一种锥形自调式J-T制冷器

徐庆松,聂雪莲,李进武

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

红外导引系统广泛应用于导弹武器系统中,其核心元件——探测器芯片需要冷却到110 K以下才能正常工作。目前红外导引头中的焦平面探测器组件中采用的制冷方式主要是斯特林制冷机和J-T制冷器两种。斯特林制冷机具有应用范围广、制冷量大(1～10W)[1],仅用电就可满足全天候作战需求,但是体积大、结构复杂,降温时间长(3～10 min)。但J-T制冷器具有体积小、重量轻、降温速度快(几秒～几十秒)、生产成本低等优点,此应根据不同的应用需求选择不同的制冷方式。

J-T制冷器不仅为红外导引系统提供低温环境,还与导弹部分性能指标密切相关,J-T制冷器的降温速度决定了导弹的反应时间,目前能够满足导弹系统快速制冷要求,尤其是数秒级别的,只有J-T制冷器能够做到。同时J-T制冷器的稳定工作流量决定了导弹的飞行时间。随着红外焦平面探测器的广泛应用,凝视焦平面探测器的热质量比单元探测器大一个数量级,热负载大50 %～100 %(单元探测器约100～125 mW)[2],同时由于红外导引头内部空间有限,制冷器与杜瓦结构的研究在逐步向短小化、集成化方向发展,因此如何实现焦平面探测器芯片快速降温、延长导弹的工作时间、制冷器体积小巧,成为J-T制冷器永恒的追求。

2 锥形J-T制冷器

在2003年,国外就已经报道了采用锥形结构实现快速降温的目的。锥形J-T只制冷器在轴向长度减少的同时,利用径向空间使热交换器的面积不变甚至增加,从而增加热交换器的换热面积,实现快速降温[3],锥形J-T制冷器实物如图1所示。

图1 锥形J-T制冷器实物图

目前国内应用最广泛的小型红外探测器是15 μm中心间距128×128中波红外焦平面探测器,探测器结构示意图如图2[4]所示,该探测器组件主要由探测器芯片、杜瓦和锥形J-T制冷器三部分组成。探测器的长度不到40 mm,只有普通红外焦平面探测器一半。总体要求降温时间不大于5 s@110 K,目前有多家单位完成了该红外焦平面探测器组件用的J-T制冷器,据可查的公开文献,2015年4月,中国电科十六所徐海峰报道探测器降温时间6.86 s@100 K[5];2021年4月,中国电科十一所魏巍报道探测器降温时间4.1 s@110 K[6];2021年6月,武汉高芯科技有限公司李晓永报道,探测器降温时间4.57 s@100 K[7]。

图2 探测器结构图

各个研究单位/公司研制的锥形J-T制冷器所采用的结构方式基本一样,只是由于各个单位的焦平面探测器杜瓦内部结构和与J-T制冷器连接方式略有不同,导致J-T制冷器外形稍有差异,如图3所示。均采用锥形结构作为J-T制冷器的芯柱,换热器采用立式矩形翅片结构,如图4所示[7],双层热交换器均匀缠绕在锥形芯柱上。

图3 不同研究单位的锥形J-T制冷器双层结构实物图

图4 立式矩形翅片结构

3 锥形自调式J-T制冷器

通过几年的不断研究探索,锥形J-T制冷器的制做工艺已经较为成熟,配合红外焦平面探测器组件得到了较好的应用,目前中国电科十一所研制的红外焦平面探测器组件常温降温时间普遍可以达到3 s@100 K以内的水平。但是该款锥形J-T制冷器的流量极大,一般为40 l/min@42 MPa左右;而制导系统中的气瓶容积有限,无法保证长时间工作,一般只能维持140 s左右的时间,在一定程度上限制了该款J-T制冷器的应用范围。

如果将自调机构植入锥形J-T制冷器结构中,将大大降低其稳定工作时的工作流量,在相同气瓶条件下,红外探测器组件稳定工作时间可以延长数倍甚至数十倍。早在2012年之前,中国电科十一所就已经设计出一款锥形自调式J-T制冷器[8],该款产品是国内首款采用固体低温形变原理研制而成的自调式J-T制冷器,填补了国内空白。但是该款锥形自调式J-T制冷器由于自调机构中阀针在降温自调运动过程中行程极短,只有几十个微米,因此制造难度较高,成品率较低;同时使用介质气体压力较高,通常50 MPa以上才有较好的效果;另外无法交叉使用气体,否则会导致自调机构失效。这样就对国内用户使用造成极大的限制,使用成本较高。即使是现在,能满足其工作条件要求的导弹导引头用户也是不多的。

