科技论坛
· 99 ·
J-T 快速节流制冷器的原理和提高性能的三个方法
王伟涛
(陕西华星电子集团有限公司，陕西咸阳712099)
摘要：介绍了」-T快速节流制冷器的基本原理和影响性能的因素以及提高性能的方法，在不增加结构复杂度的基础上，使得在高温高湿气候环境下制冷型探测器能够稳定合格的工作。
关键词：节流制冷器；性能；影响因素
利用等熔膨胀焦耳-汤姆逊效应制作的节流是为红外探测器
通过计算可知，制冷级和预冷级的流量比对制冷器的制冷效率
提供低温环境的常用器件。制冷器制冷效率的高低体现在启动时间影响事关重要。别除客观因索，流量比越大，制冷效果越好。预冷级
和蓄冷时间的长短上。制冷器需要能够在高温高湿震动中稳定制冷而不产生电磁和振噪干扰。
1原理分析
T To
my
TME.
S
图1T-S图
作为最简单的直喷式J-T节流制冷器的T-S如图1所示，压力为P。，温度为T。的初始状态高压制冷工质高纯氮气从制冷器的进气端并联进人制冷器的毛细管，被毛细管外的回流气体预冷后，成为状态为1的工质，此时，毛细管中流量为m的工质在制冷器的锥头部分内节流，节流后的气液混合物的压力和温度分别为 P和T它使导液管中的制冷工质在锥头内得到充分预冷，预冷导液管中流量为m。的工质后，制冷工质m，流过最外层毛细管与外壳之间的夹缝层，去冷却毛细管中的高压来流气体，回热后从制冷器后部排出：而制冷导液管中经过充分预冷后的状态为2的制冷工质m则经过喷嘴，从制冷器的喷口节流后成为压力和温度分
的流量靠节流孔控制，制冷级流量靠节流管（导液管）控制。当然节
流孔也间接影响制冷级，导液管也间接影响预冷级。 3提高性能的方法
3.1通过以上分析，提高初始氮气压力虽然有效，但限于技术条件和其他考量，需着重考虑其他方法。对于气态方程，在压强迅速降低的同时控制住气体体积不发生大幅增加，可以降低温度。所以在毛细管和外壳的配合间尽可能多的紧密缠绕棉线，是一种必要的手段。而且棉线还有隔绝外界热环境，减少热散失的功能，但应时刻注意保证产品的装配。
实验验证，在棉线不足，产品配合较松的时候，显著影响制冷器的出液量和液化比率，有时多一圈产品性能便有显著提高。
3.2调节节流孔孔径大小是增减预冷级流量，调节制冷级和预冷级流量比最直接、最有效的手段。但是显然孔径不是越大越好，越大的孔径使得节流效果减弱，同时减少了制冷级产生的液氮量。对于固定的孔径和具体的产品有对应的最合适的数据，且范围很窄，通常在几个微米级别。
3.3对流量的影响除了毛细管节流孔的面积及导液管的横截面积之外，流速也是十分重要的一环。因此减小导液管内制冷级工质氮气的流速也是提高流量的一种有效方式。在预冷级节流孔大小不变的情况下，增加导液管缠绕的圈数，通过管壁可以增加管内气阻，从而增加预冷级节流孔流速和减小导液管横截面流速，提高预冷级和制冷级的流量比。然而，导液管所能增加的圈数和长度是有限的，即便在维头部分可以容纳的前提下，过长的导液管需要更久的预冷时间，和产生更大的热耗散，因此有个最佳长度，通过实验数据整理，针对具体的产品有对应的尺寸，范固较宽，通常可以有几个厘米的误差。
通常在秋冬温度较低的季节，节流孔、节流管尺寸有较宽的适应范围，但在冬季，这些往往不能保证产品的合格率。因此，对于具体的产品，在高温高湿环境下，调试出来的数据可以保证在低温环境下稳定合格，虽然在高温高湿环境下，对数据准确性的要求十分
别为P.和T，的气液混合物，喷射到需要冷却的红外芯片上。复杂
苛刻。
的如可调节流量的节流制冷器依靠温度敏感材料调节节流孔大小控制流量，则更加精密，本文仅从基本的影响因素分析。
2影响因素 2.1气态方程
我们知道理想气体的状态方程即克拉伯龙方程：pV=nRT。其中 p为压强，V为体积，n为物质的量，R为普适气体常量，T为绝对温度。当气体在毛细管中流动时，遇到节流孔时，由于局部阻力，其压强P显著下降，但是在外壳和毛细管的紧密配合下气体体积不能显著增大，且来不及与外界进行热交换，因而温度T显著降低。气体在绝热节流时，节流前后的比恰值不变。这是节流过程的主要特征。由于节流时气流内部存在摩擦阻力损耗，所以它是一个典型的不可逆过程，节流后的摘必定增大。
2.2流量比
参考以上对制冷器工作原理的描述，在稳定流动时，根据能量守恒,有如下能量关系式：m,hg+m,ho=m,h,+[m,zh+m,(1-z)h,J-Q.式
4结论
通过以上分析和实验验证可知，对于最简单的直喷式J-T节流制冷器，最关键的三个影响因素分别是半成品与外壳装配的间隙、节流孔的大小、节流管（导液管）的长度和圈数。这三者有一项没有制作到位，将大幅影响启动时间和器冷效果。其中，节流孔的大小是最重要的因素，往往需精确到一两个微米的级别，导液管有三五厘米的弹性空间，半成品与外壳的间需要通过缩绕棉线紫密配合。找到了各自的最佳尺寸，无论气温高低，制冷器在启动时间和蓄冷时间都能达到满意的效果。此外这种直喷式J-T节流制冷器结构简单，调试方便，启动快，蓄冷较长，完全可以满足单元器件的制冷需求。另外，如果是面阵的探测器，且需要更大的蓄冷量和更久的蓄冷时间，还是应该考虑更复杂的结构，比如记忆合金可调式节流制冷器
参考文献
[1]杨家艾等.喷射式J-T节流制冷器的流量比研究[激光与红外
中，ho为入口处高压气体比焙；hx为回流（预冷级)工质出口比焙；vol37,8.
h为饱和液态制冷工质比；h,为饱和气态制冷工质比焙；m，为预冷级工质流量；m为制冷级工质流量；z为制冷级工质的液化率；Q 为漏热及不完全换热功率。川
万方数据