紅外用微型節流制冷器耗氣量實驗研究

李家鵬，陳曉屏，陳　軍，劉迎文，劉　鑫

（1.昆明物理研究所，昆明　650223；2.西安交通大學能源與動力工程學院熱流科學與工程教育部重點實驗室，西安　710049）

紅外用微型節流制冷器耗氣量實驗研究

李家鵬1，陳曉屏1，陳軍1，劉迎文2，劉鑫2

（1.昆明物理研究所，昆明650223；2.西安交通大學能源與動力工程學院熱流科學與工程教育部重點實驗室，西安710049）

微型節流制冷器具有體積小、重量輕、可靠性高、啟動速度快、冷端無運動部件等突出優勢在紅外導引頭中廣泛應用。不同類型節流制冷器的耗氣量不一樣，節流制冷器耗氣量的大小決定了彈上氣瓶的體積、重量、工作時間等。對微型制冷器的耗氣量進行了實驗研究，對比分析了4種節流制冷器在不同條件下的耗氣量，為節流制冷器在不同場合下為工程應用提供了參考。

微型節流制冷器；耗氣量；紅外探測器

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。微型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紅外器件冷卻到工作溫度要求，并且整體體積遠小于常規低溫制冷機。自1955年，HoneywellHymatic首次將節流制冷器應用于軍事領域［1-2］，當前國內外大部分的紅外制導武器都采用節流制冷方式［3-5］。節流制冷屬于開式系統，需要消耗制冷工質，工質多少決定節流制冷器的工作時長，即紅外制導引頭的尋導時間、飛行距離，因此節流耗氣量（流量）是制冷器的重要指標之一。

制冷器工作過程可分為啟動和穩定工作兩個階段。在啟動階段為滿足快速降溫的要求，需要大冷量盡快將探測器和制冷器本身寄生熱負荷移除，需要較大制冷量和較高流量；而在穩定工作階段，由于探測器熱負荷較低，僅需要較小制冷量和較低流量。節流制冷器的流量主要決定于氣瓶壓力與節流結構形式。非自調結構耗氣量（流量）無法根據負載需求而相應變化，耗氣量較大；而自調結構可根據負載特性自適應調節節流孔尺寸，實現流量的自適應匹配和較低的耗氣量。目前，開展非自調形式的節流制冷器的降溫特性與流量關系研究較多，對于自調結構以及帶預冷級的節流器研究相對不足。

擬對單級自調與非自調式節流制冷器以及帶預冷級的自調與非自調式節流制冷器［6-7］的流量動態變化特性開展系統的實驗研究，并比較和分析了各制冷器的流量變化特性，力求在啟動時間和耗氣量之間獲得一個較優配置，為制冷器在工程應用提供參考。

1　實驗系統

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、真空杜瓦制冷器組件、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，具體如圖1所示。其中真空杜瓦組件采用兵器211所生產的中波320×256焦平面探測器組件，杜瓦內冷指外壁裝有貼片式測溫二級管，最大絕對誤差為0.2 K。流量計采用七星公司生產的質量流量計，測量時可自動轉化為體積流量顯示，精度為0.25 NL/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。

圖1　實驗平臺示意圖

單級節流制冷系統一般由高壓氣瓶、閥門、熱交換器、節流閥、蒸發器構成（圖2a），單級自調式和非自調式節流制冷器的區別在于節流裝置是否可調。帶有預冷級的節流制冷器，實際可以當作是兩個獨立的節流制冷器，用節流制冷器10（預冷級）來預冷節流制冷器11（制冷級）（圖2b），以實現快速制冷的目的，帶預冷級的自調式和非自調式的區別在于制冷級的節流裝置是否可調。

圖2　單級和帶有預冷級的節流制冷器結構示意圖

2　實驗結果與分析

為了進一步探明自調與非自調節流制冷器的流量特性以及預冷對制冷性能的影響關系，分別開展了節流制冷器的流量隨壓力、氣瓶容量大小及調節形式與預冷形式的動態變化關系的實驗研究。

