红外用微型节流制冷器耗气量实验研究

李家鹏，陈晓屏，陈　军，刘迎文，刘　鑫

（1.昆明物理研究所，昆明　650223；2.西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室，西安　710049）

红外用微型节流制冷器耗气量实验研究

李家鹏1，陈晓屏1，陈军1，刘迎文2，刘鑫2

（1.昆明物理研究所，昆明650223；2.西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室，西安710049）

微型节流制冷器具有体积小、重量轻、可靠性高、启动速度快、冷端无运动部件等突出优势在红外导引头中广泛应用。不同类型节流制冷器的耗气量不一样，节流制冷器耗气量的大小决定了弹上气瓶的体积、重量、工作时间等。对微型制冷器的耗气量进行了实验研究，对比分析了4种节流制冷器在不同条件下的耗气量，为节流制冷器在不同场合下为工程应用提供了参考。

微型节流制冷器；耗气量；红外探测器

0　引言

红外制导技术是当今制导武器系统的重点发展方向之一，也是我军急需的高新技术。红外制导导弹通常要求探测器在极短的时间内（几十秒甚至几秒）完成启动，要求制冷器启动时间短。微型节流制冷器利用高压气体的节流降温效应，最快在几秒的时间内就能将红外器件冷却到工作温度要求，并且整体体积远小于常规低温制冷机。自1955年，HoneywellHymatic首次将节流制冷器应用于军事领域［1-2］，当前国内外大部分的红外制导武器都采用节流制冷方式［3-5］。节流制冷属于开式系统，需要消耗制冷工质，工质多少决定节流制冷器的工作时长，即红外制导引头的寻导时间、飞行距离，因此节流耗气量（流量）是制冷器的重要指标之一。

制冷器工作过程可分为启动和稳定工作两个阶段。在启动阶段为满足快速降温的要求，需要大冷量尽快将探测器和制冷器本身寄生热负荷移除，需要较大制冷量和较高流量；而在稳定工作阶段，由于探测器热负荷较低，仅需要较小制冷量和较低流量。节流制冷器的流量主要决定于气瓶压力与节流结构形式。非自调结构耗气量（流量）无法根据负载需求而相应变化，耗气量较大；而自调结构可根据负载特性自适应调节节流孔尺寸，实现流量的自适应匹配和较低的耗气量。目前，开展非自调形式的节流制冷器的降温特性与流量关系研究较多，对于自调结构以及带预冷级的节流器研究相对不足。

拟对单级自调与非自调式节流制冷器以及带预冷级的自调与非自调式节流制冷器［6-7］的流量动态变化特性开展系统的实验研究，并比较和分析了各制冷器的流量变化特性，力求在启动时间和耗气量之间获得一个较优配置，为制冷器在工程应用提供参考。

1　实验系统

实验台主要由恒压气源或固定气瓶（根据不同的测试条件选择）、压力表、气体过滤器、真空杜瓦制冷器组件、测温二极管、恒流源、流量收集工装、质量流量计、流量与温度数据采集系统构成，具体如图1所示。其中真空杜瓦组件采用兵器211所生产的中波320×256焦平面探测器组件，杜瓦内冷指外壁装有贴片式测温二级管，最大绝对误差为0.2 K。流量计采用七星公司生产的质量流量计，测量时可自动转化为体积流量显示，精度为0.25 NL/min。基于Labview开发的数据采集系统，采集板卡最大采样速度为ms级，完全满足节流制冷器的动态性能及参数测试要求。

图1　实验平台示意图

单级节流制冷系统一般由高压气瓶、阀门、热交换器、节流阀、蒸发器构成（图2a），单级自调式和非自调式节流制冷器的区别在于节流装置是否可调。带有预冷级的节流制冷器，实际可以当作是两个独立的节流制冷器，用节流制冷器10（预冷级）来预冷节流制冷器11（制冷级）（图2b），以实现快速制冷的目的，带预冷级的自调式和非自调式的区别在于制冷级的节流装置是否可调。

图2　单级和带有预冷级的节流制冷器结构示意图

2　实验结果与分析

为了进一步探明自调与非自调节流制冷器的流量特性以及预冷对制冷性能的影响关系，分别开展了节流制冷器的流量随压力、气瓶容量大小及调节形式与预冷形式的动态变化关系的实验研究。

