Пристрій охолодження приймача променистої енергії оптико-електронного приладу

Запропонований винахід відноситься до систем охолодження, а конкретно до дросельних мікрокріогенних систем (МКС), призначених для охолодження до кріогенних температур приймачів променистої енергії (ППЕ) оптико-електронних приладів (ОЕП). Відома балонна МКС з автоматичним регулюванням подачі кріоагента для охолодження ППЕ. Стиснутий кріоагент запасається в балоні високого тиску і в результаті дроселювання і охолодження в мікрохолодильнику (MX) охолоджує об'єкт (ППЕ), розташований в посудині Дьюара, яка служить корпусом мікрохолодильника. При цьому витрата кріоагента регулюється системою управління за сигналом датчика температури, встановленого в холодній зоні мікрохолодильника [див. 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]. Недоліком вищезгаданої системи охолодження є нестабільна температура охолодження ППЕ внаслідок зміни тиску в холодній зоні мікрохолодильника при регулюванні витрат кріоагента. Такою системою неможливо охолоджувати корпус ППЕ, що хитається, і тому неможливо покращити технічні характеристики ОЕП. У мікрокріогенній техніці існує мікрохолодильник з паралельним дроселюванням кріоагента, який використовується для охолодження приймачів променистої енергії і відноситься до групи "бризкаючих" мікрохолодильників. [А.с. №377591(СССР). Микрохолодильник. В.И.Животовский, Л.Д.Корнеенко и Ю.В.Шиганский. Опубл. в Б.И., №18, 1973]. Цим MX можна охолоджувати рухомі об'єкти. Мікрохолодильник у складі балонної дросельної мікрокріогенної системи працює таким чином. Азот, стиснутий до робочого тиску 35МПа, накопичується в балоні. У процесі роботи азот високого тиску надходить в MX. Внаслідок паралельного (рівнобіжного) 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. Рідкий азот накопичується в порожнині корпуса ППЕ до початку автономного режиму. У період автономного режиму робочий рівень температури ППЕ забезпечується за рахунок випаровування рідинної фази азоту, який накопичується в корпусі ППЕ. Недоліком такої системи охолодження ППЕ є її низька ефективність (економічність), обмежений час роботи від балона (30с) при забезпеченні високої швидкодії системи (час виходу на режим ППЕ-4-5с). Необхідно відзначити, що параметри ОЕП під час роботи з такою системою охолодження протягом 1 хвилини різко погіршуються внаслідок вироблення надлишку рідкої фази мікрохолодильником, попадання рідини на деталі карданова підвісу ОЕП та утворення градієнта температур на його елементах. Наприклад, на 50-й секунді роботи системи охолодження на азоті (Р=20МПа) на втулці карданова підвісу градієнт температур між напівосями підвісних підшипників (верхнє та нижнє положення) складає Δt=160°С. Це приводить до зміни геометричних розмірів деталей, їх форми, відбувається деформація деталей внаслідок лінійного розширення, яке створює велике зусилля на елементах конструкції карданова підвісу, що значно знижує точність та надійність ОЕП. Переохолодження деталей ОЕП, при працюючій системі охолодження, не дозволяє тривалий час проводити настроювання оптико-механічного блока та оптико-електронного приладу (час роботи для настроювання тільки 30с з наступною перервою у 20хв.). Вказаний недолік знижує можливість серійного виробництва ОЕП з підвищеними технічними характеристиками. Мікрохолодильник за а.с. №377591, працюючий в балонній МКС з автоматичним регулюванням подачі кріоагента для охолодження ППЕ (див. Романенко Н.Т., Рынковой Φ.