节流孔至冷头距离对制冷器启动时间的影响

郭祥祥,王海先

(中国电子科技集团公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

快速启动制冷器是快速启动探测器的重要组成部分,负责为探测器提供低温环境。快速启动制冷器的启动时间,决定了探测器的响应速度,是红外探测系统的一个重要指标[1-2]。优化快速启动制冷器设计,缩短启动时间,成为了快速启动探测器设计的重点。

目前,已有不同学者从多个角度对优化快速启动制冷器设计、缩短其启动时间进行了相关研究。李秀强[2]等测试了一种两级制冷的快速启动制冷器的启动时间,在35 MPa的氮气管道气下,启动时间为2.4 s。王伟涛[3]指出在制冷器毛细管和外壳配合间隙尽可能多地缠绕棉线,可以控制气体体积膨胀、隔绝热环境,从而缩短启动时间,另外调节节流孔大小、增加导热管圈数也有助于改善制冷器制冷能力。仰叶[4]等对锥形快速启动制冷器的换热器肋片形状、高度、厚度和节距进行了优化,同时控制节流孔的大小、形状和表面质量并对气体工质进行纯化来提升制冷性能,在35 MPa氩气的条件下,探测器组件降温至90 K所用时间为6 s。徐海峰[5]等选用了一种双层锥形快速启动制冷器进行了测试,在45 MPa氩气的100 mL钢瓶的测试条件下,探测器芯片温度降至100 K所需时间为7.21 s。

关于节流孔至杜瓦冷头距离对快速启动探测器启动时间的影响较少有学者进行研究。本文对不同节流孔至杜瓦冷头距离下的探测器启动时间进行了研究,对优化快速启动制冷器设计提出了改进建议。

2 快速启动制冷器设计

快速启动制冷器的启动时间和降温过程的驱动力有关,这种驱动力使高压气体节流降温,并推动高压和低压工质进行热量交换,最终使制冷器冷却到温。该驱动力可以用等焓积分节流效应描述。假设工质由状态1等焓节流至状态2,则该过程的温度变化总量为ΔTh,即:

(1)

式中,P1、P2为节流前后工质的压力;αh为微分节流效应。该式表明等焓积分节流效应和工质节流前后的压力有关。一般地说,节流前压力越高,等焓积分节流效应越明显。另外,等焓积分节流效应和等温节流效应也有一定的关系,即:

(2)

式中,ΔhT为等温节流效应;cp0为低压下气体的定压比热。式(2)表明,等温节流效应越大,等焓积分节流效应也就越大。对于纯工质,等温节流效应和工质的沸点温度可用范德瓦尔斯方程描述,即:

(3)

式中,Tb为工质沸点温度,工质沸点温度越高,等焓节流效应越明显,降温更快[1]。综合考虑气源压力和制冷工质成分对启动时间的影响,本文选用了氩气和氮气两种工质,在15～35 MPa的工作压力范围内对启动时间进行研究。

目前较为常见的制冷器芯柱结构有两种:圆柱形和锥形。快速启动红外探测器系统对系统集成度有着较高的要求。在热交换器换热面积一定的条件下,锥形芯柱结构要比圆柱形芯柱结构轴向更短,从而更有利于系统集成。本文的制冷器芯柱采用锥形结构。

热交换器是快速启动制冷器的核心组成部分,其换热效率及管内工质流量对启动时间具有决定作用。双层热交换器比单层热交换器具有更大的换热面积,管内工质可被预冷的更加充分。三层热交换器虽然换热面积大于双层热交换器,但其管内流通面积小于双层热交换器,瞬时流量更小[6]。综合来看,双层热交换器结构更有助于降低启动时间,本文制冷器选用双层热交换器结构。

制冷器热交换器喷液段固定在一不锈钢支柱上,通过调整支柱的长短,可改变节流孔至杜瓦冷头的距离。如图1所示,本文选择了两种不同长度的支柱,制冷器与探测器互配后,节流孔至杜瓦冷头的距离分别为7.86 mm和1.36 mm。

