Микрокриогенные системы

Для охлаждения фотоприёмных модулей (ФПМ) среднего и дальнего ИК-диапазона на уровне 60…90 К эффективнее всего применять микрокриогенные системы обратного цикла Стирлинга. АО «ОКБ «АСТОРН» разработаны и внедрены в производство два типа конструкций микрокриогенных систем Стирлинга в интегральном исполнении. В качестве рабочего тела таких микрокриогенных систем используется газообразный гелий.

Идеальная микрокриогенная система Стирлинга реализует процесс, состоящий из двух изотерм и двух изохор и работает по обратному термогазодинамическому циклу с регенерацией тепла. Это замкнутый цикл, основанный на процессах компримирования и экспансии газа и регенерации тепла при постоянной массе газа. Фазы сжатия и расширения изотермические. Два поршня системы рабо­тают в двух цилиндрах, разделяемых регенеративным теплообменником, реализуя поочерёдно два изохорных и два изотермических процесса. Схема цикла с соответствующей P-V– диаграммой (справа) представлена на рис. 1.

В процессе изотермического расширения тепло от газа отводится, генерируется «холод», то есть можно с криозоны микрокриогенной системы снимать тепловую нагрузку.

Рис. 1. Схема обратного цикла Стирлинга для идеального газа
процесс 1‒2: изотермическое сжатие (с отводом тепла);
процесс 2‒3: изохорное охлаждение;
процесс 3‒4: изотермическое расширение (с отдачей работы от газа и подведением тепла);
процесс 4‒1: изохорный нагрев.

Общее соотношение для теплоты:

В изотермических процессах работа эквивалентна теплоте, поскольку в идеальном случае отсутствует выделение тепла.
Холодопроизводительность цикла: Q_е=L_отв= М R T_е ln(V₁/V₂),
Отведённое от цикла тепло равно: Q_Г=L_подв=М R T_ос ln (V₁/V₂),
Эксергетический КПД цикла: η_е= Q_е / N · [(T_oc‒T_е)/T_е],
Холодильный коэффициент: ε = Q_е / N,
Потребляемая циклом мощность: N = L_подв ‒ L_отв.

При проектировании микрокриогенных систем АО «ОКБ «АСТРОН» были использованы способы и технологические решения для повышения эффективности, улучшения массогабаритных, энергетических и ресурсных показателей интегральных микрокриогенных систем холодопроиз-водительностью 500 мВт и 750 мВт и 250 мВт (при НКУ и Т_е=80 К), работающих по замкнутому обратному термогазодинамическому регенеративному циклу Стирлинга с внутренней регенерацией тепла, в качестве рабочего тела которого используется особочистый газообразный гелий.

Одной из главных особенностей микрокриогенных систем Стирлинга является наличие в рабочем объёме встроенных теплообменных аппаратов. Это объясняет сложный характер протекания рабочих процессов в системе, затрудняет оценку влияния изменения каждого параметра и конструктивного фактора на холодопроизводительность и эффективность, поскольку эти изменения влияют не только на физические процессы в конкретном элементе системы, но и на весь рабочий цикл.

Основной причиной снижения эффективности микрокриогенной системы Стирлинга являются потери в регенеративном теплообменнике. В зависимости от уровня криостатирования, размеров и типа системы эти потери могут составлять от 30 до 90% располагаемой холодопроизводительности. Это объясняется спецификой работы встроенных регенераторов, так как газовые полости регенератора включены в рабочий объём микрокриогенной системы. Они составляют около 70% всего «мёртвого» объёма системы, т.е. являются одной из основных причин уменьшения удельной холодопроизводительности, а, следовательно, и эффективности микрокриогенной системы. Следствием этого является жёсткое ограничение на размеры регенератора.