Φ. Исследование...), найбільш близький до технічного рішення, що заявляється, і який узято за прототип. Періодична (циклічна) подача кріоагента здійснюється за допомогою системи автоматичного регулювання. Її виконавчим органом є електропневмоклапан, розташований перед мікрохолодильником, і 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 випару накопиченої в процесі "підживлення" рідкої фази кріоагента та акумуляції холоду в теплоємних деталях конструкції. До основних недоліків вищезгаданої системи 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 електронний регулятор миттєво реагує на зміну температури корпусу ППЕ і тому рідкий кріоагент не встигає накопичуватись в корпусі ППЕ. При цьому система охолодження працює неекономічно, особливо в пусковому періоді і, як наслідок, зменшується тривалість роботи від балона. Слід особливо відзначити, що в конструкціях ППЕ, які хитаються, дуже важко встановити термодатчик, тому що характеристики ОЕП різко погіршуються при збільшенні кількості виводів ППЕ через появу додаткового відхиляючого моменту. Перед авторами стояло завдання створити економічний пристрій охолодження ППЕ, який би дозволив: - скоротити час виходу на режим ППЕ; - збільшити час підтримування робочої температури ППЕ в автономному режимі; - збільшити час, відведений на настроювання ОЕП при роботі з кріоагентом; - підвищити надійність та стабілізувати параметри ОЕП при роботі з кріоагентом під час настроювання і проведення приймально-здавальних випробувань. Поставлене завдання вирішується за рахунок того, що в пристрої охолодження ППЕ оптико-електронного приладу , до складу якого входить джерело живлення кріоагента, яке послідовно з'єднано трубопроводом з електропневмоклапаном і мікрохолодильником, схема циклічної подачі кріоагента, приймач променистої енергії послідовно з'єднано з перетворювачем струм-напруга , буферним каскадом , схемою фіксації виходу на режим приймача променистої енергії, схемою разової подачі кріоагента, схемою циклічної подачі кріоагента, з першим входом підсилювача потужності, а його вихід з'єднано з електропневмоклапаном, причому вихід схеми разової подачі кріоагента послідовно з'єднано з першим входом схеми запуску циклічної подачі кріоагента, вихід якої з'єднано з другим входом підсилювача потужності. Використання вищезгаданих технічних рішень дозволяє: - використовувати ППЕ (фотодіод) як датчик температури для управління електропневмоклапаном системи охолодження у пусковому періоді; - зберегти конструкцію ОЕП з високими технічними характеристиками; - не збільшувати масу корпусу ППЕ і кількість виводів, які виходять з конструкції корпусу ППЕ; - підвищити економічність пристрою охолодження ППЕ (витрата газоподібного азоту зменшується приблизно у 7...8 разів у порівнянні з безперервною подачею кріоагента), а також збільшити приблизно у 12 разів час, відведений на настроювання ОЕП та приймально-здавальні випробування при роботі з азотом за рахунок усунення переохолодження деталей карданова підвісу; - зменшити вартість ОЕП; - поліпшити умови праці робочих за рахунок зменшення загазованості цехових приміщень шляхом зменшення витрат кріоагента пристроєм охолодження ППЕ ОЕП. Сутність винаходу пояснюється кресленням, де наведено блок-схему пристрою охолодження приймача променистої енергії оптико-електронного приладу, в якому: 1 - джерело живлення кріоагента; 2 - трубопровід (газовий тракт високого тиску); 3 - регулювальний електропневмоклапан ; 4 - двосекційний мікрохолодильник; 5 - приймач променистої енергії; 6 - перетворювач струм-напруга; 7 - буферний каскад; 8 - схема фіксації виходу на режим ППЕ; 9 - схема разової подачі кріоагента; 10 - схема циклічної подачі кріоагента; 11 - підсилювач потужності; 12 - схема запуску циклічної подачі кріоагента; 13 - основний тракт ОЕП. Пристрій охолодження ППЕ ОЕП працює таким чином (див. креслення). При натисканні кнопки "Пуск" на схему запуску циклічної подачі кріоагента 12 подається напруга постійного струму , з виходу якої сигнал надходить на другий вхід підсилювача потужності 11, де він підсилюється і подається на обмотку привода електропневмоклапана (ЕПК) 3, який відкривається. Із джерела живлення кріоагента 1 