开式节流制冷技术在局部环境温度控制中的应用研究

唐小伟

（兰州物理研究所，真空低温技术与物理重点实验室，甘肃 兰州 730000）

1 引言

随着电子技术的飞速发展，电子设备的集成度越来越高，功能越来越复杂，随之带来的热量耗散问题也就越来越严重。对于飞行器设备舱内惯导装置等对环境温度极为敏感的精密机电一体化关键设备，环境温度将直接影响其工作精度。惯导内的陀螺在工作过程中，陀螺漂移的稳定性与温度之间存在很大关联，惯性器件温度的敏感性和平台内温度场都将对导航系统精度产生影响。平台温度场不均匀将影响平台支架的几何尺寸，从而影响惯性系统的工作精度。陀螺仪中挠性支撑杆的弹性模量随着温度的变化将会引起陀螺漂移变化。总而言之，温度的上升或者温度的大幅度波动都会引起陀螺漂移和平台系统工作精度的变化[1]。为了减少温度上升对惯性系统工作精度的影响，提高飞行器的命中精度，必须在飞行器封闭的设备舱内进行有效的环境温度控制，以避免在飞行过程中不断聚集的热量引起环境温度的过度升高。

2 开式节流制冷装置的结构及原理

开式节流制冷装置是应用于某飞行器前设备舱内的环境温度控制，它能够为惯导等关键设备提供适宜的工作环境温度。在飞行器发射前，部分电子设备已陆续开始工作。在飞行器发射时，前设备舱内已经聚集了一定的热量。飞行器发射后，随着飞行时间的增加，前设备舱内的环境温度会越来越高。如果在烈日等炎热环境下贮存并准备发射的飞行器，受环境温度的影响，飞行器在发射时，前设备舱内环境温度已能达到相当高的程度，因此有必要为飞行器前设备舱内惯导等关键设备进行环境温度控制。

当飞行器前设备舱内环境温度升高到一定程度后，开式节流制冷装置自动开启工作，将惯导周围的工作环境冷却，待温度降低后开式节流制冷装置停止制冷工作，完成一个降温循环。随后由于各种设备的继续工作，热量又不断得以累积，惯导周围的环境温度又重新逐步升高，开式节流制冷装置便开始下一个制冷循环。通过开式节流制冷装置不断的反复开关工作，使惯导在飞行器飞行全程中始终处于适宜的环境温度之内。

开式节流制冷装置利用了开式节流制冷效应进行工作。存储于制冷剂贮瓶内的高压液态制冷剂通过节流组件时，高压液态制冷剂的流速与压力显著下降，液态制冷剂极易产生体积膨胀，随后通过蒸发组件变为气态，完成相变过程，由此产生制冷效应。其工作原理如图1所示，对于开式节流制冷系统，制冷剂从状态1开始节流降压至状态2，随后等温等压汽化至状态3，并完全转化为气态工质，3－4为等压升温过程，因此开式节流制冷效应中冷量包括2－3过程中的液体汽化潜热和3－4过程中气态工质等压升温吸热两部分[2]。同其他制冷方式相比，开式节流制冷的特点是没有任何运动部件（无压缩机），因此结构简单、可靠性高，对于短时间内的制冷，开式节流制冷效应是最佳方案。

图1 制冷过程压焓图

用于飞行器前设备舱惯导环境温度控制的开式节流制冷装置结构如图2所示，高压制冷剂长期贮存于贮瓶1中，工艺阀2用于制冷剂的加注，电磁阀3控制制冷剂流动，温控仪5用于电磁阀控制，温度传感器用于监测舱内惯导周围环境温度并给温控仪提供温度信号。当环境温度达到温度设定上限时，温控仪控制电磁阀开启工作，高压制冷剂由节流组件4节流膨胀后通过蒸发器6膨胀产生制冷效应而使周围环境温度降低。当舱内惯导周围环境温度低于温度设定下限时，温控仪关闭电磁阀，制冷剂停止流动，制冷效应消失。由于惯导及其他负载的继续工作，周围环境温度很快随之上升，当惯导周围环境温度再次升高到开启温度点时该装置开始工作，如此循环，满足惯导的温控指标要求。

