Лазерный мир

А. В. Самвелов, С. Г. Ясев, А. С. Москаленко, В. В. Старцев, О. В. Пахомов // журнал Фотоника, том 13 № 1 2019, с 58-64

Важнейшей составной частью охлаждаемых фотоприемных модулей является микрокриогенная система криостатирования, во многом определяющая технико-эксплуатационные характеристики изделия. В АО «ОКБ «АСТОРН» разработаны и внедрены в производство конструкции микрокриогенных систем криостатирования, Данная разработка является составной частью программы развития АО «ОКБ «АСТРОН», где разработаны и запущены в производство фотоприемные модули диапазона 7–14 мкм размером 384 Ч 288 и 640 Ч 480 элементов.

Одним из важнейших направлений реализации «Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации», утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 года № 642, являются технологии оптоэлектроники и фотоэлектроники. Технологии фотоэлектроники – ​критические технологии, определяющие степень технологического развития государства. Уровень современной фотоэлектроники, в свою очередь, во многом определяется развитием технологий новых поколений, охлаждаемых фотоприемных модулей (ФПМ) и микрокриогенных систем к ним. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Отечественные производители различных типов охлаждаемых фотоприемных устройств нуждаются в крупносерийном производстве микрокриогенных систем (МКС) с более высоким КПД, пониженными массогабаритными показателями и с ресурсом до 20 тысяч часов и выше. На сегодняшний день в России отсутствует выпуск качественных микрокриогенных систем (МКС), удовлетворяющих производителей ФПМ, тогда как за рубежом ведутся активные работы по увеличению срока эксплуатации существующих криоохладителей, проводится разработка и освоение производства принципиально новых систем для криостатирования.

В АО «ОКБ «АСТОРН» разработаны и внедрены в производство конструкции МКС, способные конкурировать с лучшими аналогичными по классу зарубежными образцами систем охлаждения. При проектировании МКС АО «ОКБ «АСТРОН» были использованы способы и технологические решения для повышения эффективности, улучшения массогабаритных, энергетических и ресурсных показателей интегральных МКС холодопроизводительностью 500 и 750 мВт (при НКУ и Те = 80 К), работающих по замкнутому обратному термогазодинамическому регенеративному циклу Стирлинга с внутренней регенерацией тепла, в качестве рабочего тела которого используется сверхчистый газообразный гелий.

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ МКС

Разработанные МКС (рис. 1) – ​это микромодули, состоящие из поршневых машин и теплообменных аппаратов в виде единого блока. Отсутствует запорная арматура, уменьшены размеры и масса, улучшены энергетические показатели. Специфика цикла таких МКС основана на процессах компримирования и экспансии криоагента, сопровождающихся тепломассообменом между полостями с различными температурами, нестационарностью процессов в теплообменных аппаратах, флюктуациями температур, потерями холодопроизводительности различной природы. Указанные обстоятельства в значительной степени затрудняют математическое моделирование подобных устройств. Максимально полный учет потерь холодопроизводительности МКС – ​залог повышения их эффективности.

Полная холодопроизводительность идеального цикла Стирлинга: Qе = М R Tе ln (V1 / V2), где М – ​массовый расход газа-криоагента; R – ​газовая постоянная рабочего газа; Те – ​температура криостатирования; V1, V2 – ​объемы полостей сжатия и расширения, соответственно. Полезная холодопроизводительность охладителя Стирлинга: Qп = Qe – ΔQ, где ΔQ = Qнед. + Qтп + Qпер. + Qвт + Qгидр. + Qпроч. – ​потери холодопроизводительности от неэффективности теплообмена в регенераторе, теплопритоков по элементам конструкции, перетечек криоагента, переноса тепла вытеснителем, гидравлические потери, прочие потери, соответственно [1–3]. МКС данного класса – ​это также 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. 2 представлены некоторые прецизионные детали МКС. МКС в интегральном исполнении обладают достаточно высокой эффективностью, поскольку разделение блоков при реализации цикла сплит-Стирлинг увеличивает «мертвый» объем полостей устройства, гидравлические потери в каналах, а главное, затрудняется возможность достижения оптимального угла фазового сдвига между максимальным объемом полости сжатия и минимальным давлением полости расширения[3]. МКС оснащена электродвигателем с регулируемым числом оборотов, что позволяет в стационарном режиме поддерживать температуру криостатирования при низком энергопотреблении (менее 3–4 Вт). Малое энергопотребление отражается на повышении ресурса МКС и аппаратуры в целом, уменьшении уровня вибровоздействия на фотоприемный модуль (ФПМ), что весьма важно для получения требуемых фотоэлектрических параметров. В качестве привода МКС используется высокоэффективный моментный электродвигатель в облегченном исполнении совместной разработки ООО «Модем-Техно» и АО «ОКБ «АСТРОН».

