Спосіб і пристрій охолодження приймача променистої енергії

Запропоновані винаходи відносяться до систем охолодження, а конкретно до балонних дросельних мікрокріогенних систем (МКС), призначених для охолодження до кріогенних температур приймачів променистої енергії (ППЕ) оптико-електронних приладів (ОЕП), які хитаються відносно поздовжньої осі приладу в деякім тілеснім куті. Відомий спосіб охолодження ППЕ, який включає періодичну подачу стиснутого кріоагента в мікрохолодильник (MX) за допомогою виконавчого механізму, керованого електричною схемою за сигналом з термодатчика, дроселювання кріоагента у MX, яких виробляє паро-рідинну суміш кріоагента для охолодження ППЕ. Цей спосіб реалізується в обладнанні охолодження приймача променистої енергії, яке включає періодичну подачу стиснутого кріоагента в однорядний трубчатий теплообмінник, розташований у посудині Дьюара, яка служить корпусом (кожухом) мікрохолодильника [Романенко Н.Т., Рынковой Φ. Φ. Исследование основных характеристик баллонной микрокриогенной системы с цикличной подачей криоагента. Химическое и нефтяное машиностроение, 1981г., №5, с.19-21]. Недоліки, притаманні цьому способу і обладнанню, можна звести до наступного: - нестабільна температура охолодження ППЕ, яка виникає внаслідок зміни тиску в холодній зоні мікрохолодильника (MX) при регулюванні витрат кріоагента, що приводить до підвищення температури охолодження об'єкта; - таким способом неможливо охолоджувати рухомі об'єкти, наприклад, об'єкти, які хитаються уздовж поздовжньої осі ОЕП в деякім тілеснім куті. У мікрокріогенній техніці відомо спосіб, що реалізується в мікрохолодильнику (MX) з паралельним дроселюванням кріоагента, який використовується для охолодження приймачів променистої енергії і відноситься до групи "бризкаючих" мікрохолодильників, які мають дві секції: секцію попереднього охолодження і секцію зрідження [а.с. №377591/СССР/. Микрохолодильник. В.И. Животовский, Л.Д. Корнеенко и Ю.В. Шиганский, Опубл. в Б.И., №18, 1973]. Приведений спосіб включає паралельне дроселювання кріоагента в багаторядному трубчатому витому теплообміннику, вироблення парорідинної суміші кріоагента і її транспортування для охолодження ППЕ. Відомо мікрохолодильник, що має стержень, на який навито багаторядний трубчатий витий теплообмінник, вхідні кінці трубок якого підключено до штуцера-колектора, а теплообмінник вміщено в кожух з холодного кінця теплообмінника виходить транзитна трубка теплообмінника. Мікрохолодильник, який реалізується в способі охолодження ППЕ, у складі балонної дросельної мікрокріогенної системи (МКС) працює таким чином. Азот, стиснутий до робочого тиску 35МПа, накопичується в балоні. В процесі роботи азот високого тиску надходить в MX. Внаслідок паралельного розширення азоту в MX відбувається теплообмін між потоками газу високого і низького тиску. Газ низького тиску рухається по теплообміннику у зворотному напрямку після дроселювання. Відбувається рекуперація холоду, що приводить до зниження температури перед дросельними отворами. Попередньо охолоджений азот в транзитній трубці виробляє паро-рідинну суміш, яка охолоджує приймач променистої енергії до робочого рівня. До основних недоліків способу і пристрою охолодження ППЕ, які реалізується в двосекційному MX в складі балонної дросельної МКС, необхідно віднести те, що він неефективно використовує паро-рідинну суміш при транспортуванні її в порожнину корпусу ППЕ уздовж поздовжньої осі через викид рідкого кріоагента з корпусу ППЕ, що веде до переохолодження деталей карданова підвісу ОЕП та виникненню градієнта температур на його елементах. Наприклад, на 50-й секунді роботи системи охолодження (Р=20МПа, азот) на втулці карданова підвісу градієнт температур між напівосями підвісних підшипників (верхнє та нижнє положення) складає Dt=160°С. Це знижує точність та надійність ОЕП за рахунок зміни геометричних розмірів деталей, їх форми, деформації деталей внаслідок лінійного розширення, яке створює велике зусилля на елементах конструкції карданова підвісу. Спосіб, який реалізується в мікрохолодильнику за а.