Разработка методики расчета ресурса микрокриогенератора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шишова Наталья Евгеньевна

• Шишова Наталья Евгеньевна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Шишова Наталья Евгеньевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДИК ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

НАДЕЖНОСТИ МКГ

1.1. Существующие технические решения МКГ и области их применения

1.2. Циклы МКГ. Реализация регенеративных циклов в конструктивных элементах МКГ

1.3. Основные показатели надежности МКГ в эксплуатационной и конструкторской практиках

1.4. Существующие методики прогнозирования и расчета надежности от компаний производителей микрокриогенераторов. Достоинства и недостатки

1.4.1. Методы оценки надежности микрокриогенераторов компании Thales Cryogenics

1.4.2. Методы оценки надежности МКГ компании BAE Systems

1.4.3. Методы оценки надежности МКГ компании RICOR

1.4.4. Метод оценки надежности МКГ, предложенный Калифорнийским университетом

1.5. Условия стандартных и ускоренных испытаний МКГ

1.6. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ НА

СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МКГ

2.1 Закон распределения Вейбулла и его применение для определения надежности МКГ

2.2 Выбор принципиальной схемы МКГ на стадии проектирования

2.3 Анализ рабочих циклов микрокриогенератора с позиций максимизации ресурсных характеристик

2.4 Структурный анализ наиболее нагруженных конструктивных элементов МКГ типа Стирлинг

2.5 Основные причины отказа и качественная оценка вероятности

отказа наиболее нагруженных узлов

2.6 Многофакторный анализ

2.6.1 Структура многофакторного анализа

2.6.2 Зависимые и независимые факторы

2.6.3 Итоговый показатель надежности МКГ

2.6.4 Многофакторный дисперсионный анализ

2.7 Анализ способов повышения надежности МКГ

2.8 Структура адаптивной методики прогнозирования ресурса в зависимости от исходных проектно-конструкторских и статистических данных

2.9 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ГЛАВА 3 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ И РАСЧЕТА РЕСУРСА

МКГ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ НАИБОЛЕЕ НАГРУЖЕННОГО

УЗЛА РОТОРНОГО МКГ ТИПА СТИРЛИНГ

3.1 Численная оценка влияния перетечек через поршневую группу на термодинамическую эффективность микрокриогенератора Стирлинга роторного

типа

3.1.1 Математическая модель расчета зазора поршневой группы МКГ, выполняющего функцию газового подвеса

3.1.2 Расчетная модель массового расхода рабочего вещества в зазоре микрокриогенератора

3.1.3 Расчет течения с помощью численной модели

3.1.4 Влияние перетечек рабочего вещества на термодинамическую эффективность МКГ Стирлинга роторного типа

3.2 Сопоставление расчетных и экспериментальных значений массового расхода рабочего газа через зазор поршневой группы полости нагнетания роторного МКГ типа Стирлинг

3.3 Оценка погрешности экспериментальных исследований

3.4.1 Технические параметры и условия испытаний наиболее нагруженного узла роторного МКГ типа Стирлинг

3.4.2 Анализ экспериментальных данных наиболее нагруженного узла роторного МКГ типа Стирлинг

3.5 Параметры формы и масштаба закона распределения Вейбулла совершенствуемого узла МКГ

3.6 Рекомендации по совершенствованию новых и существующих

моделей МКГ

3.7 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

Условные обозначения

VK - объем компрессорной полости, м3; Уд - объем полости расширения, м3;

COP идМКг - холодильный коэффициент идеального МКГ Стирлинга;

Ti - температура криостатирования, К;

Toc - температура окружающей среды, К;

MTTF - средняя наработка до отказа, ч.;

Паа - адиабатный кпд детандера;

Псо - полный кпд компрессора;

Пе,т - механический кпд детандера;

MTBF - среднее время между отказами, ч.;

в - параметр формы закона распределения Вейбулла;

П - параметр масштаба закона распределения Вейбулла;

ti - наработка до наступления отказа i;

n - количество тестируемых машин;

m - число отказов;

P(t) - вероятность безотказной работы за время наработки t, %; Ri(t) - вероятность отказа i-ого механизма отказа МКГ, %;

Rj(t) - суммарная вероятность отказа компрессорного/расширительного узла МКГ, %;

R(t) - суммарная вероятность отказа выбранной компоновочной схемы МКГ, %. D*(t) - минимальное значение обнаружительной способности см Гц1/2 Вт-1;

т - допустимая относительная величина снижения параметра в процессе наработки;

П*о - экспериментальное значение обнаружительной способности, полученная

эмпирическим путем, смГц1/2Вт-1;

() - функция плотности вероятности;

Х^) - функция изменения интенсивности отказов;

Г 1 ^

Г 1 +

^ Р у - табулированная гамма-функция Эйлера; Ф - угол фазового сдвига; Рзап - давление заправки, Па; п - частота вращения ротора, об/мин;

их, иу, иг - проекции скорости движения элементарного объема газа на оси X, Y и

2;

Ср - удельная теплоемкость, Дж/ (кг К);

5 - величина зазора, м;

Ьс - длина поршня, м;

Кп - критерий Кнудсена;

кв - постоянная Больцмана 1,38* 10-23, Дж/К; Р - давление гелия в зазоре 4,0*106, Па; T - температура гелия 300, К; 5 - величина зазора 2* 10-6, м. Rc - радиус поршня компрессора, м; Sc - ход поршня компрессора, м; Qх - холодопроизводительность, Вт; Nотр - потребляемая мощность, Вт;

Tcp. - усредненная в объёме температура полости расширения, К; О - массовый расход рабочего вещества в контрольном сечении, кг/с;

Tmin - минимальная температура рабочего вещества на холодном пальце МКГ, К.

Аббревиатуры

МКГ - микрокриогенератор;

ИК-датчики - инфракрасные датчики;

ИК-системы - инфракрасные системы;

ВТСП - высокотемпературные сверхпроводники;

СКВИД - сверхпроводящий квантовый интерферометр;

МФПУ - матричные фотоприемные устройства;

МРТ - магнитно-резонансная томография;

КГМ - криогенные газовые машины;

МФА - многофакторный анализ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики расчета ресурса микрокриогенератора»

ВВЕДЕНИЕ

В последние двадцать лет применение микрокриогенераторов (МКГ) для глубокого охлаждения объектов гражданского назначения постоянно расширяется [1, 2]. МКГ используются в высокочувствительных сканирующих тепловизионных и теплопеленгационных системах медицинского оборудования, геологоразведки, метеорологического мониторинга; в спектроскопических приборах и газоанализаторах [8]; для охлаждения высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в наземных базовых станциях сотовой связи [9, 10]; для криостатирования сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИД) [11]; в объектах неразрушающего контроля; в приборах обнаружения утечки вещества; для криостатирования центрального процессора квантового компьютера и в прочих системах.