2.1恒压气源条件下节流制冷器的流量动态特性

图3是不同启动压力下（a）单级自调和（b）非自调节流制冷器的流量变化图。当高压侧压力保持不变的条件下，随着工作压力的升高，单级自调式节流制冷器和单级非自调式节流制冷器启动初期的耗气量都在上升，分析原因:在启动阶段，随着高压气体在节流制冷器内节流膨胀降温，使流经高压管路的工质温度逐渐降低，尽管高压侧由于流动阻力导致节流前压力有所降低，但温度降低导致密度增加远大于压力影响，因此节流前高压工质的密度随着温度降低而增加，如果忽略高压管路的压力降以及节流孔流量系数的变化，则通过节流孔的质量流量将增大，直到制冷器进入稳定工况运行。当节流制冷器达到负载工况要求后，非自调制冷器的气体流量进入相对稳定值；自调式节流机构会根据负载来自适应调节阀门开度，尽管高压侧压力保持不变，由于节流面积在达到负载工况后逐渐减小，导致制冷器流量逐渐降低，直到稳定，并且随着启动压力的增加，自调机构的动作时间也逐步前移，主要是因为启动压力越大，制冷器启动质量流量和制冷能力都大，对节流制冷器的无效热负荷进行冷却降温速度较快。比较三种启动压力下自调机构启动前耗气总量，由于制冷器的无效热负荷相同，三者比较相近。当自调机构启动后，由于负载热负荷不变，自调式节流制冷器的流量基本保持一致，稳定在2～3 NL/min之间。比较自调和非自调结构的性能，二者均满足了快速启动的需求，但在工况稳定后，非自调结构制冷器存在流量较高和冷量的过度浪费问题；而自调结构制冷器则有效的控制了流量，极大地节省了耗气量，有助于延长工作时间。但在工程设计中，降温启动时间是另一个关键性能参数。显而易见，非自调结构制冷器由于耗气量消耗大，降温时间要快于自调结构。

图3　不同压力下单级节流制冷器的工质流量变化图

2.2气瓶气源下节流制冷器的流量动态特性

图4为采用0.2 L气瓶气源条件下，（a）单级自调和（b）非自调节流制冷器的流量变化图。当气瓶为有限容量时，随着气瓶内气体的不断消耗，气瓶的压力逐渐降低，相当于起始高压压力在变化，在变压力下节流制冷器的启动特性与稳定工作特性与恒压力有较大差异。对于自调式节流制冷器，如图4 （a）所示，启动的最初阶段，气体流量先开始下降，气瓶初始压力不一致，出现了对于低于30 MPa气瓶压力下，气体流量逐渐降低，而高于30 MPa则呈现略微增加的现象。

图4　不同压力下有限气瓶单级节流制冷器工质流量变化图

分析原因:启动最初阶段，随着气瓶内气体消耗，气瓶压力逐渐降低，对于不同初始压力下，制冷器的流量呈现先下降的趋势。但随着节流制冷器自身热负荷被移除，整体平均温度逐渐下降，导致节流孔前高压侧工质密度逐渐增加，这有助于工质流量的提升；而气瓶压力下降则会导致节流前后的压差减小，可见节流前的密度与压力共同决定了流量的变化关系。当起始压力高于30 MPa时，密度变化的影响要略大于压差的影响，流量呈现略微升高的现象，当起始压力低于30 MPa时，由于压力下降太快，导致压差变化的影响要大于密度影响，流量持续下降。可以预测，随着气瓶容量的增大，该压力临界值会逐渐减小。当制冷器负载接近设定工况，自调结构开始动作，流量呈现快速减小，并最终达到稳定工况，流量均稳定在2～3 NL/min之间。但对于非自调结构，同样呈现类似于自调机构在启动初始阶段的现象，只是由于自调机构调节阀针的存在，导致其节流面积要略小于非自调节流面积，非自调结构的流量在相同初始压力下要大于自调结构流量，并且先下降后增加的现象不太明显。另外，由于非自调机构无法改变节流尺寸，当负载达到要求后，由于节流前后大压差的存在，导致工质流量呈现逐渐下降的趋势，当启动90 s后，四种不同起始压力下的制冷器流量比较接近，主要是由于气瓶经过90 s的气体消耗，气瓶内的工质压力基本上差别不大。比较气瓶条件有限容量下的自调和非自调结构的制冷器性能，二者均满足有效降温的需求，在负载工况稳定后，非自调结构仍存在流量较高和冷量过度浪费的问题；而自调结构则有效的控制了流量，极大的节省了耗气量，有助于延长工作时间。对于有限气瓶的应用设计，尽管非自调结构的降温时间快于自调结构，由于耗气量过大导致有效工作时长要小于自调机构。需要合理匹配降温启动时间和制冷有效工作时长的关系。