с. №377591 і, який працює в балонній МКС з автоматичним регулюванням подачі кріоагента для охолодження ППЕ [див. Романенко Н.Т., Рынковой Φ. Φ. Исследование...], а також мікрохолодильник за а.с. №377591 найбільш близькі до технічних рішень, що заявляються, і які узято за прототип. Періодична (циклічна) подача кріоагента здійснюється за допомогою системи автоматичного регулювання. її виконавчим органом є електропневмоклапан, розташований перед мікрохолодильником, який періодично перекриває газовий канал високого тиску за сигналом з електронного регулятора, на вхід якого підключено термодатчик. Подача кріоагента здійснюється циклічно: за періодом "підживлення" (клапан відкритий) настає період "вибігу" (клапан закритий). Робочий режим охолодження ППЕ підтримується за рахунок випаровування накопиченої в процесі "підживлення" рідкої фази кріоагента та акумуляції холоду в теплоємних деталях конструкції. До основних недоліків вищезгаданих способу і пристрою охолодження ППЕ треба віднести те, що в корпусі встановлено термодатчик, який погіршує швидкодію системи (тобто збільшує час виходу на робочий режим ППЕ). Крім того, при такому регулюванні відбувається часте включення клапана тому, що інформація знімається з корпусу ППЕ і електронний регулятор миттєво реагує на зміну температури в корпусі ППЕ і тому рідкий кріоагент не встигає накопичуватись в його корпусі. При цьому спосіб охолодження ППЕ працюють неекономічно, особливо в пусковому періоді і, як наслідок цього, зменшується тривалість роботи від балона. Слід особливо підкреслити, що в розроблених та в тих, що тільки розробляються ОЕП, дуже важко встановити термодатчик через обмеження кількості виводів з'йому інформації, яка обробляється ОЕП, а також погіршення технічних характеристик ОЕП через появу додаткового відхиляючого моменту, який виникає від проводу (термодатчика) при хитанні корпусу ППЕ. При цьому знижується точність обробки інформації. Перед авторами було поставлене завдання, не змінюючи конструкцію ОЕП, створити спосіб і пристрій охолодження приймача променистої енергії, які б дозволили вирішити такі проблеми, а саме: - підвищити надійність та стабілізувати параметри ОЕП при роботі з кріоагентом за рахунок усунення переливу рідкого кріоагента з корпусу ППЕ на деталі карданова підвісу; - підвищити ефективність системи охолодження за рахунок використання циклічної подачі кріоагента в мікрохолодильник; - ефективно використовувати паро-рідинну суміш кріоагента при транспортуванні в корпус ППЕ та накопичення рідини в ньому; - збільшити час, виділений на настроювання ОЕП при роботі системи охолодження ; - зменшити вартість виробу; - поліпшити умови праці робочих за рахунок зменшення загазованості цехових приміщень. Поставлене завдання вирішується за рахунок того, що в способі охолодження приймача променистої енергії, який включає дроселювання кріоагента в мікрохолодильнику при управлінні періодичною подачею кріоагента в мікрохолодильник за допомогою виконавчого механізму, яким керує схема періодичної подачі кріоагента в мікрохолодильник, відповідно до винаходу, використовують приймач променистої енергії як датчик температури при управлінні періодичною подачею кріоагента в мікрохолодильник, при цьому струм з приймача променистої енергії перетворюють у наругу постійного струму і, в залежності від заданої величини напруги постійного струму, охолоджуюють приймач променистої енергії, а при досягненні ним робочої температури здійснюють накопичення рідкого кріоагента в корпусі приймача променистої енергії на установлений час до заданої величини, потім припиняють подачу кріоагента в мікрохолодильник і підтримують