2.1恒壓氣源條件下節流制冷器的流量動態特性

圖3是不同啟動壓力下（a）單級自調和（b）非自調節流制冷器的流量變化圖。當高壓側壓力保持不變的條件下，隨著工作壓力的升高，單級自調式節流制冷器和單級非自調式節流制冷器啟動初期的耗氣量都在上升，分析原因:在啟動階段，隨著高壓氣體在節流制冷器內節流膨脹降溫，使流經高壓管路的工質溫度逐漸降低，盡管高壓側由于流動阻力導致節流前壓力有所降低，但溫度降低導致密度增加遠大于壓力影響，因此節流前高壓工質的密度隨著溫度降低而增加，如果忽略高壓管路的壓力降以及節流孔流量系數的變化，則通過節流孔的質量流量將增大，直到制冷器進入穩定工況運行。當節流制冷器達到負載工況要求后，非自調制冷器的氣體流量進入相對穩定值；自調式節流機構會根據負載來自適應調節閥門開度，盡管高壓側壓力保持不變，由于節流面積在達到負載工況后逐漸減小，導致制冷器流量逐漸降低，直到穩定，并且隨著啟動壓力的增加，自調機構的動作時間也逐步前移，主要是因為啟動壓力越大，制冷器啟動質量流量和制冷能力都大，對節流制冷器的無效熱負荷進行冷卻降溫速度較快。比較三種啟動壓力下自調機構啟動前耗氣總量，由于制冷器的無效熱負荷相同，三者比較相近。當自調機構啟動后，由于負載熱負荷不變，自調式節流制冷器的流量基本保持一致，穩定在2～3 NL/min之間。比較自調和非自調結構的性能，二者均滿足了快速啟動的需求，但在工況穩定后，非自調結構制冷器存在流量較高和冷量的過度浪費問題；而自調結構制冷器則有效的控制了流量，極大地節省了耗氣量，有助于延長工作時間。但在工程設計中，降溫啟動時間是另一個關鍵性能參數。顯而易見，非自調結構制冷器由于耗氣量消耗大，降溫時間要快于自調結構。

圖3　不同壓力下單級節流制冷器的工質流量變化圖

2.2氣瓶氣源下節流制冷器的流量動態特性

圖4為采用0.2 L氣瓶氣源條件下，（a）單級自調和（b）非自調節流制冷器的流量變化圖。當氣瓶為有限容量時，隨著氣瓶內氣體的不斷消耗，氣瓶的壓力逐漸降低，相當于起始高壓壓力在變化，在變壓力下節流制冷器的啟動特性與穩定工作特性與恒壓力有較大差異。對于自調式節流制冷器，如圖4 （a）所示，啟動的最初階段，氣體流量先開始下降，氣瓶初始壓力不一致，出現了對于低于30 MPa氣瓶壓力下，氣體流量逐漸降低，而高于30 MPa則呈現略微增加的現象。

圖4　不同壓力下有限氣瓶單級節流制冷器工質流量變化圖

分析原因:啟動最初階段，隨著氣瓶內氣體消耗，氣瓶壓力逐漸降低，對于不同初始壓力下，制冷器的流量呈現先下降的趨勢。但隨著節流制冷器自身熱負荷被移除，整體平均溫度逐漸下降，導致節流孔前高壓側工質密度逐漸增加，這有助于工質流量的提升；而氣瓶壓力下降則會導致節流前后的壓差減小，可見節流前的密度與壓力共同決定了流量的變化關系。當起始壓力高于30 MPa時，密度變化的影響要略大于壓差的影響，流量呈現略微升高的現象，當起始壓力低于30 MPa時，由于壓力下降太快，導致壓差變化的影響要大于密度影響，流量持續下降。可以預測，隨著氣瓶容量的增大，該壓力臨界值會逐漸減小。當制冷器負載接近設定工況，自調結構開始動作，流量呈現快速減小，并最終達到穩定工況，流量均穩定在2～3 NL/min之間。但對于非自調結構，同樣呈現類似于自調機構在啟動初始階段的現象，只是由于自調機構調節閥針的存在，導致其節流面積要略小于非自調節流面積，非自調結構的流量在相同初始壓力下要大于自調結構流量，并且先下降后增加的現象不太明顯。另外，由于非自調機構無法改變節流尺寸，當負載達到要求后，由于節流前后大壓差的存在，導致工質流量呈現逐漸下降的趨勢，當啟動90 s后，四種不同起始壓力下的制冷器流量比較接近，主要是由于氣瓶經過90 s的氣體消耗，氣瓶內的工質壓力基本上差別不大。比較氣瓶條件有限容量下的自調和非自調結構的制冷器性能，二者均滿足有效降溫的需求，在負載工況穩定后，非自調結構仍存在流量較高和冷量過度浪費的問題；而自調結構則有效的控制了流量，極大的節省了耗氣量，有助于延長工作時間。對于有限氣瓶的應用設計，盡管非自調結構的降溫時間快于自調結構，由于耗氣量過大導致有效工作時長要小于自調機構。需要合理匹配降溫啟動時間和制冷有效工作時長的關系。

2.3氣瓶容積對節流制冷器流量的影響

在實際的紅外探測器冷卻過程中，制冷工質氣源不可能采用恒壓氣源，一般是固定容積有限氣瓶。圖5為啟動壓力相同（30 MPa），恒壓氣源和有限容積氣瓶下，單級自調式節流制冷器（圖5a）和單級非自調式節流制冷器（圖5b）的流量動態變化圖。

