。斯特林制冷機具有應用范圍廣、制冷量大(1～10W)[1],僅用電就可滿足全天候作戰需求,但是體積大、結構復雜,降溫時間長(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)、生產成本低等優點,此應根據不同的應用需求選擇不同的制冷方式。

J-T制冷器不僅為紅外導引系統提供低溫環境,還與導彈部分性能指標密切相關,J-T制冷器的降溫速度決定了導彈的反應時間,目前能夠滿足導彈系統快速制冷要求,尤其是數秒級別的,只有J-T制冷器能夠做到。同時J-T制冷器的穩定工作流量決定了導彈的飛行時間。隨著紅外焦平面探測器的廣泛應用,凝視焦平面探測器的熱質量比單元探測器大一個數量級,熱負載大50 %～100 %(單元探測器約100～125 mW)[2],同時由于紅外導引頭內部空間有限,制冷器與杜瓦結構的研究在逐步向短小化、集成化方向發展,因此如何實現焦平面探測器芯片快速降溫、延長導彈的工作時間、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,國外就已經報道了采用錐形結構實現快速降溫的目的。錐形J-T只制冷器在軸向長度減少的同時,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,實現快速降溫[3],錐形J-T制冷器實物如圖1所示。

圖1 錐形J-T制冷器實物圖

目前國內應用最廣泛的小型紅外探測器是15 μm中心間距128×128中波紅外焦平面探測器,探測器結構示意圖如圖2[4]所示,該探測器組件主要由探測器芯片、杜瓦和錐形J-T制冷器三部分組成。探測器的長度不到40 mm,只有普通紅外焦平面探測器一半。總體要求降溫時間不大于5 s@110 K,目前有多家單位完成了該紅外焦平面探測器組件用的J-T制冷器,據可查的公開文獻,2015年4月,中國電科十六所徐海峰報道探測器降溫時間6.86 s@100 K[5];2021年4月,中國電科十一所魏巍報道探測器降溫時間4.1 s@110 K[6];2021年6月,武漢高芯科技有限公司李曉永報道,探測器降溫時間4.57 s@100 K[7]。

圖2 探測器結構圖

各個研究單位/公司研制的錐形J-T制冷器所采用的結構方式基本一樣,只是由于各個單位的焦平面探測器杜瓦內部結構和與J-T制冷器連接方式略有不同,導致J-T制冷器外形稍有差異,如圖3所示。均采用錐形結構作為J-T制冷器的芯柱,換熱器采用立式矩形翅片結構,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制冷器雙層結構實物圖

圖4 立式矩形翅片結構

3 錐形自調式J-T制冷器

通過幾年的不斷研究探索,錐形J-T制冷器的制做工藝已經較為成熟,配合紅外焦平面探測器組件得到了較好的應用,目前中國電科十一所研制的紅外焦平面探測器組件常溫降溫時間普遍可以達到3 s@100 K以內的水平。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;而制導系統中的氣瓶容積有限,無法保證長時間工作,一般只能維持140 s左右的時間,在一定程度上限制了該款J-T制冷器的應用范圍。

如果將自調機構植入錐形J-T制冷器結構中,將大大降低其穩定工作時的工作流量,在相同氣瓶條件下,紅外探測器組件穩定工作時間可以延長數倍甚至數十倍。早在2012年之前,中國電科十一所就已經設計出一款錐形自調式J-T制冷器[8],該款產品是國內首款采用固體低溫形變原理研制而成的自調式J-T制冷器,填補了國內空白。但是該款錐形自調式J-T制冷器由于自調機構中閥針在降溫自調運動過程中行程極短,只有幾十個微米,因此制造難度較高,成品率較低;同時使用介質氣體壓力較高,通常50 MPa以上才有較好的效果;另外無法交叉使用氣體,否則會導致自調機構失效。這樣就對國內用戶使用造成極大的限制,使用成本較高。即使是現在,能滿足其工作條件要求的導彈導引頭用戶也是不多的。