因此,本文设计开发了一款微型波纹管型自调机构装入锥形J-T制冷器中,解决了上述难题。波纹管型自调式制冷器的工作原理是利用一定体积的密封气体压力随着温度的变化而变化,通过波纹管带动传动机构和阀针控制节流孔的大小,实现对工作流量的改变,结构示意图和实物图如图5、图6所示。

图5 锥形自调式制冷器示意图

图6 锥形自调式制冷器实物图

该款锥形波纹管型自调式J-T制冷器有如下几个优点:

(1)通过调整充气腔内的压力和波纹管力学性质得到理想的自调温度点,提高制冷器的制冷时间;

(2)压力适应范围较广,15～50 MPa均可以使用;同时常用的J-T制冷器应用工质——氮气、氩气均能够正常工作,基本可以满足不同用户的多种应用工况;

(3)不改变锥形J-T制冷器的外形尺寸和接口方式,探测器组件不需要做任何改变,用户使用体验良好。

(4)成本较低。目前J-T制冷器自调机构中应用最广泛的自调元件就是波纹管,国内生产工艺稳定、成熟,能够保证供应产品的质量和数量。

4 测试结果

为了更好对比自调式与非自调制冷器的性能上的区别,选择具有代表性的两种J-T制冷器各一只,测试用的红外焦平面探测器杜瓦组件为文献[6]中的结构,且以下测试数据均为同一只红外焦平面探测器杜瓦组件的测试结果。该杜瓦组件的测温二极管电压与温度的对应关系如表1所示。通过测量二极管电压值即可以得到该位置对应的温度值。

表1 测温二极管电压值与温度值的对应关系

4.1 降温时间对比

测试条件为180 mL气瓶,压力为50 MPa,气体为高纯氩气。测试曲线如图7所示,降温时间结果见表2。从测试结果上,我们可以看出,非自调制冷器降温时间要优于自调试制冷器,降至100 K的时间要快约0.6 s,这是由于非自调制冷器采用双层热交换器结构,换热面积大,从而降温时间更快。但是自调式制冷器的降温至100 K的时间也达到了4 s以内。

表2 两种制冷器的降温时间(单位:s)

图7 两种制冷器的降温曲线

4.2 工作时间对比

测试条件与上相同,从工作曲线我们可以很清楚的看出,自调式制冷器的工作时间要远远优于非自调式制冷器,非自调式制冷器的工作时间一般为140～160 s;而自调式制冷器可以达到20 min以上。从图8(b)中,可以看出20 min后,180 mL气瓶的压力还剩余25 MPa左右,依然可以继续维持制冷状态。

图8 两种制冷器工作时间曲线

图9为自调式制冷器稳定工作时温度稳定性的曲线,从图上可以看出,只有在最初的几分钟有一定的温度波动,但是波动值也不大,仅为0.7 K(电压值变换1.18 mV),而后面的温度波动就极小了不到0.3 K。可以很好的满足红外焦平面探测器芯片对温度稳定性的需求。

图9 温度稳定性

4.3 不同压力、气体品质下的测试情况

J-T制冷器常用的工作介质为氩气和氮气,同时红外探测器的用户的高压设备能力也不同,该款制冷器能够很好的满足不同用户的使用条件。选取40 MPa、30 MPa、20 MPa恒压氩气和30 MPa、20 MPa恒压氮气进行测试,不同条件下的降温曲线如图10所示,实际测试结果见表3。可以看出,在各个条件下,该款制冷器均能实现自调工作,在各个压力下能够小流量稳定工作,且稳定流量基本相当。这就给红外探测器的用户很好的选择,氮气、氩气两种气体均可使用;同时在不需要快速降温只需要对红外探测器性能进行测试,以及进行光学、电学性能调试时,只需要较低的气体压力或者即可,降低用户使用成本。

表3 不同压力条件下的降温时间

图10 Cooling time curves under different pressure conditions

5 结 论

本文介绍了一款中国电科十一所研制的锥形自调式J-T制冷器,该制冷器结合了锥形制冷器降温速度快、长度短和自调式制冷器工作流量低、制冷温度深两方面的优势,解决了原有锥形自调式J-T制冷器对压力、气体品质使用条件的限制,大大拓宽了该类型制冷器的应用场景,未来可以广泛应用于地对空、舰载、机载等多种导弹系统。