робочу температуру приймача променистої енергії за рахунок випаровування рідкого кріоагента в корпусі приймача променистої енергії, а при відхиленні напруги постійного струму від заданої величини починають знову подавати кріоагент в мікрохолодильник на час, який було задано. Крім того, здійснюють накопичення рідкого кріоагента, використовуючи капілярні сили матеріалу з пористою структурою і енергію паро-рідинної суміші кріоагента при дроселюванні в порожнині корпусу приймача променистої енергії. Для вирішення поставленого завдання в пристрої охолодження приймача променистої енергії, що містить джерело живлення кріоагента, яке послідовно з'єднано трубопроводом з електропневмоклапаном і мікрохолодильником, схему управління періодичною подачею кріоагента в мікрохолодильник, відповідно до винаходу, приймач променистої енергії встановлено на корпус, в якому порожнина є накопичувачем рідкого кріоагента, а приймач променистої енергії через перетворювач струм-напруга з'єднано зі входом схеми управління періодичною подачею кріоагента в мікрохолодильник, а вихід її через схему накопичення рідкого кріоагента з'єднано з електропневмоклапаном. Порожнина корпусу приймача променистої енергії заповнена матеріалом з пористою структурою, наприклад, скловолокном. Використання вищезгаданих технічних рішень (способу і пристрою охолодження ППЕ) дозволяє: - використовувати ППЕ (фотодіод) як датчик температури системи охолодження для періодичної подачі кріоагента в мікрохолодильник за допомогою системи управління та електропневмоклапана; - використовувати для накопичення рідкого кріоагента в корпусі ППЕ капілярні сили матеріалу з пористою структурою і енергію парорідинної суміші кріоагента при дроселюванні, наприклад, при обертанні у внутрішній порожнині корпусу ППЕ; - зменшити шуми ППЕ за рахунок спрямованого руху паро-рідинної суміші в корпусі ППЕ (мікрофонний ефект); - підвищити економічність системи охолодження ППЕ за рахунок економії газоподібного азоту приблизно у 10 разів у порівнянні з безперервною подачею кріоагента; - істотно зменшити переохолодження деталей карданова підвісу і тим самим збільшити у 20 разів час, відведений на приймально-здавальні випробування (ПЗВ) та настроювання виробу; - зберегти конструкцію ОЕП з високими технічними характеристиками без змін; - зменшити вартість ОЕП. Сутність запропонованих винаходів пояснюється кресленням. На Фіг.1 наведено блок-схему пристрою охолодження приймача променистої енергії (на кресленні ОЕП не показано), що реалізує запропонований спосіб, в якому: 1 - джерело живлення кріоагента (магістраль високого тиску, балон); 2 - трубопровід (газовий тракт 7 високого тиску); 3 - електропневмоклапан (ЕПК); 4 – двосекційний мікрохолодильник (MX), до складу якого входить багаторядний витий трубчатий теплообмінник 5, який складається з секції попереднього охолодження 6 і секції зрідження 7; на холодному кінці трубок теплообмінника 5 (секції попереднього охолодження 6) виконані дросельні отвори 8; 9 - вихід відпрацьованого кріоагента з теплообмінника 5 MX 4; 7 - секція зрідження являє собою транзитну трубку, яка виведена з багаторядного витого трубчатого теплообмінника 5 і кожуха MX 4 і спрямована у внутрішню порожнину приймальної камери корпусу 10 ППЕ, яка заповнена матеріалом з пористою структурою 11, наприклад, скловолокном; 12 - приймач променистої енергії; 13 - перетворювач струм-напруга, виконаний, наприклад, у вигляді операційного підсилювача; 14 - схема управління періодичною подачею кріоагента в MX 4; 15 - схема накопичення рідкого кріоагента. На Фіг.2 наведено загальний вигляд MX 4, але тільки рефрижераторного типу, в якому корпус 10 ППЕ 12 є також корпусом (кожухом) MX 4. Пристрій охолодження приймача променистої енергії, який реалізує даний спосіб, працює наступним чином. При розкритті пускового пристрою (на схемі не показаний) азот