Двигатель состоит из статора, состоящего из девяти 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 полость электродвигателя и внутренний объем МКС.

Это позволяет исключить попадание посторонних частиц со стороны статора в газовую полость машины. 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 МКС и ФПМ не превышают 0,2–0,3 Вт. Таким образом, МКС работает в режиме энергосбережения в пусковом периоде, потребляя до 30 Вт, а в стационаре не более 3–4 Вт. Это значительно снижает виброактивность МКС, что особенно важно для основного режима работы ФЭМ, а пониженное число оборотов, кроме того, открывает путь совершенствования конструкции и технологии в вопросах подбора антифрикционных материалов для доведения ресурса работы ФПМ до 10 000 часов и более.

Поскольку система работает по обратному циклу Стирлинга с использованием постоянного количества криоагента, значительно возрастает влияние утечек и перетечек, газовыделений, «мертвого» объема, гидравлических потерь и др. В связи с этим используемые технологические процессы должны соответствовать возросшим требованиям, предъявляемым к производству МКС. Одной из главных особенностей данной МКС является наличие в рабочем объеме системы встроенных теплообменных аппаратов. Это объясняет сложный характер протекания процессов в цикле, затрудняет оценку влияния изменения каждого параметра и конструктивного фактора на холодопроизводительность и эффективность системы, поскольку эти изменения влияют не только на процессы в конкретном элементе системы, но и на весь рабочий цикл.

Основной причиной снижения эффективности МКС являются потери в регенераторе. В зависимости от уровня криостатирования, размеров и типа системы потери могут составлять от 30 до 90% располагаемой мощности охлаждения. Это объясняется спецификой работы встроенных регенераторов, так как газовые полости регенератора включены в рабочий объем МКС. Они составляют около 70% всего «мертвого» объема системы, т. е. являются одной из основных причин уменьшения удельной холодопроизводительности, а следовательно, и эффективности МКС. Следствием этого является жесткое ограничение на размеры регенератора [1]. Специфику конструкции регенераторов МКС 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. В проходном сечении регенератора ламинарный поток газа характеризуется перепадом давления под влиянием сил трения и, согласно уравнению Дарси-Вейсбаха, равен: ∆р = (ξ · ρ · ν2 · l) / 2 · dэкв, где ξ – ​коэффициент сопротивления силам трения; ρ – ​удельный вес газа; v – ​средняя скорость движения газа в зазоре; l – ​длина канала; dэкв – ​эквивалентный диаметр канала. При ламинарном течении гелия в сечении регенератора (режим, при котором эквивалентный диаметр много меньше длины канала) ξ = 64 ν / (ν · dэкв), ν – ​кинематическая вязкость газа [4]. Тогда ∆р = 32 · ν · ρ · ν2 · l / dэкв2. Таким образом, перепад давления вследствие сил трения прямо пропорционален средней скорости гелия в сечении регенератора и обратно пропорционален квадрату эквивалентного диаметра ∆р ~ ν / dэкв2. А поскольку объемный расход проходящего газа: G = ν · S, где S – ​площадь поперечного сечения канала (S ~ dэкв2), то в итоге перепад давления по длине регенератора меняется достаточно ощутимо с изменением эквивалентного диаметра (пропорционально 4-й степени).

Наиболее распространена насадка регенератора из проволочных сеток, она позволяет в значительной степени упростить технологию изготовления регенератора и повысить его эффективность за счет равномерного распределения металла по объему аппарата. Сетка изготавливается из мягкой отожженной проволоки диаметром 30 мкм. Оптимальная компоновка регенератора МКС данного типа – ​размещение внутри вытеснителя. Такой вариант конструктивного решения используется в разрабатываемой МКС, это позволяет уменьшить поперечные размеры низкотемпературной части. Поскольку для увеличения срока службы системы уменьшено число циклов, уменьшены ходы поршня и вытеснителя, то это дает возможность несколько увеличить их диаметр и получить рациональные размеры регенератора [2]. ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ МКС Особенности эксплуатации МКС определяют жесткие требования к виброактивности.