Ведущими разработчиками и производителями микрокриогенераторов являются зарубежные компании такие, как AIM Infrared Modules GmbH (Германия), BAE Systems (США), «Sunpower Inc.» (США), RICOR (Израиль), Thaïes Cryogénies (Франция, Нидерланды), Raytheon Technologies Corporation (США), Sumitomo Heavy Industries (Япония), Cryomech (США) и отечественные АО «Московский завод Сапфир», АО «НПО «Орион», АО «ОКБ «Астрон», АО «НТК «Криогенная техника».

Современные разработки инфракрасных систем нацелены на получение изображений высокого разрешения об обстановке на море, на суше и в воздухе в неблагоприятных условиях. Благодаря микрокриогенным системам охлаждения тепловые детекторы имеют более высокую чувствительность и используются для получения изображения в спектральных диапазонах с длинами волн до 25 мкм. Наиболее востребованы МКГ для охлаждения матричных фотоприемных устройств (МФПУ) инфракрасных систем «смотрящего типа» в спектральном диапазоне 3...5 мкм и 8...12 мкм при температуре криостатирования 77-80 K [12,

13, 14] на основе фоточувствительных полупроводниковых материалов: кадмий-ртуть-теллур (HgCdTe); антимонид индия (1^Ь); индий-галлий-мышьяк (InGaAs); соединения на квантовых ямах и точках ^ШГР, QDIP) [15].

Глубокое охлаждение фотонных детекторов в температурном диапазоне от 4,2 до 80 К необходимо для предотвращения тепловой генерации носителей заряда, которая ограничивает параметры приемников излучения, способствуя появлению шумов. Последние разработки в области охлаждаемых «высокотемпературных» МФПУ 3-его поколения на кадмий-ртуть-теллуре [16] позволяют существенно повысить рабочую температуру охлаждения фоточувствительного слоя относительно температуры кипения азота до 110.. .120 К. Следует отметить, что по прежнему до 60 % специального назначения МКГ [17] применяют для криостатирования систем с полезной нагрузкой до 1,8 Вт при температуре 77... 80К.

Геометрические размеры охлаждаемых активных компонентов МФПУ, элементов ВТСП варьируется в диапазоне от 0,1х0,1мм2 (диаметр 0,1 мм) до 10х10мм2 с тепловыделением от 0,15 до 1,8 Вт. Для обеспечения криостатирования этих объектов применяются преимущественно миниатюрные криогенераторы как периодического действия, время работы которых составляет от 0,2 до 100 часов, так и непрерывного действия со сроком службы от 1 до 5 лет.

Разнообразие условий эксплуатации и технических требований, предъявляемых к автономным системам криостатирования инфракрасных, гамма-детекторов и высокотемпературных сверхпроводников, способствует модернизации существующих МКГ и поиску новых конструктивных решений с целью обеспечения заданных параметров. Основным техническим параметром на стадии проектирования МКГ под заданные термодинамические параметры и условия эксплуатации является ресурс. Поэтому актуальным остается вопрос оценки и последующего расчета ресурса, предлагаемого конструктивного решения. Для МКГ предъявляются повышенные требования по безотказности, а также энергопотреблению, термодинамической эффективности, массогабаритным, вибрационным и акустическим характеристикам, точности поддержания

температуры криостатирования и другим параметрам в зависимости от назначения устройства.

В открытых источниках опубликованы численные значения показателей надежности МКГ, представляющие из себя разрозненные данные, сравнить которые порой не представляется возможным. Причина заключается в отсутствии международного согласованного стандарта по условиям и режимам испытаний микрокриогенератора. Иностранными производителями МКГ разработаны собственные методики прогнозирования надежности устройств на стадии проектирования новой и совершенствования существующей модели, основанные на дорогостоящих испытаниях образцов и экспертных знаниях инженеров-испытателей.

Затратные натурные испытания образцов машин и требования постоянного увеличения ресурса МКГ, при сочетании различных условий эксплуатации и иных факторов, заставляют искать новые методы прогнозирования надежности уже на стадии проектирования. Цель работы:

Разработка методики оценки и расчета ресурса на стадии проектирования новой или совершенствования существующей модели МКГ под заданные технические требования и условия эксплуатации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Систематизация информации по регенеративным циклам и способам их реализации в конструктивных элементах с целью быстрого подбора принципиальной схемы проектируемого МКГ под заданные технические требования и условия эксплуатации.

2. Анализ рабочих циклов с позиции максимизации ресурсных характеристик.

3. Анализ влияния комплектации и кинематической схемы приводного механизма на ресурс МКГ.

4. Разработка методики качественной оценки и последующего расчета ресурса на этапе проектирования новой или совершенствования существующей модели МКГ на основе закона распределения Вейбулла под заданные технические требования и условия эксплуатации.

5. Анализ возможных путей повышения надежности МКГ.

6. Применение методики оценки и расчета ресурса МКГ для прогнозирования надежности совершенствуемой модели МКГ на примере роторного МКГ типа Стирлинг.

7. Сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными данными в соответствии с предложенной методикой.

Научная новизна:

1. Впервые предложен метод структурирования технических и термодинамических характеристик, конструктивных особенностей различных принципиальных схем МКГ, реализующих регенеративные циклы, в виде круговой диаграммы.

2. Разработана методика оценки и расчета ресурса новой или совершенствования существующей МКГ на основе закона распределения Вейбулла с оценкой влияния различных независимых факторов методом многофакторного анализа.

3. Разработаны новые методы:

- разработан метод подбора рабочих параметров аппаратов и агрегатов МКГ с позиции максимизации ресурсных характеристик на стадии проектирования;

- разработан метод предварительной качественной оценки вероятности отказа механизмов движения для полостей сжатия и расширения;

- разработан метод подбора компоновочных схем проектируемого МКГ на основе статистических данных отечественных и зарубежных производителей МКГ;

- разработан метод повышения надежности МКГ на стадии проектирования;

4. Разработаны трехмерные номограммы для определения параметра формы в и параметра масштаба п закона распределения Вейбулла при заданном значении МТ^ и/или вероятности отказа МКГ.

5. Получены новые экспериментальные данные о степени влияния независимых факторов (давления заправки, частоты вращения ротора, температуры окружающей среды, покрытия поршня) на ресурс роторного МКГ типа Стирлинг.