制冷器节流孔通过激光打孔的工艺制成,节流孔直径均为0.06 mm,在20 MPa氩气恒压条件下测试制冷器空载流量如表1所示,均在24 g/min左右。Martin H[7]给出了节流孔直径为D,以滞止点为圆心、半径为r的圆内,节流孔至被冲击表面距离为H的对流换热系数经验关联式,即:

(4)

该关联式中,实验验证范围为2≤H/D≤7.5。对于快速启动制冷器,考虑到增大节流效应并提高气瓶维持时间,节流孔往往不大,对于本文的研究对象,H/D在22.7～131之间,超出了已有经验关系式应用范围。因此,本文主要采用试验方法研究节流孔至杜瓦冷头的距离对启动时间的影响。

表1 20 MPa恒压氩气条件下制冷器流量Tab.1 Mass flow rate of cryocooler using argon under 20 MPa constant pressure

图1 制冷器支柱高度设计Fig.1 Prop height design of cryocooler

3 实验研究

实验所用的探测器杜瓦组件搭载了锑化铟芯片,测试气源为恒压氩气、氮气,测试压力在15～35 MPa之间。测试气源为氩气时,启动时间为芯片温度由室温降至87 K所需的时间；气源为氮气时,启动时间为芯片温度由室温降至77 K所需的时间。测试结果见图2、图3。

测试结果显示,节流孔至杜瓦冷头距离更近的S2制冷器在整个压力测试范围内,启动时间均快于S1制冷器。使用氩气工质时,20 MPa是一个拐点压力。压力在20 MPa以下时,提升测试压力,启动时间将快速缩短。但压力在20 MPa以上时,通过提高压力来缩短启动时间的效益将明显减少。同时,20 MPa也是两种制冷器启动时间差的拐点压力。在20 MPa以下时,通过缩短节流孔至杜瓦冷头的距离,能明显地缩短启动时间,且压力越低,这种效果越明显。但压力在20 MPa以上时,随着压力升高,两种制冷器的启动时间差几乎没有明显差别,在2 s左右。

当制冷工质为氮气时,30 MPa是拐点压力。在30 MPa以下时,因节流孔至杜瓦冷头距离不同导致的启动时间差可达数十秒,甚至影响到制冷器启动。当压力在15 MPa时,节流孔至杜瓦冷头距离较远的S1制冷器无法启动,而S2制冷器可以在75.22 s启动。当压力高于30 MPa时,因节流孔至杜瓦冷头距离不同导致的启动时间差稳定在10 s左右。

图2 制冷器使用氩气气源时的启动时间Fig.2 Start-up time of cryocooler with argon supply

图3 制冷器使用氮气气源时的启动时间Fig.3 Start-up time of cryocooler with nitrogen supply

比较相同制冷器在氮气和氩气两种气源条件下的启动时间可以发现,工质组分对启动时间的影响更为显著。节流孔距离杜瓦冷头距离更近的S2制冷器,氮气启动时间几乎是氩气的3倍,而对于S1制冷器,这种差异更加明显,在压力为17.5 MPa时,氮气启动时间是氩气的6.7倍。因此,快速启动制冷器设计时,还应注意制冷工质的选用,在满足探测器所需的制冷温度的前提下,选择沸点较高的制冷工质,制冷器启动越快。

4 结 论

随着红外探测器芯片集成度的提高,系统对制冷器的体积和启动时间提出了更为苛刻的要求。能够在较短时间内启动的节流制冷器更容易受到红外探测器探测系统的欢迎。在对快速启动制冷器设计时,应适当地缩短节流孔至杜瓦冷头的距离以缩短探测器启动时间。尤其是在氩气气源供气压力低于20 MPa、氮气气源压力低于30 MPa时,较短的节流孔至杜瓦冷头的距离对启动时间的改善更为明显。