影响自调式J-T制冷器启动时间的因素

　　1 引 言

　　J-T制冷器以其结构紧凑、体积小、质量轻、启动快等优点，已广泛应用于红外系统。根据有无自调机构，J-T制冷器可分为快启动式和自调式两大类，快启动式即为直喷型制冷器，多用于单元红外探测器组件，通常要求制冷系统的启动时间为3 ～5s。对于以InSb和HgCdTe为基础的第二代红外焦平面探测器组件，直喷型的快启动制冷器与自调式制冷器相比，不仅达不到更低的温度，而且达到同等温度所耗费的时间更长。因此，第二代焦平面探测器组件普遍采用自调式制冷器。自调式制冷器通常采用波纹管作为调节元件，根据被冷却组件温度的波动自动调节流量。

　　目前，国内波纹管型自调式J-T制冷器技术基本成熟，可以进行小批量生产。以中波320×256HgCdTe 红外焦平面探测器组件为例，80K 时，制冷器常温启动时间可以保证在40s以内。随着国内武器装备水平的快速发展，整机用户对红外探测器组件的指标要求越来越高。其中，对制冷器启动时间的要求达到: 常温启动时间<25s( 80K) ，高温启动时间<30s( 80K) 。因此，对自调式J-T制冷器启动时间的研究已迫在眉睫。

　　2 波纹管型自调式制冷器工作过程

　　如图1所示，波纹管型J-T制冷器主要由热交换管、节流机构、传动机构等部件组成。其工作过程包括三个阶段:

　　第一阶段: 波纹管自调前。此阶段属于强制流换热，高压气体经过热交换管在节流孔中发生等焓膨胀得到低压低温的气体，低压降温气体由杜瓦冷指与热交换管的空隙穿过，将热交换管中的高压气体冷却，如此循环降温对热负载进行冷却。第二阶段: 波纹管自调中。当喷口出现液态工质时，充气腔内气体迅速降温，压力降低，带动传动机构对节流孔出气量进行调节。这个阶段属于瞬态过程，理论上比较复杂，而实际意义不大，可不予考虑。

　　第三阶段: 波纹管自调后。自调后流量降低，制冷器工作处于稳定状态，冷指内积蓄液态工质，对芯片的降温属于热传导方式。

　　我们主要关注工作过程的第一阶段和第三阶段，第一阶段降温较快，降温时间与温度的关系基本成线性关系; 第三阶段降温时间较慢。

　　3 启动时间影响因素分析

　　当芯片与杜瓦条件确定后，单独对制冷器进行改进是工作的重点。本文仅对热交换管长度、压强、流量三个因素进行实验研究，通过分析实验现象加深对制冷过程的了解。

　　测试用组件为中波320×256HgCdTe红外焦平面正式组件，测试过程中记录测温二极管电压值，80K对应的测温二极管电压值为1.053V，测温二极管安装位置如图2所示。实验工质采用氮气，工作环境为常温20 ℃，进行对比实验的组件相同。