Регенератор – это «сердце» микрокриогенной системы Стирлинга. Его конструкции, как правило, уделяется большое внимание. Специфику регенераторов микрокриогенной системы определяют, главным образом, большие удельные поверхности насадки регенератора (от 10⁴ до 5·10⁴ м²/м³) и также малые поперечные размеры теплопередающих элементов и малый гидравлический диаметр каналов регенератора (от 0,1 мм и менее), благодаря чему она является высокоэффективным фильтрующим материалом. Встроенные регенераторы чувствительны к степени чистоты рабочего тела. Затвердевающие примеси, продукты газовыделения и износа, осаждаясь в «холодных» сечениях регенератора, резко увеличивают гидравлическое сопротивление и, следовательно, уменьшают холодопроизводительность МКС. Наиболее распространена насадка регенератора из проволочных сеток, она позволяет в значительной степени упростить технологию изготовления регенератора и повысить его эффективность за счёт равномерного распределением металла по объёму аппарата. Сетка изготавливается из мягкой отожжённой проволоки диаметром 30 мкм.

Оптимальная компоновка регенератора микрокриогенной системы данного типа – размещение внутри вытеснителя. Такой вариант конструктивного решения используется в разрабатываемой микрокриогенной системы, это позволяет уменьшить поперечные размеры низкотемпературной части. Поскольку для увеличения срока службы системы уменьшено число циклов, уменьшены ходы поршня и вытеснителя, то это даёт возможность несколько увеличить их диаметр и получить рациональные размеры регенератора.

Достижения в области технологий проектирования объёмных структур дали возможность АО «ОКБ» АСТРОН» совместно с кафедрой криогенной техники МГТУ им. Н.Э. Баумана создать аддитивным способом регулярные структуры нового типа с управляемой геометрией пор в качестве материала насадок регенераторов для разработанных микрокриогенных систем. Геометрия таких насадок разрабатывалась на основе теории минимальных поверхностей, разработанной в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Подобная регулярная поверхность отличается тем, что имеет просвет в шести направлениях. Помимо этого, профили таких поверхностей обладают минимальным гидравлическим сопротивлением (фактором трения) при достаточно развитой поверхностью теплообмена (рис. 2).

Рис. 2. Пористая гироидная структура

Изготовление и испытания регенератора, выполненного из таких гироидных структур показали увеличение эффективности на 15% по сравнению с использованием классического сетчатого регенератора при прочих равных условиях.

В АО «ОКБ «АСТРОН» отработаны и внедрены в производство методы и навыки профессионального создания подобных микрокриогенных систем для охлаждения фотоприёмных модулей среднего ИК-диапазона.

Основной характеристикой микрокриогенной системы Стирлинга является в первую очередь холодопроизводительность, которая для миниатюрных систем лежит в диапазоне от десятых долей Ватта, до нескольких Ватт. Миниатюризация системы, влечёт за собой снижение КПД, поскольку здесь имеют место относительные потери, приведённые к габаритам системы. Это потери холодопроизводительности, связанные с величиной «мёртвого» объёма, ‒ объёма полости регенератора и газовых магистралей, ‒ потери от трения, гидравлического сопротивления, теплопередачи, недорекуперации в регенераторе и др. КПД Микрокриогенные системы холодопроизводительностью в несколько Ватт составляет приблизительно 10‒15%, тогда как КПД крупных криорефрижераторных систем может достигать 60%.

При проектировании микрокриогенной системы АО «ОКБ «АСТРОН» были использованы способы и технологические решения для повышения эффективности, улучшения массогабаритных, энергетических и ресурсных показателей интегральных микрокриогенных систем Стирлинга. Разработанные и испытанные микрокриогенные системы представлены на рис. 3.

Рис. 3. Микрокриогенные системы АО «ОКБ» АСТРОН»

Микрокриогенная система данного класса – это высокоточный механизм, детали которого выполняются на прецизионных станках с точностью 0,1 мкм и повторяемостью 1 мкм. АО «ОКБ» АСТРОН» обладает парком таких станков. На рис. 4 представлены некоторые прецизионные детали микрокриогенных систем.

Рис. 4. Прецизионные детали микрокриогенных систем

Микрокриогенная система включает в свой состав электродвигатель с регулируемым числом оборотов, что позволяет в стационарном режиме поддерживать температуру криостатирования при низком энергопотреблении (менее 4 Вт). Малое энергопотребление отражается на повышении ресурса микрокриогенной системы и аппаратуры в целом, уменьшении уровня вибровоздействия на фотоприёмный модуль, что весьма важно для получения требуемых фотоэлектрических параметров.