Практическая значимость работы:

1. На основании статистических, экспериментальных данных и численного моделирования разработан алгоритм построения конструктивного исполнения МКГ под заданные условия работы и требуемый ресурс.

2. Создана методика оценки надежности узлов и всей сборки МКГ в целом на основе закона распределения Вейбулла с оценкой влияния различных независимых факторов методом многофакторного анализа. Это позволяет определить надежность узлов и деталей на этапе проектирования и совершенствования существующей модели МКГ.

3. Предложены прогностические поверхности наработки на отказ роторного МКГ типа Стирлинг в зависимости от давления заправки, частоты вращения ротора и температуры окружающей среды для определения ресурса при различных условиях эксплуатации.

4. Разработан и проверен алгоритм повышения надежности МКГ на стадии проектирования, совершенствования существующей модели и на стадии испытаний.

5. Сформулированы пошаговые рекомендации по совершенствованию новых и существующих моделей МКГ.

Внедрение результатов работы:

Разработанная методика оценки и расчета ресурса МКГ внедрена в учебный

процесс кафедры «Холодильной и криогенной техники, систем

кондиционирования и жизнеобеспечения» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Достоверность и обоснованность полученных результатов:

Достоверность полученных экспериментальных данных обеспечивается проверенными средствами измерения, использованием апробированных методик измерения, сравнением результатов с данными, полученными в процессе численного моделирования с помощью программного продукта ANSYS компании ANSYS Inc.

Положения, выносимые на защиту:

1. Круговая диаграмма для подбора регенеративного цикла и принципиальной схемы на этапе проектирования МКГ.

2. Метод подбора рабочих циклов полостей сжатия и расширения МКГ с позиции максимизации термодинамической эффективности.

3. Качественная оценка вероятности отказа механизмов движения МКГ на этапе проектирования на основе статистических и экспертных данных.

4. Методика оценки и расчета ресурса на стадии проектирования новой или совершенствования существующей модели МКГ на основе закона распределения Вейбулла с оценкой влияния различных независимых факторов методом многофакторного анализа.

5. Результаты анализа численного моделирования перетекания рабочего вещества через зазор между поршневой парой компрессорной полости роторного МКГ типа Стирлинг с холодопроизводительностью 0,5 Вт при 77 К. Последующее определение оптимальных геометрических параметров зазора с точки зрения термодинамической эффективности, сохранения несущей способности газостатического слоя и минимизации перетечек.

6. Результаты апробации методики оценки и расчета ресурса МКГ и последующая выработка рекомендаций по совершенствованию роторного МКГ типа Стирлинг для достижения ресурса 3000 часов и более.

Методы исследования:

В работе использовались теоретические методы (анализ, синтез, индукция моделирование) и экспериментальные методы исследования. Теоретические и

экспериментальные методы исследования проводились на кафедре холодильной, криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения МГТУ им. Н.Э. Баумана. Обработка экспериментальных и модельных данных осуществлялась косвенным и прямым способами анализа с применением методов математической статистики - корреляционный, многофакторные регрессионный и дисперсионный анализы.

Апробация работы:

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- III Международной научно-практической конференции «Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения» (Москва, 2019 г.).

- III международной научной конференции SEWAN - 2021 «Энерго-ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития» (Санкт-Петербург, 2021 г.).

- The 16th Cryogenics 2021, IIR International Conference (Praha, 2021).

- Международной научно-практической конференции «Применение низких температур в науке и промышленности» (Москва, 2022 г.).

- The 17th Cryogenics 2023, IIR International Conference (Dresden, 2023).

Личный вклад автора:

1. Выполнен анализ МКГ, работающих по циклам Стирлинга, Гиффорда-МакМагона, Пульсационной трубы, Сольвея, Вюлемье и их модификаций, а также кинематических схем существующих конструктивных исполнений МКГ и области их применений для криостатирования объектов различного назначения при температуре криостатирования в диапазоне от 4,2 до 120 К и требуемой холодопроизводительности до 2 Вт.

2. Предложена круговая диаграмма для выбора оптимального термодинамического цикла и принципиальной схемы на стадии проектирования новой МКГ.

3. Разработана методика оценки и расчета ресурса на стадии проектирования новой или совершенствования существующей модели МКГ на основе закона распределения Вейбулла с оценкой влияния различных независимых факторов методом многофакторного анализа.

4. Установлена функциональная взаимосвязь между независимыми факторами (давлением заправки, температурой окружающей среды, рабочей частотой) и наработкой до отказа для различных условий эксплуатаций роторного МКГ типа Стирлинг.

5. Определен оптимальный зазор между поршнем и цилиндром полости сжатия роторного МКГ типа Стирлинг при температуре криостатирования 77 К и холодопроизводительности 0,5 Вт.

6. Предложены рекомендации по совершенствованию новых и существующих моделей МКГ.

Публикации:

Результаты диссертации отражены в 5 научных статьях, в том числе 1 опубликованная в журнале из перечня рецензируемых научных изданий ВАК РФ, и 4 в журналах, индексируемых базой данных SCOPUS, опубликованы тезисы 5 докладов.

Структура и объём диссертации:

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, приложений. Работа изложена на 173 страницах основного текста, содержит 48 рисунков, 22 таблицы и список литературы из 136 наименований.

ГЛАВА 1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДИК

ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ МКГ

1.1 Существующие технические решения МКГ и области их

применения

Выбор конструктивного исполнения и тепловой схемы микрокриогенераторов для охлаждения датчиков ИК-систем, ВТСП элементов и других компонентов обусловлен комплексом технических параметров и требований, предъявляемых как к самому устройству, условиям его эксплуатации, так и к объекту охлаждения. К ним относят: температуру криостатирования; холодопроизводительность; энергопотребление; термодинамическую

эффективность; массу; ресурс; ограничения по уровню вибраций, шумовым характеристикам и электромагнитным помехам; обеспечение работоспособности в широком диапазоне параметров окружающей среды; автономность; возможность обслуживания; удобство сопряжения с криостатируемым объектом и возможность размещения охлаждающего устройства у потребителя.

Одними из основных показателей при выборе будущей конструкции криогенератора являются термодинамическая эффективность и ресурс, ремонтопригодность. Необходимая продолжительность работы устройства криостатирования может колебаться от нескольких минут до десятков тысяч часов непрерывного действия. Разнообразие технических требований по отношению к устройству охлаждения привело к появлению различных кинематических и тепловых схем криогенных систем.

В зависимости от термодинамического цикла и способа охлаждения криогенные системы подразделяются на активные и пассивные [18]. К пассивным относят машины, работающие по разомкнутому холодильному циклу: радиационные системы без потребления электроэнергии; дроссельные установки с

запасом сжатого реального газа в качестве источника энергии; жидкостные или твердотельные системы с использованием теплоты испарения или сублимации криогенных веществ.

