提高波紋管式制冷器穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)

韓蓬磊，李 勉

(華北光電技術(shù)研究所，北京 100015)

提高波紋管式制冷器穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)

韓蓬磊，李 勉

(華北光電技術(shù)研究所，北京 100015)

針對(duì)波紋管式自調(diào)節(jié)流制冷器普遍存在穩(wěn)定性差的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)此類制冷器最核心的部件——波紋管自調(diào)機(jī)構(gòu)的受力分析，對(duì)制冷器的預(yù)留位移量這個(gè)核心參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了制冷器的自調(diào)能力，從設(shè)計(jì)上避免制冷器不自調(diào)或流量變化現(xiàn)象的發(fā)生，改善了長(zhǎng)期困擾自調(diào)式制冷器的間歇性噴液現(xiàn)象，提高了制冷器的穩(wěn)定性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了論證。

波紋管;穩(wěn)定性;自調(diào);制冷器;預(yù)留位移

1 引 言

波紋管式自調(diào)節(jié)流制冷器目前在紅外探測(cè)器中的應(yīng)用已較為廣泛。然而，此類制冷器普遍存在穩(wěn)定性差的問(wèn)題，這主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是存放或是使用一段時(shí)間以后流量在一定程度上會(huì)發(fā)生變化;二是制冷器到達(dá)低溫以后會(huì)出現(xiàn)間歇性噴液現(xiàn)象，即閥針關(guān)閉以后會(huì)突然打開(kāi)，使得制冷器流量突然增大，導(dǎo)致探測(cè)器的二極管電壓突然降低。而紅外探測(cè)器恰恰對(duì)穩(wěn)定性的要求特別高，所以這就對(duì)此類制冷器在紅外探測(cè)器中的應(yīng)用帶來(lái)了一定的隱患。造成這種現(xiàn)象的主要原因包括，波紋管的材料、制作工藝、使用不當(dāng)以及設(shè)計(jì)上的問(wèn)題［1］，通過(guò)設(shè)計(jì)上的優(yōu)化可以在一定程度上減弱甚至是避免波紋管自身對(duì)制冷器穩(wěn)定性的影響。而制冷器的眾多設(shè)計(jì)參數(shù)中，波紋管與傳動(dòng)桿焊接時(shí)的預(yù)留位移量是最核心的參數(shù)，對(duì)制冷器穩(wěn)定性地提高起著至關(guān)重要的作用。

2 波紋管制冷器自調(diào)機(jī)構(gòu)

圖1 波紋管制冷器自調(diào)機(jī)構(gòu)示意圖

在波紋管制冷器的制作過(guò)程中，波紋管與傳動(dòng)桿焊接時(shí)有一定的預(yù)留位移(如圖2所示)，然后向波紋管所在的充氣腔內(nèi)充入一定量的高壓氣體，使波紋管壓縮，此時(shí)制冷器的閥針相對(duì)節(jié)流孔處于打開(kāi)狀態(tài)。制冷器啟動(dòng)后，從節(jié)流孔噴出液氮，充氣腔內(nèi)的壓力迅速降低，從而使波紋管拉伸，帶動(dòng)傳動(dòng)桿及閥針下移，針尖伸入節(jié)流孔內(nèi)，使節(jié)流孔變小甚至關(guān)閉從而控制了出液量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣體流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)［2－3］。

圖2 充氣前后預(yù)留位移表征示意圖

從波紋管制冷器的自調(diào)機(jī)理不難看出，制冷器的制作過(guò)程中波紋管與傳動(dòng)桿焊接時(shí)的預(yù)留位移量對(duì)制冷器最終的自調(diào)性能有著直接的影響。

3 預(yù)留位移量的設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)留位移量的初步確定

3.1.1 波紋管自調(diào)機(jī)構(gòu)受力分析

波紋管自調(diào)式制冷器的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)受力分析示意圖如圖3所示。

圖3 自調(diào)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)過(guò)程受力分析示意圖

圖中，F(xiàn)為波紋管釋放的彈力;F'為閥體對(duì)傳動(dòng)桿的反作用力;Fg為充氣腔內(nèi)氣體對(duì)波紋管的作用力;Fk為節(jié)流孔噴出氣流對(duì)閥針的作用力;f為自調(diào)過(guò)程中的摩擦力。

假設(shè)背壓為1bar，制冷器啟動(dòng)的后半階段，充氣腔內(nèi)壓力降低，波紋管伸長(zhǎng)，傳動(dòng)桿帶動(dòng)閥針下移，針尖伸入節(jié)流孔內(nèi)，使節(jié)流孔變小甚至關(guān)閉。在制冷器低溫穩(wěn)定以后，存在如下關(guān)系式，即:

式中，H為閥針相對(duì)節(jié)流孔的初始開(kāi)度;H'為低溫穩(wěn)定后閥針相對(duì)節(jié)流孔的開(kāi)度，接近5μm。

以上各式中，F(xiàn)k與f的值較難確定，從嚴(yán)格意義上講，F(xiàn)k的值應(yīng)為閥針錐面與柱面部分，壓差分布的曲面積分以及氣流對(duì)閥座的作用力之和。表示為:

這里作如下簡(jiǎn)化:假定節(jié)流孔被完全關(guān)閉，則氣體對(duì)閥針的作用力近似為管道內(nèi)氣體對(duì)節(jié)流口的內(nèi)壓力，可視為Fk的最大值。表示為:

式中，p1為節(jié)流前氣體壓強(qiáng);S'為節(jié)流口截面積。

而f的隨機(jī)性較大，但是實(shí)際情況下，如果裝配時(shí)能夠嚴(yán)格控制工藝過(guò)程，f的相對(duì)量級(jí)也會(huì)較低，可以忽略不計(jì)。

3.1.2 預(yù)留位移量的初步確定

從式(1)可以看出，如果傳動(dòng)桿與波紋管焊接時(shí)預(yù)留位移量較小，在制冷器工作過(guò)程中，式(1)中左邊項(xiàng)始終小于右邊項(xiàng)，也就是說(shuō)波紋管的最大彈力不足以抵消啟動(dòng)過(guò)程中充氣腔內(nèi)氣體壓力以及氣流對(duì)閥針的作用力，就會(huì)出現(xiàn)無(wú)法自調(diào)或是自調(diào)后穩(wěn)定流量較大的現(xiàn)象，無(wú)法滿足使用要求，即:

為了便于定量計(jì)算，在這里取極限情況進(jìn)行分析，即制冷器已噴出大量液氮。此時(shí)，充氣腔內(nèi)氣體已被充分冷卻，充氣腔內(nèi)氣體基本處于飽和狀態(tài)，氣體參數(shù)符合飽和氣體狀態(tài)方程，氣體的飽和蒸汽壓p與溫度呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。氣體對(duì)閥針的作用力取最大值Fkmax，忽略摩擦力f。式(6)可簡(jiǎn)化為:

所以，為了保證波紋管自調(diào)機(jī)構(gòu)的正常工作，要滿足以下關(guān)系式，即:

波紋管的預(yù)留位移量需滿足:

3.2 優(yōu)化預(yù)留位移以提高制冷器的穩(wěn)定性

雖然滿足式(9)的要求，制冷器便可以自調(diào)，但是自調(diào)式制冷器還普遍存在存放或是使用一段時(shí)間以后流量發(fā)生變化和間歇性噴液現(xiàn)象，原因之一就是波紋管的力平衡關(guān)系發(fā)生變化。要解決這一問(wèn)題，可以在制冷器的設(shè)計(jì)中預(yù)留一定的預(yù)緊力，當(dāng)受力關(guān)系發(fā)生變化時(shí)，僅僅改變了平衡后預(yù)緊力的大小，而閥針位移未發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)制冷器流量的穩(wěn)定。

同時(shí)，由于預(yù)緊力的引入，波紋管調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的力學(xué)平衡關(guān)系也發(fā)生了相應(yīng)的變化，需要對(duì)預(yù)留位移量的設(shè)計(jì)參數(shù)做進(jìn)一步地討論，將式(1)變形為:

欲使制冷器流量穩(wěn)定，可使式(10)等號(hào)右邊項(xiàng)大于左邊項(xiàng)，也就是說(shuō)令自調(diào)驅(qū)動(dòng)力大于自調(diào)阻力，那么兩者之差即為預(yù)緊力T，可表示為:

假設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)即預(yù)存相當(dāng)于針閥開(kāi)度變化Δ的預(yù)緊力，則當(dāng)波紋管或者其他因素引起自調(diào)機(jī)構(gòu)受力關(guān)系發(fā)生變化時(shí)，相當(dāng)于僅僅改變了系統(tǒng)平衡時(shí)剩余預(yù)緊力的大小，而針閥的開(kāi)度未發(fā)生改變，從而維持了流量的穩(wěn)定，即式(11)演化為:

其中，Δ的大小可以參考波紋管的殘余變形量來(lái)確定。

結(jié)合以上各式，式(12)可展開(kāi)為:

由此可得，預(yù)留位移量應(yīng)滿足:

從設(shè)計(jì)角度講，只要實(shí)際的預(yù)留位移量滿足上式的制冷器，均可以認(rèn)為制冷器具有較好的自調(diào)性能以及流量的穩(wěn)定性。同時(shí)，應(yīng)考慮波紋管自身的性能限制，預(yù)留位移量不能大于波紋管的公稱位移(一般在1 mm以內(nèi))，否則波紋管有可能會(huì)失效，喪失自調(diào)能力。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 制冷器正向設(shè)計(jì)論證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證以上的參數(shù)設(shè)計(jì)理論，取波紋管的截面積S為4.5mm2，節(jié)流孔面積S'為0.03mm2，工藝參數(shù)H為0.15 mm，Δ參考波紋管的殘余變形量為0.05 mm，調(diào)節(jié)器漏氣速率Q為1×10－10Pa·m3/s，充氣腔總?cè)莘e為700 mm3，設(shè)計(jì)壽命為15年，同時(shí)充氣工質(zhì)為氮?dú)狻t由式(9)可求出預(yù)留位移X0應(yīng)該大于0.29 mm，再結(jié)合式(15)，修正后的X0應(yīng)該大于0.49 mm，在進(jìn)氣壓力為20 MPa下做如下論證實(shí)驗(yàn)。