因此,本文設計開發了一款微型波紋管型自調機構裝入錐形J-T制冷器中,解決了上述難題。波紋管型自調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,通過波紋管帶動傳動機構和閥針控制節流孔的大小,實現對工作流量的改變,結構示意圖和實物圖如圖5、圖6所示。

圖5 錐形自調式制冷器示意圖

圖6 錐形自調式制冷器實物圖

該款錐形波紋管型自調式J-T制冷器有如下幾個優點:

(1)通過調整充氣腔內的壓力和波紋管力學性質得到理想的自調溫度點,提高制冷器的制冷時間;

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

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

(4)成本較低。目前J-T制冷器自調機構中應用最廣泛的自調元件就是波紋管,國內生產工藝穩定、成熟,能夠保證供應產品的質量和數量。

4 測試結果

為了更好對比自調式與非自調制冷器的性能上的區別,選擇具有代表性的兩種J-T制冷器各一只,測試用的紅外焦平面探測器杜瓦組件為文獻[6]中的結構,且以下測試數據均為同一只紅外焦平面探測器杜瓦組件的測試結果。該杜瓦組件的測溫二極管電壓與溫度的對應關系如表1所示。通過測量二極管電壓值即可以得到該位置對應的溫度值。

表1 測溫二極管電壓值與溫度值的對應關系

4.1 降溫時間對比

測試條件為180 mL氣瓶,壓力為50 MPa,氣體為高純氬氣。測試曲線如圖7所示,降溫時間結果見表2。從測試結果上,我們可以看出,非自調制冷器降溫時間要優于自調試制冷器,降至100 K的時間要快約0.6 s,這是由于非自調制冷器采用雙層熱交換器結構,換熱面積大,從而降溫時間更快。但是自調式制冷器的降溫至100 K的時間也達到了4 s以內。

表2 兩種制冷器的降溫時間(單位:s)

圖7 兩種制冷器的降溫曲線

4.2 工作時間對比

測試條件與上相同,從工作曲線我們可以很清楚的看出,自調式制冷器的工作時間要遠遠優于非自調式制冷器,非自調式制冷器的工作時間一般為140～160 s;而自調式制冷器可以達到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,依然可以繼續維持制冷狀態。

圖8 兩種制冷器工作時間曲線

圖9為自調式制冷器穩定工作時溫度穩定性的曲線,從圖上可以看出,只有在最初的幾分鐘有一定的溫度波動,但是波動值也不大,僅為0.7 K(電壓值變換1.18 mV),而后面的溫度波動就極小了不到0.3 K。可以很好的滿足紅外焦平面探測器芯片對溫度穩定性的需求。

圖9 溫度穩定性

4.3 不同壓力、氣體品質下的測試情況

J-T制冷器常用的工作介質為氬氣和氮氣,同時紅外探測器的用戶的高壓設備能力也不同,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恒壓氮氣進行測試,不同條件下的降溫曲線如圖10所示,實際測試結果見表3。可以看出,在各個條件下,該款制冷器均能實現自調工作,在各個壓力下能夠小流量穩定工作,且穩定流量基本相當。這就給紅外探測器的用戶很好的選擇,氮氣、氬氣兩種氣體均可使用;同時在不需要快速降溫只需要對紅外探測器性能進行測試,以及進行光學、電學性能調試時,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間

圖10 Cooling time curves under different pressure conditions

5 結 論

本文介紹了一款中國電科十一所研制的錐形自調式J-T制冷器,該制冷器結合了錐形制冷器降溫速度快、長度短和自調式制冷器工作流量低、制冷溫度深兩方面的優勢,解決了原有錐形自調式J-T制冷器對壓力、氣體品質使用條件的限制,大大拓寬了該類型制冷器的應用場景,未來可以廣泛應用于地對空、艦載、機載等多種導彈系統。