2.3气瓶容积对节流制冷器流量的影响

在实际的红外探测器冷却过程中，制冷工质气源不可能采用恒压气源，一般是固定容积有限气瓶。图5为启动压力相同（30 MPa），恒压气源和有限容积气瓶下，单级自调式节流制冷器（图5a）和单级非自调式节流制冷器（图5b）的流量动态变化图。

图5　不同气瓶容量下单级节流制冷器的工质流量变化图

对于非自调结构，由于高压气体供应量的差异，气瓶内的压力不像恒压气源恒定不变，气瓶压力随着系统运行逐渐降低，在工作初期，压力降低速率相对较慢，此时节流制冷器整体温度的降低改变了节流孔前的工质密度，导致流量维持近20 s的相对不变，随着气瓶压力的进一步降低，流量呈现逐渐下降的趋势；而恒压气源压力维持不变，在工作初期流量逐渐增加，待到系统平衡后，流量基本维持不变。对于自调式结构，无论是恒压气源或气瓶，均由于节流阀针的自调节，在系统达到稳定工况后，节流孔尺寸减小，使流量最终维持近似不变，由于自调机构的阀针仅感应温度变化，因此恒压气源压力高于有限容积，其稳定后的流量相对略高于气瓶。在一定的工作时间内，可以近似认为采用气瓶的节流制冷器的流量不变。另外，由于恒压气源的节流制冷器，最初启动时间内，气体流量大于有限气瓶，其制冷能力也较高，是自调机构启动时间优于有限气瓶的原因。

2.4预冷形式对节流制冷器流量及性能的影响

图6为采用0.2 L气瓶，启动压力为30 MPa时，四种节流制冷器的性能动态变化曲线。由于预冷级的引入，为制冷级降低了热负荷，加快了制冷级自身热负荷的消除，其启动降温时间也会明显快于单制冷级节流制冷器。由图6（a）可知，采用自调式节流装置，其流量均低于非自调形式，在一定时间内携带的制冷量也相对较小，系统达到设定工况所需时间也较长；由于预冷级的引入，改变了单级节流制冷器的流量特性，因此影响了降温时间，为了实现有效预冷，势必要消耗更多的工作介质，提供系统所需的预冷。采用预冷级的节流制冷器，降温时间比未采用预冷级的制冷器要快很多。由图6 （b）可知，采用预冷措施后，由于预冷级采用的是独立非自调的节流制冷器，系统的总流量要大于单制冷级节流制冷器。对于非自调结构，带预冷级系统的流量大约是不带预冷级的两倍。并且由于气瓶的容积有限，随着工作时间延长，气瓶内的压力逐渐降低，总流量呈现逐渐下降的趋势。对于自调式结构，由于达到冷负载的工况要求，自调机构自适应调节节流尺寸，导致流量出现下降趋势。由于预冷级给系统提供更多的冷量，带预冷的自调结构动作响应要早于单级自调装置，其总流量下降时间要早于单制冷级。但由于预冷级为非自调节流系统，故总流量较高。

图6　四种节流制冷器的温度与流量变化曲线图

3　结论

通过对单级自调与非自调式节流制冷器及带预冷级的自调与非自调式节流制冷器的流量动态变化特性的实验研究，比较和分析各制冷器的降温与流量变化特性，发现制冷器的启动时间从快到慢依次为带预冷级的非自调式、带预冷级的自调式、单级非自调式、单级自调式，同时系统所需的耗气量也依次减小。在实际系统设计中，需要根据工作时长，合理平衡启动时间、耗气量与气瓶容积之间的关系，进一步优化节流制冷器的部件匹配和调控。

［1］GiffordW E.Refrigeration to below 20 K［J］.Cryogenics，February1970:451-458

［2］Hansen R G.Current and projected state of Joule-Thomson cooling technology［C］//Aerospace/Defense Sensing and Controls.International Society for Optics and Photonics，1996: 200-208.

［3］王三煜.制冷器在导弹系统中的应用［J］.红外技术，2005，27（5）:399-402.

［4］徐庆松，崔戈.记忆合金在节流制冷器中的应用［J］.激光与红外，2014（8）:846-849.

［5］江庆，徐海峰，杨海明，等.一种节流制冷器的研制［J］.低温与超导，2012，40（12）:21-23.

［6］李家鹏，陈晓屏，陈军.微型节流制冷器启动时间的理论分析［J］.红外与激光工程，2009，38（1）:27-30.

［7］HingstUG.Fast-cool-down dualgasspray-cooler forpivoted IR detectors［C］//AeroSense2003.InternationalSociety forOpticsand Photonics，2003，5074:620-629.

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

李家鹏（1980-），男，云南大理人，博士研究生，主要从事微型低温制冷研究。E-mail:27285385@qq.com。