Системы с запасом жидкого хладоносителя или твердотельные не всегда удобны в применении в связи с периодичностью их действия и отсутствием необходимого пространства для хранения жидкого или твердого хладагента, потребностью в постоянном пополнении, невозможностью плавного регулирования криогенной нагрузки в широком диапазоне температур. Преимуществами данных систем являются стабильность температуры криостатирования, незначительное энергопотребление, низкая стоимость, отсутствие вибраций и электромагнитных помех. Применяются пассивные системы для криогенного охлаждения в лабораторных условиях, в аппаратах магнитно-резонансной томографии (МРТ), для охлаждения приборов космических аппаратов, систем самонаведения ракет. Несмотря на их широкое применение как в военных, так и в гражданских целях данные охладители не будут рассматриваться в исследовании, поскольку продолжительность их работы зависит от ограниченного запаса рабочего вещества в цикле. Ограничимся их рассмотрением только в качестве сравнения с другими системами.

МКГ являются активными системами с замкнутым холодильным циклом, в котором процессы расширения и сжатия сопровождаются тепло- и массообменном между полостями с разными температурами, при этом процессы в теплообменных аппаратах носят нестационарный характер. Одним из основных узлов МКГ является внутренний теплообменный аппарат (регенератор), в котором происходит процесс регенерации теплоты в цикле за счет теплоаккумулирующей насадки, выполненной из плотно упакованных мелкоячеистых сеток, из отдельных элементов с хорошими удельными тепловыми свойствами (в виде микросфер или цилиндров) или из псевдопористых тел, например, 3D-матрицы с минимальными поверхностями [19-21]. К основным различиям тепловых циклов МКГ можно отнести следующее: особенности процесса сжатия и степень сжатия в компрессоре;

способ реализации процесса расширения (поршень, вытеснитель с механическим или пневматическим приводом); способ отвода теплоты из цикла [22, 23]. МКГ с различными рабочими циклами предназначены для обеспечения температур криостатирования от комнатной температуры вплоть до 2 К при холодопроизводительности от микроватт до нескольких ватт.

Наибольшее распространение получили МКГ с рабочими циклами пульсационной трубы (РТ), обратного Стирлинга, Сольвея, Гиффорда-МакМагона (ОМ), Вюлемье и их модификации, принципиальные схемы которых изображены на Рисунке 1.1. Такие машины отличаются компактностью, автономностью, герметичностью.

Рисунок 1.1. Принципиальные схемы МКГ, работающие по циклам:

(а) - Стирлинга; (б) - пульсационной трубы типа Стирлинг; (в) - МКГ Гиффорда-МакМагона; (г) - МКГ Сольвея; (д) - МКГ Вюлемье Особенность МКГ - полости сжатия и расширения гидравлически связаны с объемами теплообменных аппаратов, которые расположены, по сути, в мертвых объемах этих полостей. Ввиду миниатюрности МКГ, по сравнению с криогенными газовыми машинами (КГМ) большой холодопроизводительности, удельные

величины потерь в МКГ выше и многие факторы влияют на их холодопроизводительность по-разному: так, потери от недорекуперации в регенераторе - меньше, потери от гидравлических сопротивлений при перетекании газа из одной полости в другую - выше, потери от теплопереноса поршнем и вытеснителем - значительно выше. Поэтому в компактных автономных МКГ конструктивно компрессор располагают близко к полости расширения для снижения влияния гидросопротивления регенератора, поскольку повышенные гидросопротивления приводят к снижению холодопроизводительности и, соответственно, к необходимости увеличения мощности привода машины. Исключениями являются стационарные МГК с циклами Гиффорда - МакМагона и Сольвея, для реализации которых применяются серийные газовые компрессоры с постоянным расходом рабочего вещества воздушного или водяного охлаждения, удаленные от полости расширения («криоголовки») до 10 м. Потребляемая мощность серийных компрессоров высокая: от 1 до 14 кВт с источником электропитания 220...380 В. МКГ подобного исполнения применяются при отсутствии жестких требований к массогабаритным характеристикам, термодинамической эффективности и потребляемой мощности устройства.

Сложность выбора термодинамического цикла при проектировании МКГ связана с тем, что миниатюризация системы существенно влияет на рабочие процессы в цикле, и поэтому формирование действительного рабочего цикла МКГ становится многопараметрической задачей.

На Рисунке 1.2 представлена качественная зависимость степени термодинамической эффективности различных охлаждающих систем как функция температуры криостатирования (приведены приближенные данные наиболее востребованных регенеративных и рекуперативных циклов в температурном диапазоне от 4,2 К до 300 К).

Для поддержания температуры криостатирования объекта в диапазоне от 160 К до комнатной температуры наиболее эффективны циклы парокомпрессионных газовых машин на смешанных хладагентах, степень термодинамического

совершенства которых почти в 2 раза превышает эффективность машин, работающих по обратному циклу Стирлинга.

Применение одноступенчатых КГМ Стирлинга целесообразно при криостатировании объектов от 200 до 60 К в широком диапазоне значений холодопроизводительности (от 0,2 до 500 Вт). Степень термодинамического совершенства таких охладителей варьируется при температуре криостатирования 77.. .80 К от 8 % до 46 % в зависимости от требуемой холодопроизводительности.

Температура Т

Рисунок 1.2. График термодинамической эффективности циклов КГМ

в диапазоне от 4,2 К до 300К [24]. 1 - парокомпрессионный цикл со смесевым рабочим телом; 2 - Цикл Джоуля-Томсона с предварительным охлаждением; 3 - обратный цикл Брайтона или Белла-Кольмана; 4 - одноступенчатый обратный цикл Стирлинга; 5 - двухступенчатый обратный цикл Стирлинга; 6 - цикл ожижения водорода (Н2) с детандером; 7 - цикл ожижения водорода (Н2) с детандером и предварительным охлаждением жидким N (азотом); 8 - цикл ожижения гелия с детандером

При температурах ниже 60К (вплоть до 10 К) реализация двухступенчатого цикла Гиффорда - МакМагона и двухступенчатого цикла Стирлинга на малой холодопроизводительности до 5 Вт наиболее оправдана. В температурном диапазоне от 10 К до 4,2 К термодинамическая эффективность двухступенчатых и трехступенчатые циклов Стирлинга и Гиффорда-МакМагона приближается к детандерным циклам ожижения водорода, неона и гелия.

