Раздел: ВЗГЛЯД Тема: Автор: Владимир ГРЕЧУШКИН, руководитель направления по работе со стратегическими заказчиками энергетического сектора и атомной отрасли подразделения IT Division компании Schneider Electric
Интегральные микрокриогенные системы Стирлинга в составе криостатируемых фотоприёмных модулей
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. На сегодняшний день в России отсутствует выпуск качественных микрокриогенных систем (МКС), удовлетворяющих производителей ФПМ, тогда как за рубежом ведётся активное крупносерийное производство МКС для криостатирования различных типов охлаждаемых фотоприёмных устройств, планомерно повышается ресурс существующих криоохладителей, проводится разработка и освоение производства принципиально новых систем охлаждения с более высоким КПД, пониженными массогабаритными показателями с ресурсом до 20 тыс. часов и выше. В АО «ОКБ «АСТРОН» разработаны и внедрены в производство конструкции МКС, способные конкурировать с лучшими аналогичными по классу зарубежными образцами систем охлаждения. При проектировании 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. 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.
Рис. 1. Микрокриогенные системы АО «ОКБ» АСТРОН Специфика цикла таких МКС основана на процессах компримирования и экспансии криоагента, сопровождающихся тепло-массообменом 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 учёт потерь холодопроизводительности МКС – залог повышения их эффективности. 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 увеличивают «мёртвый» объём полостей устройства, гидравлические потери в каналах, а главное, затрудняется возможность достижения оптимального угла фазового сдвига между максимальным объёмом полости сжатия и минимальным давлением полости расширения.
Рис. 2. Прецизионные детали МКС 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 ФПМ, что весьма важно для получения требуемых фотоэлектрических параметров. В качестве привода МКС используется высокоэффективный моментный электродвигатель в облегчённом исполнении совместной разработки ООО «Модем-Техно» и АО «ОКБ «АСТРОН». Двигатель состоит из статора 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 встроен в электродвигатель. Важным элементом конструкции двигателя является изолирующий экран, разделяющий полость электродвигателя и внутренний объём 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 ФПМ, 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, «мёртвого» 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 объёме 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 холодополизводительности. Это объясняется спецификой работы встроенных регенераторов, так как газовые полости регенератора включены в рабочий объём МКС. Они составляют около 70% всего «мёртвого» объёма системы, т.е. являются одной из основных причин уменьшения удельной холодопроизводительности, а, следовательно, и эффективности МКС. Следствием этого является жёсткое ограничение на размеры регенератора. Специфику конструкции регенераторов МКС определяют, главным образом, большие удельные поверхности насадки регенератора (от 104 до 5•104 м2/м3), 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 распределения металла по объёму аппарата. Сетка изготавливается из мягкой отожжённой проволоки диаметром 30 мкм. Оптимальная компоновка регенератора МКС данного типа – размещение внутри вытеснителя. Такой вариант конструктивного решения используется в разрабатываемой МКС и это позволяет уменьшить поперечные размеры низкотемпературной части. Поскольку для увеличения срока службы системы уменьшены число циклов, ходы поршня и вытеснителя, то это даёт возможность несколько увеличить их диаметр и получить рациональные размеры регенератора. Особенности эксплуатации МКС 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 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. МКС 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 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 растворённые в их глубине или адсорбированные на поверхности газы. Эти газы следует предварительно удалить, так как они будут выделяться в рабочий объём системы, загрязнять её газовую полость, высаживаться в регенераторе, уменьшая тем самым холодопроизводительность МКС, а также долговечность и надёжность работы системы. Обеспечение требуемых надёжности и долговечности работы МКС, 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 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, повышенные требования к чистоте помещения и проведению операций по вакуумированию внутренней полости МКС и заправке гелием с последующей проверкой герметичности системы.
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru Рады сообщить нашим читателям, что теперь нашем сайте работает модуль обратной связи. Нам важна ваша оценка наших публикаций! Также вы можете задавать свои вопросы.Наши авторы обязательно ответят на них. Ждем ваших оценок, вопросов и комментариев!

Добавить комментарий или задать вопрос

Правила комментирования статей

Версия для печати

Средняя оценка этой статьи: 0  (голосов: 0)
Ваша оценка: