锥形自调式节流制冷器的应用研究

　　1 引 言

　　节流制冷器通常分为自调式和快速启动式两大类，而自调式节流制冷器通常采用波纹管、形状记忆合金等作为调节控制元件组成自调结构。

　　随着红外技术的发展，自调式节流制冷器被应用于128元×128 元为代表的红外焦平面探测器组件中，日趋成熟，并逐步应用于各类武器系统中。

　　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[1]。波纹管和形状记忆合金型自调式节流制冷器已不能完全满足红外焦平面探测器组件的应用[2]。需要研究一款相对短小，装调简单，能够兼顾快速启动与自动调节流量的制冷器。

　　2 新型自调式节流制冷器的理论分析

　　2. 1 设计思路

　　在有限的应用空间内，设计了一款结构简单，性能兼顾快启动和自调两大功能的新型节流制冷器。通过材料本身在低温下变形缩小，在常温或高温范围(60 ℃) 内恢复原状，以形成位移量，达到控制流量的目的。

　　2. 2 制冷器理论模型的设计建立

　　结合应用需求，制冷器总体形状为锥形结构，通过建立制冷器结构热固耦合模型，进行理论分析与计算。根据制冷器结构的实际工况，建立阀体、阀针以及外面支撑芯柱的几何模型和有限元模型如图1、图2 所示。热分析的边界条件为阀体部分表面以及外面支撑芯柱的上顶面温度为-186 ℃，支撑物的底部为常温27 ℃。

　　2. 3 制冷器零件材料属性设定

　　选用制冷器零件材料属性主要考虑线膨胀系数，弹性模量，导热系数等指标。零件材料选用过程复杂，不过多陈述，下面选用几种典型材料进行建模分析，如表1 所示。

　　2. 4 理论计算结果

　　芯柱(支撑结构) 线膨胀系数为40×10^-6/ ℃ 时的计算结果。从图3 可以得到阀针和阀体口的穿透量大于0.2 ×10^-4m。从图4 可以看到，阀针与阀体口的整个圆弧均发生了穿透，因此可以推出实际中有接触的相互作用时，阀针和阀体口完全接触，没有间隙，可以起到密封气体的作用。

　　2. 5 理论模型设计分析结论

　　当整个结构由室温27 ℃达到工作状态的稳态时( 即顶部温度-186℃，底部27℃时) : 可以得出制冷器结构工作原理: 外面的芯柱( 支撑结构) 受冷收缩，带动固定在其上端的阀针架和阀针下移，从而堵住阀体口。虽然阀针和阀针架以及阀体部分受冷也会收缩，有使间隙加大的趋势，但是支撑物收缩带动阀针下移对于减小间隙起着主导作用[3]。

　　3 自研锥形自调式节流制冷器的试验结果及分析