В последние 30 лет, в связи с развитием инфракрасных детекторов и расширением областей применения высокотемпературных сверхпроводниковых элементов (ВТСП), наблюдается существенное увеличение спроса на МКГ с рабочими температурами в диапазоне от 4,2 до 140 К малой холодопроизводительностью (до 2 Вт). С появлением новых направлений применения МКГ (телекоммуникационные системы; медицинское оборудование; бортовые системы; системы защиты и слежения) миниатюрные охлаждающие системы совершенствуются для повышения степени термодинамической эффективности, снижения массогабаритных характеристик, увеличения срока службы. При этом актуальны разработки новых модификаций термодинамических циклов МКГ.

На Рисунке 1.3 (а, б) представлены данные по более 200 МКГ, обеспечивающих температуру криостатирования 80 К и полезную нагрузку (холодопроизводительность) от 0,1 и 500 Вт [25, 26]. При исследовании степени термодинамического совершенства очевидно, что наибольшей эффективностью обладают МКГ и пульсационные трубы, работающие по циклу Стирлинга [27]. Хотя термодинамическая эффективность пульсационных труб ниже практически в два раза и редко превосходит 6...8 % при холодопроизводительности до 2 Вт, их ресурс значительно выше лучших образцов МКГ Стирлинга с механическим вытеснителем, в связи с отсутствием движущихся частей в низкотемпературной части устройства.

TewnepaTYpa KpnocTaTMpoBai-infl 80 K

300

CD

^ 250 £

d ^ 200

150

100

50

□ OGM ■ PT(LF) □ PT(HF) A Stirling O throttle • Rev. Brayton

o

A • -

A A. 0 ■

A A o ..A..........................

: T v

* ^ A A* ^ A A U ^ -----inar frl ¿-j to----------

l-4ti Ai V "i

1%

2%

3%

5%

10% 20%

Q

ci n>

X (T

—I

fD

~a %

o 3a x

x

aj

£ s: x m

n

^

O

n O

CD

<T>

E to x n

H

CD HI

0.1

1 10 100 X0/i0A0np0H3B0flMTe^bH0CTb, BT

1000

(a)

Температура криостатирования 10 К

12

10

н 8

со

со

6

X а

5 4

OGM ■ PT(LF) ▲ Stirling

О

----г. L о ......0......

Ол

.....f-o-f-t 1---- г <• "О— 1

0.3%

-з

0.5% ^

1.0%

2.0% 5.0%

2 3 4 5 6 7 8

Холодопроизводительность, Вт

(в)

Температура криостатирования 4 К

СО

30

25

20

СО

X

0 15 10

О

О

OGM ■ PT(LF)

< >

■ И

_______< >_______ Ш

<>

О

03%

05%

1.0 % 20 %

С5

П-

cN

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

Холодопроизводительность, Вт

(г)

Рисунок 1.3. Эффективность использования термодинамических циклов

криогенных систем в диапазоне холодопроизводительности устройств от 0,1 до 500 Вт и температуры криостатирования [25, 26, 28]: а, б - 80 К; в - 10 К; г - 4 К. GM - цикл Гиффорда-МакМагона; PT - пульсационная труба; stirling - цикл Стирлинга с механическим вытеснителем; throttle -дроссельный цикл Джоуля-Томсона; Rev. Brayton - обратный цикл Брайтона

Как видно из Рисунков 1.3 (в, г), при температурах криостатирования ниже 10 К пульсационные трубы и МКГ Гиффорда-МакМагона имеют степень термодинамического совершенства выше 1 %.

Термодинамическая эффективность модифицированной МКГ Сольвея близка к МКГ Гиффорда-МакМагона [29] и используется для криостатирования объектов в широком диапазоне температур выше 4 К (6,5К/10К/20К/77К), в основном, для охлаждения сверхпроводящих элементов в лабораторных условиях.

1.2 Циклы МКГ. Реализация регенеративных циклов в

конструктивных элементах МКГ

Цикл Стирлинга

Обратный цикл Стирлинга с переталкиванием газообразного гелия из детандерной полости в компрессорную и обратно при постоянном суммарном объеме заменяют эквивалентным циклом с двумя изотермами и двумя изобарами, представленном на Рисунке 1.4. Данный цикл наиболее близок к идеальному циклу Карно и реализован в машинах двух видов: с механическим вытеснителем [30, 31] и пульсационной трубой [32, 33].

/

Энтропия 5 5

Рисунок 1. 4. Обратный цикл Стирлинга

МКГ типа Стирлинг с механическим вытеснителем

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шишова Наталья Евгеньевна, 2024 год

A • -

A A. 0 ■

A A o ..A..........................

: T v

* ^ A A* ^ A A U ^ -----inar frl ¿-j to----------

l-4ti Ai V "i

1%

2%

3%

5%

10% 20%

Q

ci n>

X (T

—I

fD

~a %

o 3a x

x

aj

£ s: x m

n

^

O

n O

CD

<T>

E to x n

H

CD HI

0.1

1 10 100 X0/i0A0np0H3B0flMTe^bH0CTb, BT

1000

(a)

Температура криостатирования 10 К

12

10

н 8

со

со

6

X а

5 4

OGM ■ PT(LF) ▲ Stirling

О

----г. L о ......0......

Ол

.....f-o-f-t 1---- г <• "О— 1

0.3%

-з

0.5% ^

1.0%

2.0% 5.0%

2 3 4 5 6 7 8

Холодопроизводительность, Вт

(в)

Температура криостатирования 4 К

СО

30

25

20

СО

X

0 15 10

О

О

OGM ■ PT(LF)

< >

■ И

_______< >_______ Ш

<>

О

03%

05%

1.0 % 20 %

С5

П-

cN

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

Холодопроизводительность, Вт

(г)

Рисунок 1.3. Эффективность использования термодинамических циклов

криогенных систем в диапазоне холодопроизводительности устройств от 0,1 до 500 Вт и температуры криостатирования [25, 26, 28]: а, б - 80 К; в - 10 К; г - 4 К. GM - цикл Гиффорда-МакМагона; PT - пульсационная труба; stirling - цикл Стирлинга с механическим вытеснителем; throttle -дроссельный цикл Джоуля-Томсона; Rev. Brayton - обратный цикл Брайтона

Как видно из Рисунков 1.3 (в, г), при температурах криостатирования ниже 10 К пульсационные трубы и МКГ Гиффорда-МакМагона имеют степень термодинамического совершенства выше 1 %.

Термодинамическая эффективность модифицированной МКГ Сольвея близка к МКГ Гиффорда-МакМагона [29] и используется для криостатирования объектов в широком диапазоне температур выше 4 К (6,5К/10К/20К/77К), в основном, для охлаждения сверхпроводящих элементов в лабораторных условиях.