кріоагент по трубопроводам 2 через ЕПК 3 надходить у двосекційний мікрохолодильник (MX) 4. У MX 4 кріоагент (азот) високого тиску дроселюється в секціях попереднього охолодження і зрідження. Крім того, в секціях MX 4 відбувається теплообмін між потоками газу високого і низького тиску. Азот низького тиску рухається по теплообміннику MX 4 в зворотному напрямку після дроселювання. Відбувається рекуперація холоду, яка приводить до зниження температури азоту перед дросельними отворами обох секцій MX 4. Виходячи з трубки секції зрідження MX 4, охолоджений азот у вигляді парорідинної суміші надходить в корпус ППЕ 5 для його охолодження та накопичення рідкого азоту у внутрішньому об'ємі корпусу ППЕ 5. При наближенні температури ППЕ 5 до робочої негативна напруга постійного струму на виході перетворювача струм-напруга 6 зменшується, а на виході схеми фіксації виходу на режим ППЕ 8 напруга постійного струму змінює свій знак на протилежний. Незважаючи на це, подача азоту триває ще деякий час, визначений схемою разової подачі кріоагента 9 , за який відбувається накопичення рідкої фази азоту в корпусі ППЕ 5. Після цього схема разової подачі кріоагента 9 відключається і не впливає на подальшу роботу пристрою. Схема фіксації виходу на режим ППЕ 8 дозволяє враховувати роботу пристрою охолодження в широкому діапазоні зміни температури оточуючого середовища та зміни параметрів кріоагента (температури, тиску). Схема разової подачі кріоагента 9 призначена для оптимального накопичення рідкого азоту в корпусі ППЕ 5 та усунення переливу рідкого азоту з корпусу ППЕ 5 в пусковому періоді, а також для включення схеми циклічної подачі кріоагента 10. Після надходження команди на включення схеми циклічної подачі кріоагента 10 до мікрохолодильника 4 зі схеми разової подачі кріоагента 9, схема циклічної подачі кріоагента 10 формує сигнал певної частоти і шпаруватості, який надходить на перший вхід підсилювача 11, де він підсилюється і надходить далі на обмотку електропневмоклапана 3, тобто клапан періодично відкривається на час подачі кріоагента і закривається на час паузи. Тривалість інтервалів подачі та паузи установлюється оператором. Такий спосіб регулювання та охолодження гарантує підтримування постійної температури охолодження ППЕ (тобто температуру кипіння рідкого азоту), що важливо при настроюванні деяких параметрів ОЕП, а також при проведенні приймально-здавальних випробувань (ПЗВ). Використання запропонованого пристрою для охолодження приймача променистої енергії при порівнянні з прототипом [див. а.с. №377591/СССР] дозволяє: - використовувати ППЕ (фотодіод) як датчик температури для управління електропневмоклапаном системи охолодження у пусковому періоді; - враховувати роботу пристрою охолодження ППЕ в широкому діапазоні зміни температур оточуючого середовища та зміни параметрів кріоагента (температури, тиску) за рахунок того, що відбувається одночасна подача кріоагента в мікрохолодильник і вимір виходу на робочий режим ППЕ; - оптимально накопичувати рідкий кріоагент в корпусі ППЕ, зменшити до мінімуму перелив рідкого кріоагента з корпусу ППЕ в початковому періоді роботи пристрою охолодження, за рахунок одноразового накопичення рідкого кріоагента в корпусі ППЕ до заданої величини; - зменшити переохолодження деталей карданова підвісу ОЕП; - підвищити надійність та стабілізувати параметри ОЕП при роботі з кріоагентом; - зменшити вартість ОЕП, збільшивши час настроювання та час відведений на ПЗВ, а також за рахунок заощадження азоту; - зменшити загазованість цехових приміщень за рахунок зменшення витрат кріоагента пристроєм охолодження MX 4; - збільшити приблизно у 12 разів час, відведений на настроювання ОЕП при ПЗВ та при роботі з кріоагентом; - зменшити витрати кріоагента для охолодження ППЕ приблизно у 7... 8 разів у порівнянні з безперервною подачею кріоагента.