圖5　不同氣瓶容量下單級節流制冷器的工質流量變化圖

對于非自調結構，由于高壓氣體供應量的差異，氣瓶內的壓力不像恒壓氣源恒定不變，氣瓶壓力隨著系統運行逐漸降低，在工作初期，壓力降低速率相對較慢，此時節流制冷器整體溫度的降低改變了節流孔前的工質密度，導致流量維持近20 s的相對不變，隨著氣瓶壓力的進一步降低，流量呈現逐漸下降的趨勢；而恒壓氣源壓力維持不變，在工作初期流量逐漸增加，待到系統平衡后，流量基本維持不變。對于自調式結構，無論是恒壓氣源或氣瓶，均由于節流閥針的自調節，在系統達到穩定工況后，節流孔尺寸減小，使流量最終維持近似不變，由于自調機構的閥針僅感應溫度變化，因此恒壓氣源壓力高于有限容積，其穩定后的流量相對略高于氣瓶。在一定的工作時間內，可以近似認為采用氣瓶的節流制冷器的流量不變。另外，由于恒壓氣源的節流制冷器，最初啟動時間內，氣體流量大于有限氣瓶，其制冷能力也較高，是自調機構啟動時間優于有限氣瓶的原因。

2.4預冷形式對節流制冷器流量及性能的影響

圖6為采用0.2 L氣瓶，啟動壓力為30 MPa時，四種節流制冷器的性能動態變化曲線。由于預冷級的引入，為制冷級降低了熱負荷，加快了制冷級自身熱負荷的消除，其啟動降溫時間也會明顯快于單制冷級節流制冷器。由圖6（a）可知，采用自調式節流裝置，其流量均低于非自調形式，在一定時間內攜帶的制冷量也相對較小，系統達到設定工況所需時間也較長；由于預冷級的引入，改變了單級節流制冷器的流量特性，因此影響了降溫時間，為了實現有效預冷，勢必要消耗更多的工作介質，提供系統所需的預冷。采用預冷級的節流制冷器，降溫時間比未采用預冷級的制冷器要快很多。由圖6 （b）可知，采用預冷措施后，由于預冷級采用的是獨立非自調的節流制冷器，系統的總流量要大于單制冷級節流制冷器。對于非自調結構，帶預冷級系統的流量大約是不帶預冷級的兩倍。并且由于氣瓶的容積有限，隨著工作時間延長，氣瓶內的壓力逐漸降低，總流量呈現逐漸下降的趨勢。對于自調式結構，由于達到冷負載的工況要求，自調機構自適應調節節流尺寸，導致流量出現下降趨勢。由于預冷級給系統提供更多的冷量，帶預冷的自調結構動作響應要早于單級自調裝置，其總流量下降時間要早于單制冷級。但由于預冷級為非自調節流系統，故總流量較高。

圖6　四種節流制冷器的溫度與流量變化曲線圖

3　結論

通過對單級自調與非自調式節流制冷器及帶預冷級的自調與非自調式節流制冷器的流量動態變化特性的實驗研究，比較和分析各制冷器的降溫與流量變化特性，發現制冷器的啟動時間從快到慢依次為帶預冷級的非自調式、帶預冷級的自調式、單級非自調式、單級自調式，同時系統所需的耗氣量也依次減小。在實際系統設計中，需要根據工作時長，合理平衡啟動時間、耗氣量與氣瓶容積之間的關系，進一步優化節流制冷器的部件匹配和調控。

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EXPERIMENTAL RESEARCH ON GASCONSUMPTION OFA JOULE-THOMSON COOLER FOR IR-DETECTORS

LIJia-peng1，CHEN Xiao-ping1，CHEN Jun1，LIU Ying-wen2，LIU Xin2
（1.Kunm ing Institute of Physics，Kunm ing，Yunnan650223；2.MOE Key Laboratory of Thermal-Fluid Science and Engineering，Schoolof Energy&Power Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an710049）

With the advantages of small size，lightweight，high reliability，quick startand the cold end w ithoutmoving part，m iniature JT cryocooler isw ildly applied in infrared seeker.Gas consumption is different for different types of JT cooler.The volume，weight，working time of an infrared seeker bottle is determined by a JT cryocooler'sgas consumption.We have done some experimental research on Gas consumption about four kinds of Joule-Thomson Cooler in differentcondition.Some advicesare supplied for differentengineering applicationsby the research.

miniature J-T cryocooler；gas consumption；IR-detectors

TB65

A

1006-7086（2016）03-0148-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.03.005

2016-02-24

李家鵬（1980-），男，云南大理人，博士研究生，主要從事微型低溫制冷研究。E-mail:27285385@qq.com。