图2 开式节流制冷装置方案及工作原理

3 开式节流制冷装置性能分析

对于惯导等对环境温度极为敏感的关键设备，其工作环境温度必须稳定，首先是温度上限不能过高，其次是温度波动度不能太大。由于开式节流制冷方式制冷功率大，因此必须结合蒸发器与惯导的相对安装位置确定合理的温度上下限（即降温区间），这样既要保证惯导周围环境温度不能过高，又要保证惯导周围环境温度不能过低（温度波动度不能过大），合理的降温区间直接影响制冷剂的消耗量与制冷效果。

热性能试验是检测与验证开式节流制冷装置性能的主要环节，通过环境试验箱内密闭的模拟设备舱（内装有各种模拟热负载）模拟实际工况下的热性能试验。模拟设备舱应尽可能真实的模拟实际工作中设备舱内的复杂热环境，它由各种模拟热负载、热沉、对流发生器、温度监测装置等部分组成[3]。将开式节流制冷装置放进模拟设备舱内，按时间先后顺序开启各种模拟热负载进行热性能试验。整个试验过程分为3个阶段：

1）升温阶段：调节环境试验箱温度，并按照飞行器实际加电顺序先后开启各种模拟热负载。

2）保温阶段：由于热容的存在，需要一定的保温时间将试验中各个设备热透。

3）性能试验阶段：开式节流制冷装置加电工作，模拟实际热工况进行降温性能试验。

当性能试验阶段开始后，在各种模拟热负载的作用下，模拟设备舱内环境温度迅速上升。当温度升高到温控仪设定的温度上限后，开式节流制冷装置开始工作。由于电磁阀开启时温控仪需要提供较大的电流，因此从温控仪的工作电流可以清晰反映出所对应的每一次制冷循环（如图3所示）。

图3 温控仪工作电流-时间图

开式节流制冷装置开启工作后，各个监测点温度发生明显变化，舱内各点基本都能反映出由于降温所带来的温度变化，因此，开式节流制冷装置制冷效果非常明显。一般来讲，与蒸发器距离越近，温度变化越明显，温度变化区间越大，为了保证惯导周围环境温度基本稳定在一个合理的区间内，需要结合蒸发器与惯导安装的相对位置确定合理的温度上下限。

图4 惯导附近温度监测点-时间图

图4为惯导附近温度监测点的温度变化曲线，该曲线可以反映出开式节流制冷装置能够有效的避免惯导环境温度的持续升高。图5为蒸发器附近的温度变化曲线，虽然蒸发器附近的降温幅度较大，但是由于舱内热环境的复杂性及相对安装位置的影响，其作用于惯导周围环境的能力还是有限的（防止惯导周围温度波动度过大），这同时又决定了温控仪控温上下限的设定范围，这样才能够保证惯导周围的环境温度在一个比较小的范围内变化，不会产生较大的温度波动。图6为前设备舱内距惯导较远处无对流区域环境温度变化曲线，虽然距惯导较远处温度有整体逐步上升的趋势，但它仍然能够反映出每一个降温循环所带来的影响。整体来说，开式节流制冷装置能够有效的保证惯导周围环境温度不再持续升高，并将其控制在一个比较小的温度变化范围之内。由于开式节流制冷装置利用了工质的开式节流相变制冷原理，不存在压缩机，因此在制冷过程中不带来任何热效应，它能够有效的将舱内惯导及其他设备的环境温度控制在一定范围之内。

图5 蒸发器附近温度监测点-时间图

图6 距惯导较远处无对流区域温度监测点-时间图

4 结论

开式节流制冷装置将开式节流制冷效应成功的运用于飞行器前设备舱内惯导等关键设备的环境温度控制，在质量大小及电源功率要求严格的情况下，能够有效的解决关键设备短期内的温度控制问题。

[1]孙谦，谢玲.精密温控对惯性导航平台系统性能的影响[J].北京理工大学学报，2002，22：379～382.

[2]闫春杰，潘雁频，霍英杰，等.R22液体蒸发冷却装置研制[J].真空与低温，2007，13：193～195.

[3]陈正刚，潘雁频，闫春杰，等.某飞行器开式节流制冷装置试验分析[J].真空与低温，2007，13：281～283.