В качестве привода микрокриогенной системы используется высокоэффективный моментный электродвигатель в облегчённом исполнении совместной разработки ООО «Модем-Техно» и АО «ОКБ «АСТРОН». Двигатель состоит из статора, состоящего из 9 обмоток и ротора, выполненного из редкоземельного магнитного материала в кольцевом исполнении. На валу электродвигателя установлен датчик положения Холла. Электронный блок управления регулирует работу электродвигателя обеспечивая питание обмоток статора. Величина и продолжительность подаваемого тока формируется по показаниям датчиков Холла и термодатчика в зоне криостатирования ФПМ. Электронный блок управления выполняется встроенным в электродвигатель. Важным элементом конструкции двигателя является изолирующий экран, разделяющий статор электродвигателя и внутренний объём системы. Это позволяет исключить попадание посторонних частиц со стороны статора в газовую полость системы.

В пусковой период система работает с максимальным числом оборотов, обеспечивая требуемое время готовности. При достижении рабочей температуры криостатирования система переходит на режим с числом оборотов, обеспечивающим лишь подавление теплопритоков, которые при интегральной стыковке микрокриогенной системы и ФПМ не превышают 0,2…0,3 Вт. Таким образом, микрокриогенная система работает в режиме энергосбережения в пусковом периоде потребляя до 30 Вт, а в стационаре не более 3÷4 Вт. Это значительно снижает виброактивность микрокриогенной системы, что особенно важно для основного режима работы ФПМ, а пониженное число оборотов, кроме того, открывает путь совершенствования конструкции и технологии в вопросах подбора антифрикционных материалов для доведения ресурса работы ФПМ до 10000 часов и более.

Особенности эксплуатации микрокриогенной системы определяют жёсткие требования к виброактивности. Допустимые колебания «холодного» цилиндра системы в различных плоскостях не должны превышать 10-20 мкм. Это требование обеспечивается выбором размеров механизма движения и уравновешиванием возникающих сил инерции и моментов вращающихся масс. Правильный выбор кинематических соотношений механизма движения способствует улучшению габаритных и ресурсных характеристик систем. Здесь вопросы уравновешивания играют важную роль, поскольку система конструктивно реализует интегральный цикл Стирлинга, не имеющий гибких развязок.

Микрокриогенная система включает в себя двухрядный кривошипно-шатунный механизм, который обеспечивает привод компрессорного поршня и вытеснителя, причём давление над и под вытеснителем практически одинаково и отличается только влиянием гидравлического сопротивления регенератора. Угловое расположение поршней («гамма»-схема) обеспечивает максимальную эффективность цикла, т.к. в таком исполнении реализуется оптимальный фазовый сдвиг перемещения поршней.

Весьма важным требованием, необходимым для нормальной работы микрокриогенной системы является чистота газовых полостей обеспечивающая работоспособность системы в течение всего срока службы без дозаправки и замены криоагента.

Все детали системы содержат растворённые в их глубине или адсорбированные на поверхности газы. Эти газы следует предварительно удалить, так как они будут выделяться в рабочий объём системы, загрязняя газовую полость, высаживаться в регенераторе, уменьшая тем самым холодопроизводительность микрокриогенной системы, а также долговечность и надёжность работы системы.

Обеспечение требуемых надёжности и долговечности работы микрокриогенной системы, предъявляет особые требования к кондиции криоагента. Проведённые работы показали, что наиболее полно соответствует требуемым нормам газообразный гелий высокой чистоты с объёмной долей 99,9999% по гелию.

Полностью собранная и заполненная гелием микрокриогенная система поступает на интеграцию с ФПМ. Учитывая специфику узла сопряжения микрокриогенной системы с ФПМ, процесс интеграции достаточно сложен и представляет собой ответственный комплекс технологических операций, поскольку в этом процессе нарушается герметичность системы, газовые полости вступают в контакт с окружающим воздухом, устанавливаются новые статические уплотняющие элементы в место стыковки микрокриогенной системы с ФПМ, проверяются допуски формы и размеров рабочей пары трения вытеснителя. В связи с этим технология интеграции микрокриогенной системы с ФПМ требует более тщательного контроля, повышенные требования к чистоте помещения и проведению операций по вакуумированию внутренней полости микрокриогенной системы и заправке гелием с последующей проверкой герметичности системы.