1.2 Циклы МКГ. Реализация регенеративных циклов в

конструктивных элементах МКГ

Цикл Стирлинга

Обратный цикл Стирлинга с переталкиванием газообразного гелия из детандерной полости в компрессорную и обратно при постоянном суммарном объеме заменяют эквивалентным циклом с двумя изотермами и двумя изобарами, представленном на Рисунке 1.4. Данный цикл наиболее близок к идеальному циклу Карно и реализован в машинах двух видов: с механическим вытеснителем [30, 31] и пульсационной трубой [32, 33].

/

Энтропия 5 5

Рисунок 1. 4. Обратный цикл Стирлинга

МКГ типа Стирлинг с механическим вытеснителем

В соответствие с принципиальной схемой МКГ типа Стирлинг на Рисунке 1.5 поршневой компрессор создает колебательное движение газа внутри замкнутого цикла. Для разделения процесса сжатия и расширения в конструкции МКГ предусмотрен вытеснитель, который осуществляет движение газа в определенном фазовом соотношении с колебаниями давления. Изменение объема полости расширения приводит к изменению объема полости сжатия и соотношение фаз обычно составляет угол 90°. Теоретически этот угол может варьироваться от 20° до 180°, однако на практике данный угол будет принимать значения от 90° до 130°. В противном случае суммарные потери холодопроизводительности будут превышать ее теоретическое значение.

1 2 3 4 5 6 7

Рисунок 1.5. Принципиальная схема МКГ: 1 - поршень компрессорной полости; 2 - компрессорная полость; 3 - теплообменный аппарат отвода теплоты сжатия; 4 - регенератор; 5 -теплообменный аппарат подвода теплоты от объекта охлаждения; 6 - детандерная полость; 7 - поршень (вытеснитель) детандерной полости; Ук - объем компрессорной полости; ¥д - объем детандерной полости Конструктивно в МКГ типа Стирлинг объемы полости сжатия и расширения гидравлически постоянно связаны с объемами теплообменных аппаратов, то есть клапанная система отсутствует. Теплообменные аппараты обеспечивают подвод теплоты к газу от объекта охлаждения и отвод теплоты от газа к внешним тепловым источникам. Регенератор в цикле является «тепловым аккумулятором», который циклично получает теплоту от газа и отдает ее газу, протекающему через него.

Регенератор имеет специфические особенности: значительный перепад температур на его концах; высокий коэффициент теплопередачи; большие тепловые нагрузки [32, 33]. В конструкциях МКГ типа Стирлинг вытеснитель часто расположен внутри регенератора, а полученный цилиндр имеет удобную геометрию и называется «холодным пальцем» [34].

Холодильный коэффициент для идеальной МКГ типа Стирлинг совпадает с холодильным коэффициентов цикла Карно, если принять, что рабочий газ -идеальный, а процессы подвода и отвода тепла к криогенератору обратимы.

Холодильный коэффициент идеальной машины Стирлинга рассчитывается следующим образом:

То

СОРтМКТ

Тг-Т3

где Т - температура криостатирования, К;

Т3 - температура окружающей среды, К.

Однако, реальный холодильный коэффициент составляет при температуре криостатирования 77.80 К: от 1,5 % до 8 % для МКГ с холодопроизводительностью от 0,2 до 2 Вт; от 1,5 % до 2 % при температуре от 20 до 40 К. На термодинамическую эффективность оказывают влияние падение давления в регенераторе, потери на трение, разность температур при подводе и отводе теплоты, разность температур между регенератором и рабочим газом. Со снижением геометрических размеров действие данных факторов усиливается и термодинамические параметры устройства снижаются [32, 35]. Масса МКГ типа Стирлинг является самой низкой из рассматриваемых и составляет до 1 кг при холодопроизводительности 0,6 Вт и температуре криостатирования 77 К.

Относительно высокая степень термодинамического совершенства данных машин обеспечивается высокой рабочей частотой 20.70 Гц, что провоцирует повышенные вибрации расширительного узла. Данные вибрации могут быть снижены до допустимых значений за счет использования в конструкции компрессора и расширительного узла [28, 36]: балансира; двух оппозитных поршней (компрессор); разнесения компрессорного и детандерного узлов на

некоторое расстояние относительно друг друга; тонкой настройкой рабочей частоты при пуске компрессора; конфигурацией узла стыковки с объектом криостатирования; активного вытеснителя с балансиром. В зависимости от конструктивного исполнения МКГ типа Стирлинг значение наработки до отказа MTTF находится в диапазоне от 2000 до 20000 часов и выше.

В таблице 1 представлены характеристики МКГ типа Стирлинг с механическими вытеснителями компаний производителей AIM Infrared Modules GmbH (Германия), RICOR (Израиль), Sunpower (США), выполненные на основе различных кинематических схем. Степень термодинамического совершенства первых трех моделей лежит в диапазоне от 6,4 % до 8,8 % при одинаковых параметрах окружающей среды и температуре криостатирования (+23 °C @ 77 К). С ростом температуры криостатирования до 110.. .140 К холодильный коэффициент микрокриогенераторов типа Стирлинг будет расти, что и проиллюстрировано для четвертой модели с температурой криостатирования 140 К. С увеличением требуемой холодопроизводительности и габаритных размеров МКГ возрастает и степень термодинамического совершенства ввиду снижения влияния суммарных потерь на производительность устройства, что проиллюстрировано на модели CryoTel MT (5000мВт@77К, 23°С (Sunpower, США)) в таблице 1: степень термодинамического совершенства 18 %.

Таблица 1. Технические характеристики МКГ типа Стирлинг с механическим вытеснителем компаний производителей AIM Infrared Modules GmbH (Германия), RICOR (Израиль), Sunpower (США)

Модель SF070 K508 K549 SX030 CryoTel MT

1 2 3 4 5 6

Производитель AIM Ricor Ricor AIM Sunpower

Тип привода Линейный Роторный Роторный Линейный Линейный

компрессора

Конструктивное исполнение МКГ Сплит (интегральный) Дифференциал ьный Сплит (интегральный) Сплит (интегральный) Дифференц иальный

Количество 2 1 1 1 + 1

компрессоров, балансир

шт

Продолжение Таблицы 1

1 2 3 4 5 6

Конструктивное исполнение МКГ Сплит (интегральный) Дифференциал ьный Сплит (интегральный) Сплит (интеграл ь-ный) Дифференци альный