(1)按照不同的預(yù)留位移量和充氣壓力，制作4只制冷器，如表1所示。

表1 制冷器相關(guān)參數(shù)

(2)將01～04這四只制冷器，分別進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 制冷器測(cè)試結(jié)果

結(jié)合表1和表2可以看出，只要制冷器的預(yù)留位移量滿足式(15)的要求，就能具備較好的自調(diào)能力;相反，制冷器的自調(diào)能力會(huì)明顯不足。所以，按照本文的指導(dǎo)選擇合理的預(yù)留位移，是保證制冷器最終自調(diào)性能的關(guān)鍵。

4.2 問(wèn)題制冷器的處理論證實(shí)驗(yàn)

為了使出現(xiàn)問(wèn)題的03、04兩只制冷器能夠正常自調(diào)，滿足使用要求，根據(jù)本文的指導(dǎo)，可以增大制冷器的預(yù)留位移。但是從圖2中可看到，波紋管與傳動(dòng)桿焊接面被封死在充氣腔內(nèi)部，所以在正式的制冷器產(chǎn)品中，預(yù)留位移是無(wú)法調(diào)整的。在此，為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的，采取非常規(guī)手段，將閥體的位置上移0.3 mm，以這種方式來(lái)增大制冷器的預(yù)留位移量。將處理過(guò)的03、04兩只制冷器重新進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 處理過(guò)的制冷器測(cè)試數(shù)據(jù)

從測(cè)試結(jié)果看，預(yù)留位移量增大0.3 mm后，相應(yīng)制冷器的不自調(diào)現(xiàn)象得到明顯改善。證明了合理的預(yù)留位移是決定制冷器自調(diào)能力的關(guān)鍵因素，與4.1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互呼應(yīng)。

4.3 改善制冷器間歇性噴液現(xiàn)象的論證實(shí)驗(yàn)

目前波紋管式自調(diào)制冷器的設(shè)計(jì)中，普遍沒(méi)有考慮預(yù)緊力的存在，只是以式(9)為指導(dǎo)。那么，根據(jù)實(shí)驗(yàn)4.1中的條件可以得到，預(yù)留位移量X0只需大于0.29 mm。那么，對(duì)比04與01這兩只制冷器在自調(diào)完成并到達(dá)低溫后的二極管電壓隨時(shí)間的變化曲線(如圖4所示)可以看出，04號(hào)制冷器對(duì)應(yīng)二極管的電壓波動(dòng)較大。這是由于制冷器的流量忽大忽小，存在間歇性噴液的現(xiàn)象，導(dǎo)致了二極管的溫度不穩(wěn)定而造成了電壓的波動(dòng)。01號(hào)制冷器則是由于預(yù)留位移的設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)緊力的存在，使得制冷器流量較為穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)間歇性噴液的現(xiàn)象，從而使探測(cè)器的穩(wěn)定性也得到提高。

圖4 二極管電壓隨時(shí)間的變化曲線圖

5 結(jié) 論

波紋管式自調(diào)節(jié)流制冷器普遍存在的穩(wěn)定性較差的問(wèn)題，可以從設(shè)計(jì)上得到很好地改善。制冷器自調(diào)能力的強(qiáng)弱，取決于設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留位移量的大小。通過(guò)對(duì)波紋管自調(diào)機(jī)構(gòu)中預(yù)留位移這個(gè)核心參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使波紋管式自調(diào)節(jié)流制冷器的穩(wěn)定性得到顯著提高，在保證了長(zhǎng)時(shí)間使用或存放后流量穩(wěn)定性的同時(shí)，間歇性噴液現(xiàn)象也得到了明顯地改善，本文對(duì)實(shí)際參數(shù)的選取具有重要的指導(dǎo)性意義。

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Design of the stability of self-regulated crycooler w ith bellows

HAN Peng-lei，LIMian
(North China Research Institute of Electro-optic，Beijing 100015，China)

Aiming at the problem of poor stability of self-regulated crycooler with bellows，through the force analysis of self-regulated structure ofbellows，the reserved displacement is optimally designed which is the core components of the self-regulated crycooler with bellows.Self-regulation ability of the crycooler is enhanced.Mis-function of self-regulating and flow rate changing of the crycooler are avoided by design.The phenomenon of intermittent hydrojet of the self-regulated crycooler is improved.The stability of this crycooler is improved observably，which is verified through experiments.

bellows;stability;self-regulating;crycooler;reserved displacement

TN216

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.010

1001-5078(2014)04-0395-04

韓蓬磊(1986－)，男，本科，工程師，主要從事快啟動(dòng)式制冷器，雙工質(zhì)制冷器以及波紋管自調(diào)式制冷器的研究。E-mail: 368374355@qq.com

2013-08-21;

2013-09-01