високого тиску з балона 1, проходячи послідовно трубопровід 2 і електропневмоклапан 3, надходить до мікрохолодильника 4, де він дроселюється в дросельних отворах секції попереднього охолодження 6 і в секції зрідження 7 (див. Фіг.1, 2). Крім того, в секціях 6, 7 відбувається теплообмін між потоками газу високого і низького тиску. Газ низького тиску рухається по теплообміннику 5 у зворотному напрямку після дроселювання. Відбувається рекуперація холоду, що приводить до зниження температури перед дросельними отворами обох секцій (6, 7). Виходячи з трубки секції зрідження 7, охолоджений азот у вигляді паро-рідинної суміші подається в корпус 10 для охолодження ППЕ 12 і накопичення рідкого кріоагента з використанням енергії потоку при транспортуванні і капілярних сил матеріалу з пористою структурою. При наближенні температури ППЕ 12 до робочої, негативна напруга постійного струму на виході перетворювача струм-напруга 13 зменшується, а напруга постійного струму на виході схеми періодичної подачі кріоагента змінює свій знак на протилежний (до заданої величини, що регулюється). Проте схема накопичення рідкого кріоагента 15 здійснює подачу кріоагента в MX 4 для накопичення оптимальної величини рідкого кріоегента в порожнині корпусу 10 ППЕ 12 для збільшення часу підтримання робочої температури ППЕ 12. Після припинення подачі кріоагента в MX 4 робоча температура ППЕ 12 підтримується за рахунок випаровування рідкої фази азоту в корпусі 10 ППЕ 12. Після випаровування усієї рідини, накопиченої в корпусі 10 ППЕ 12, температура шару ППЕ 12 підвищується (початок сходу з робочого режиму ППЕ) і струм ППЕ 12 збільшується, на виході перетворювача струм-напруга 13 наростає негативна напруга постійного струму, яке надходить на схему управління періодичною подачею кріоагента 14 в MX 4 до заданої величини. Після цього схема накопичення рідкого кріоагента 15 подає напругу постійного струму на обмотку електропневмоклапана 3, який відкривається і кріоагент надходить в MX 4, де він зріджується і охолоджує (приблизно за 0,1с) ППЕ 12 до робочої температури і одночасно здійснює накопичення рідкого кріоагента в корпусі 10 ППЕ 12 протягом заданого інтервалу часу (наприклад, протягом 3с). Після випаровування рідкого кріоагента, накопиченого в корпусі 10 ППЕ 12, процес підтримання робочої температури ППЕ 12 оптико-електронного приладу повторюється. Використання запропонованих способу і пристрою охолодження приймача променистої енергії ОЕП у порівнянні з прототипом дозволяє: - використовувати ППЕ (фотодіод) як датчик температури системи охолодження для періодичної подачі кріоагента в MX за допомогою системи управління і електропневмоклапана; - управління періодичною подачею кріоагента в MX здійснювати напругою постійного струму, для чого сигнал струму з ППЕ підсилюють і одночасно перетворюють в напругу постійного струму; - використовувати капілярні сили матеріалу з пористою структурою та енергію паро-рідинної суміші кріоагента при дроселюванні для накопичення рідкого кріоагента в корпусі ППЕ; - підвищити надійність виробу за рахунок усунення переливу рідкого кріоагента з корпусу ППЕ на елементи карданова підвісу; - зменшити витрати кріоагента приблизно у 10 разів при настроюванні виробів; - збільшити стабільність роботи системи охолодження при регулюванні за рахунок введення схеми накопичення рідкого кріоагента; - збільшити час, відведений на настроювання (приблизно у 20 разів), та забезпечити стабільність параметрів ОЕП під час роботи системи охолодження; - зменшити вартість виробу за рахунок збільшення часу, відведеного на настроювання, та зменшення витрат кріоагента; - покращити умови праці робочих за рахунок зменшення загазованості азотом цехових приміщень; - зменшити кількість спрацьовувань ЕГЖ за рахунок введення корпусу для накопичення рідкого кріоагента в ППЕ та схеми накопичення рідкого кріоагента.