Количество компрессоров, шт 2 1 1 1 + балансир 1

Тип вытеснителя активный пассивный пассивный пассивны й пассивный

Холодопроизво-дительность, Вт 0.6 0.55 0.55 0.6 5

Температура криостатирова-ния, К 80 (70-140) 77±0.5 77 (65-110) 140 (90-180) 77

Потребляемая мощность в установившемся режиме (максим. потр. мощность), Вт 24 16 (40) 21 (40) 12 80

Уровень шума <35dB на 5 м <45dB на 5 м

Время захолаживания, мин 5 5 5 5 5

Масса, кг Mкм=0.85 Mxп=0.14 Ы£=0.99 0.45 0.9 Mкм =0.38 Mxп=0.14 Ы£=0.52 2.1

Срок службы, MTTF >30000ч. >15000ч (гарантия 3000 ч.) >10000ч (гарантия 2000 ч.) >30000ч. >200000 ч. (заявлено Sunpower)

Температура окружающей среды, °С 23 (-54 ...+80) 23 (-40...+85) +23 (-40...+71) +23 (-54...+71) +23

Степень термодинамичес кого совершенства, % 6.4 8.8 6.7 12.7 18

Габаритные размеры (ДхШхВ), мм КМ: 113x044 ХП:65х022 116x58x71 КМ: 45x57x98.5 ХП: 87x041 61x033 ХП: 58x022 073x243

Рисунок МКГ и источник литературы 1.6 д [37] 1.6 г [38] 1.6 а [39] 1.6 в [40, 41] 1.6 б [42]

Окончание Таблицы 1

1

Область применения

о и

CP о

о

п

о и о

с

3 и

CP и

Р о

р

о

е и н а

« а

О Л р

5 Л

ати

т с

о

и р

те б те и

Ч CP

■ а

р X

^ К

и

с е

сг

и п

ч §

ес

н о

К CP

« н о и

и (U

а с

ис

и о

P

о

£

СО

и л а н а

о

U

й 3

н

• ; CP

« S

я

л

Ч ей

а

_ к

^ 2

,-н К

• ст

: й

° Я

vo О

P

^ °

с с

е

о

U

ее ин к « ае

И ZP

о о P и

ати

т с

о

и

Н о -а т О

ад

^

о) S

mas

оки

нл о iy щ О g |

к о

' со

те аб

а „

не tr н ис ли

дц и P

т

л се _ S с ю

а н

д и P

£

м

о «

и

е с

е и P п

P

5 й

й

3

н ь

4 •

s а

2 н

S3

С

е

Л

н

Л

н P

о £

м и л

ас

и <и о и

CP «

к о

И с

т

о ю 2 О S ^

« v

и т с

о

м

и

«

X О

ю «

и и а а

е т н и

й и

т

о

е н

е P с

и о

P

sg

е е те

К tt

я Л й

и Р

о ^

P и

ати

т с

О

и

« г-) 2

P е

Л

н P

о т

о

й ^ 5 SP 5

ее

е т о и о

с

б а

т ел

Л

и

я и н

^

° п

и О

и

«

о и

Л о

CP &

^ ° Q W а Р

т ь л и

е

п

X P е

и

с

S й

п

о

„ и

И о

е

я и н еа ' и

й & н £

X (U Й о О Ч CP к

Рисунок 1.6. KoHCTPyKTMBHoe исполнение МКГ типа Стирлинг с механическим вытеснителем: а - POTOPrnffl сплит МКГ, модель K549 800мВт@77К, 23°С (Ricor), MTTF>100004; б -линейный интeгральный МКГ oднoпoршнeвoй с балансирoм, модель MT 5000мВт@77К, 23°С (Sunpower), MTTF>2000004; в - oднoпoршнeвoй линейный сплит МКГ с балансном, модель SX030 600мВт@140К, 23°С (AIM), MTTF>300004; г - рoтoрный интeгральный МКГ, модель K508 550мВт@77 K, 71°C (Ricor), MTTF>150004; д -линейный сплит МКГ с двумя оппозитными пoршнями, модель SF070 600мВт@80К, 23°С (AIM), MTTF>300004.

2

3

4

5

6

МКГ типа Стирлинг с пульсационной трубой

В пульсационной трубе меxанизм теплопереноса вдоль рабочего пространства трубы от xолодного к горячему концу заключается в возникновении резонансные колебаний внутри инертной трубки, в результате которые возникает эффект оxлаждения.

Термодинамическая эффективность (xолодильный коэффициент) пульсационнык труб ниже практически в два раза МКГ типа Стирлинг и редко превосxодит 3...5 % при xолодопроизводительности до 2 Вт и температуре 77 К, однако ресурс иx в 2.10 раз выше лучшиx образцов МКГ типа Стирлинг с меxаническим вытеснителем, в связи с отсутствием движущдося частей в низкотемпературной части устройства. Массогабаритные xарактеристики в несколько раз выше МКГ типа Стирлинг с меxаническим вытеснителем.

В отличии от МКГ типа Стирлинг с меxаническим вытеснителем в пульсационной трубе вытеснителем является порция газа (газовый поршень), которая наxодится в трубке и разделяет ее объем на теплую и xолодную полости. С одной стороны, пульсационная труба закрыта резонансной камерой (ресивером), в трубке возбуждаются резонансные колебания осциллирующим газовым поршнем, в результате возникает оxлаждающий эффект. Фазовый угол газового поршня контролируется и оптимизируется с помощью дюзы или инерционной трубки. В качестве возбудителя волновые колебаний используются меxанические источники (поршневые или мембранные) [43] или газодинамические (струйные) [44].

При рассмотрении особенностей рабочиx процессов пульсационной трубы типа Стирлинг становятся очевидны ее достоинства:

- отсутствие движущ^ся частей в области расширения снижает меxанический износ и способствует повышению надежности МКГ;

- малые массогабаритные xарактеристики;

- время выеода на режим до 5...7 мин из-за высокой рабочей частоты 20...70 Гц;

- простота конструкции;

- высокая термодинамическая эффективность, уступающая только машинам Стирлинга с меxаническим вытеснителем на температурном уровне в 77.80 К;

- меньшие эксплуатационные затраты по сравнению с МКГ типа Стирлинг с меxаническим вытеснителем.

Низкий уровень электромагнитного излучения и вибраций делает наиболее предпочтительными использование пульсационные труб для оxлаждения электронные устройств, чувствительным к данным факторам.

К недостаткам использования пульсационной трубы типа Стирлинг относят:

- повышенные габаритные размеры и вес по сравнению с машиной Стирлинга с меxаническим вытеснителем;

- использование дополнительного устройства - ресивера (буферная емкость);

- чувствительность к ориентации (при изменении положения вытеснителя относительно компрессора оxлаждающая способность может незначительно снижаться до 5.10 % [43]);

- потребляемая мощность компрессора выше в конструктивном исполнении МКГ с пульсационной трубой по сравнению с меxаническим вытеснителем при идентичной xолодопроизводительности обеиx машин из-за наличия дополнительные потерь в инерционной трубке, вследствие несовершенства пульсаций.