Допустимые колебания холодного цилиндра системы в различных плоскостях не должны превышать 10–20 мкм. Это требование обеспечивается выбором размеров механизма и уравновешиванием возникающих сил инерции и моментов вращающихся масс.

Правильный выбор кинематических соотношений механизма движения способствует улучшению габаритных и ресурсных характеристик систем. В данной системе вопросы уравновешивания играют важную роль, поскольку она конструктивно реализует интегральный цикл Стирлинга, не имеющий гибких развязок [5]. МКС включает в себя двухрядный кривошипно-шатунный механизм, который обеспечивает привод компрессорного поршня и вытеснителя, причем 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 [6]. Весьма важным моментом, необходимым для нормальной работы МКС, является ​чистота газовых полостей, обеспечивающая работоспособность системы в течение всего срока службы без дозаправки и замены криоагента. Все детали системы содержат растворенные в их глубине или адсорбированные на поверхности газы.

Эти газы следует предварительно удалить, так как они будут выделяться в рабочий объем системы, загрязнять ее газовую полость, высаживаться в регенераторе, уменьшая тем самым холодопроизводительность МКС, а также долговечность и надежность работы системы [7]. Обеспечение требуемых надежности и долговечности работы МКС предъявляет особые требования к кондиции криоагента.

Проведенные работы показали, что наиболее полно соответствует требуемым нормам газообразный гелий высокой чистоты с объемной долей 99,9999% по гелию. ОСОБЕННОСТИ ИНТЕГРАЦИИ МКС Полностью собранная и заполненная гелием МКС поступает на интеграцию с МФПУ. Учитывая специфику узла сопряжения МКС с ФПМ, процесс интеграции достаточно сложен и представляет собой ответственный комплекс технологических операций, поскольку в его процессе нарушается герметичность МКС, газовые полости вступают в контакт с окружающим воздухом, устанавливаются новые статические уплотняющие элементы в место стыковки МКС с ФПМ, проверяются допуски формы и размеров рабочей пары гильза-вытеснитель.

В связи с этим технология интеграции МКС с ФПМ требует более тщательного контроля, повышенных требований к чистоте помещения и проведению операций по вакуумированию внутренней полости МКС и заправке гелием с последующей проверкой герметичности системы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Суслов А. Д. и др. Криогенные газовые системы. М.: Машиностроение, 1982. Suslov A. D. i dr. Kriogennye gazovye sistemy. M.: Mashinostroenie, 1982.

2. Штейн Л. Л.  Вопросы криогенной техники. М.: Цинтихимнефтомаш, 1968. SHtejn L. L. Voprosy kriogennoj tekhniki. M.: Cintihimneftomash, 1968.

3. Грезин А. К., Зиновьев В. С. Микрокриогенная техника. М.: Машиностроение, 1977. Grezin A. K., Zinov’ev V. S. Mikrokriogennaya tekhnika. M.: Mashinostroenie, 1977.

4. Малков М. П. Справочник по физико-техническим основам криогеники. М.: Энергоиздат, 1985. Malkov M. P. Spravochnik po fiziko-tekhnicheskim osnovam kriogeniki. M.: EHnergoizdat, 1985.

5. Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. М.: Колос, 2000Plastinin P. I. Porshnevye kompressory. M.: Kolos, 2000.

6. Грезин А. К. Криогенное и холодильное оборудование и технологии, в 2-х частях. Омск: АО «Сибкриотехника», 1997. Grezin A. K. Kriogennoe i holodil’noe oborudovanie i tekhnologii, v 2-h chastyah. Omsk: AO «Sibkriotekhnika», 1997. 7. Титушина В. П., Валыгина К. В. Расчет вакуумных систем. М.: МЭИ, 1975. Titushina V. P., Valygina K. V. Raschet vakuumnyh sistem. M.: MEHI, 1975.

Полное содержание статьи: http://www.photonics.su/files/article_pdf/7/article_7272_970.pdf