- акустический шум.

МКГ типа Стирлинг с меxаническим вытеснителем и с пульсационной трубой являются одними из наиболее широко используемые в связи с иx относительно небольшими размерами, массой, xорошей термодинамической эффективностью и большим сроком службы.

Применяются пульсационные трубы типа Стирлинг для криостатирования: ВТСП фильтров базовых станций телекоммуникационных систем, ИК-детекторов и гамма-детекторов, чувствительных к вибрациям, акустическому шуму, наведенным помехам и нуждающимся в высоком ресурсе при отсутствии возможности ремонта системы охлаждения. Двухступенчатые МКГ применяются для ожижения криоагентов и в химической индустрии [45].

В таблице 2 приведены примеры характеристик пульсационных труб для коммерческого использования. Термодинамическая эффективность, представленных образцов на температурном уровне в 80 К соответствует 4,3.4,4%. Основным источником снижения эффективности пульсационных труб остаются устройства, регулирующие фазовый сдвиг между работой поршня компрессора и газовым поршнем расширительной полости газораспределителя (дроссель, капиллярная трубка, шайбы с калиброванными отверстиями), поскольку работа расширения частично рассеивается в газораспределителе. На термодинамическую эффективность МКГ сказывается возрастание влияния потерь ввиду уменьшения размеров. Для сравнения в таблице 2 приведена модель LPT 9310 (5,1@80 К, 23 °C) компании Thales Cryogenic, схожая по конструкции с моделью LPT9510 (1,4@80 К, 23 °C), но имеющая большую холодопроизводительность 5,1 Вт и степень термодинамической эффективности 7,5 % при температуре криостатирования 80 К.

Конструкции пульсационных труб разнообразны [32, 48, 49]. В связи с отсутствием механического износа пульсационную трубу активно используют при конструировании микрокриогенераторов, работающих не только по циклу Стирлинга. В качестве источника колебаний используют: компрессорный поршень; клапанный узел, как в машинах Гиффорда-МакМагона; золотниковый газораспределитель с умеренной скоростью вращения; теплогенератор; высокочастотную мембрану. Источники пульсаций имеют различный диапазон рабочих частот и выбор конструкции будущей МКГ зависит от различных факторов, таких как: область применения, условия эксплуатации, допустимые

пределы вибраций и электромагнитных помех, массогабаритные характеристики, требуемый температурный уровень охлаждения объекта, термодинамические характеристики машины и прочее.

Таблица 2. Технические характеристики МКГ типа Стирлинг с пульсационной

трубой компаний производителей AIM Infrared Modules GmbH (Германия), Thales Cryogenic (Нидерланды, Франция)

Производитель AIM Thales Cryogenic Thales Cryogenic

Модель SF100PT LPT9510 LPT9310

Тип привода компрессора Линейный (2 линейных оппозитных поршня) Линейный (2 линейных оппозитных поршня) Линейный (2 линейных оппозитных поршня)

Конструктивное исполнение исполнения Сплит (дифференциальны й) с коаксиальной пульсационной трубой с выносным ресивером Сплит (дифференциальны й) с коаксиальной пульсационной трубой со встроенным ресивером Сплит (дифференциальны й) с коаксиальной пульсационной трубой со встроенным ресивером

Тип вытеснителя пассивный пассивный пассивный

Холодопроизводительност ь, Вт 1 1.4 5.1

Температура криостатирования, К 80 80 80

Потребляемая мощность, Вт 63 85 180

Масса, кг 3 2.1 7

Срок службы, ч MTTF>60000 90000 90000

Температура окр. среды, °С 23 (-40 до +60) 23 (+0...+50) 23 (-40.71)

Габаритные размер КМ (ШхВхД), мм 06Ох12О 06Ох12О 09Ох2О4

Степень термодинамического совершенства, % 4.3 4.4 7.5

Габаритные размер ХП (ШхВхД), мм 034х88 + ресивер 03Ох8О 06Ох18О 08Ох194

Применение Бортовые системы; научные инструменты; оборудование для ИК-наблюдения. Криостатирование ИК-детекторов, ВТСП элементов.

Рисунок МКГ и источник заимствования 1.7 а [46] 1.7 б [47]

а) б)

Рисунок 1.7. Конструктивное исполнение МКГ типа Стирлинг с

пульсационной трубой: а - линейный сплит МКГ с раздельной буферной емкостью (ресивер), модель SF100PT 1000мВт@80К, 23°С (AIM, США), MTTF>600004; б - линейный сплит МКГ с коаксиальным расположением буферной емкости, модель LPT9510 1400мВт@80 K, 23°C (Thales Cryogenic, Нидерланды), MTTF>400004

Цикл Сольвея

На Рисунке 1.8 представлен цикл Сольвея, который может быть реализован при наличии поршня в полости расширения. Процессы, происходящие на «холодном пальце», аналогичны обычному механизму расширения, который схематично представлен на Рисунке 1.9 (а). Газ поступает в расширительное пространство с давлением Р2 и занимает объем V], далее впускной газ закрывается и газ расширяется изоэнтропно до давления Р]. Максимальная эффективность достигается при давлении Р\ равному давления выхлопа. Схема на Рисунке 1.9 (а) на практике не реализуется из-за конечного объема регенератора, Рисунок (б) более реалистичен. Для втягивания объема расширения необходимо заполнить объем регенератора, а это приводит к большему потреблению газа за цикл, чем при

идеальном процессе расширения. Газ, находящийся в пространстве регенератора, расширяется и приводит к производству большего количества работы РУ, чем было бы произведено в противном случае. Дополнительная работа за счет расширения газа в регенераторе изображена заштрихованной областью на Рисунке 1.9 (б). Эта дополнительная работа расширения газа в регенераторе частично компенсирует дополнительную потребность в газе.

Рисунок 1.8. Идеальный цикл Сольвея

Холодильный коэффициент идеального цикла Сольвея при допущении, что работа, производимая рабочим газом во время расширения, используется в процессе сжатия, возможно рассчитать:

/

Энтропия 5

5

сорид мкг —

^5 - ^4 - (1 - • (Л3 - Л4)

(1.14)

(Г2(51-52)-(Л1-Л2)}

• (Лз - Л4)

^со

где Цас1 - адиабатный кпд детандера; Цсо - полный кпд компрессора; Це,т - механический кпд детандера.

а)

Р

н

/?