大冷量分置式低温制冷机的研究与分析

　　展的先进水平，满足国内红外探测器系统和超导器件的需求，在各级领导的大力支持和帮助下，我们开展了“大冷量分置式低温制冷机”的研究；大冷量分置式低温制冷机项目共开展和完成了压机、膨胀机线性谐振技术，制冷效率提高技术，密封技术，可靠性技术，制冷机散热技术，工质污染控制技术和驱动控制与电磁兼容技术等研究内容；解决了大冷量分置式低温制冷机的结构微优化设计、整机效率和可靠性等关键技术，实现了大冷量分置式低温制冷机结构紧凑、降温快、制冷效率高、稳定性高的目标，所研制的“大冷量分置式低温制冷机”样机已在某工程项目中红外探测器组件上联试取得良好效果，其性能指标满足配套需求。
　　2主要技术性能指标3W/80K（60°C环境温度）；最大功耗：矣250W；降温时间：矣5min（296K降温到80K，1500热质3设计计算与分析3.1热力学计算系统热力学计算过程根据低温制冷机采用了等温模型分离计算法m，先假设各种损失互不影响，与理想循环也无关系，按等温模型计算理想循环，得到压力变化、质量分布、理论制冷量和理论功耗等参数，然后分别计算各种冷量损失和直接功耗损失。主要计算公式如下：从理论制冷量中扣除回热器损失、热辐射损失、流阻损失、穿梭损失、泵气损失和轴向导热损失，获得的有效制冷量为：Qcoac=Qco-⑶为各项冷损之和。
　　轴功率（理论功耗）除以等温压缩效率、机械效率、电机效率、电源效率、即得到实际输入功率为：Pac 3.2动力学计算动力学设计目标是：要求在环境温度为23°C，制冷温度在80K时，压机和膨胀机都处于速度共振状态下，此时容积相角为90°，系统输入功率最小，而输出制冷量最大。
　　压机系统可简化为单质量，单自由度的受迫阻尼振动模型，为了便于分析，参照特种压缩机线性近似法3，我们将系统气体弹簧刚度和等效阻尼系数简化如下：系统受力情况如所示。
　　根据牛顿定律可知，这四个力之合为零。
　　得联立方程：求解得激振力为：根据速度倍率的频响曲线可知，当（时，系统发生速度共振，此时p：=90°，即位移与激振力的相角为90°，又因位移与速度也为90°相角，可知此时速度与激振力同相，也即在激振力最大时，运动质量以最大速度通过平衡位置，并最有效地吸收激振能量，获最大的压机效率，此时求得：F=cA，上￡、尸、尸、1/已由热力学计算过程给出，这样通过A值的假定和校核，即可求出F、K弹、等参数。
　　膨胀机系统与压机系统相类似，也可简化为单质量、单自由度的受迫阻尼振动模型。为实现容积相角为90°的设计目标，膨胀机系统也必须处于速度共振状态，其计算方法和压缩机基本相同，只是气体弹簧刚度、等效阻尼系数和激振力由学计算过程给出，这样通过A值的假定和校核，即可求出F、K弹、K、等参数。
　　3.3磁路设计永久磁铁是提供工作气隙磁场强度的能源，合理选择永久磁铁材料是磁路设计的一个重要方面。永磁材料种类很多，根据工作环境温度要求，我们选择NdFeB稀土永磁合金。
　　磁隙回路的设计如所示，本磁路主要由磁极、磁钢和气隙构成一闭合磁路，其中磁极既是压缩机气缸，又是外壳，这种结构设计有效地利用了空间，使制冷器结构紧凑、体积小、重量轻；磁钢采用径向充磁方式，其利用率高。
　　磁路结构示意图根据电磁激振力有效值F.，我们选取单边电流有效值/，这时在满足系统输入功率250W的要求下，得比推力B1g=F/A.为获得较为合适的气隙磁感应强度和工作气隙面积，我们按照经验选取工作气隙的长宽尺寸比为1：4，确定气隙长度为5，宽度1g，再按照漆包线尺寸计算得1和Bs.这样根据已知工作气隙尺寸和气隙磁感应强度，即可求出永久磁铁的尺寸。主要计算公式如下：HG/GS（14）计算得磁钢厚度lm.另经验算，本磁路中内外磁极尚未达到饱和状态。
　　符号名称计算结果1计算结果2压缩缸径压缩行程膨胀腔缸径膨胀腔行程工作频率充气压力容积相角冷腔温度环境温度回热损失流阻损失穿梭损失泵气损失辐射损失传导损失理论制冷量实际制冷量等温效率机械效率电机效率电源效率理论功耗总功耗4结构设计及特点4.1制冷器结构（如所示）及特点4.1.1压机结构及特点压机由两个单活塞线性压机构成，整体采用对置式结构；直线电机磁路采用单气隙闭合磁路，磁钢径向充磁，动圈为单音圈；动圈支撑元件为圆柱弹簧；压缩腔与内磁极互为一体，压缩活塞与压缩气缸间采取间隙迷宫密封；压机整体为全密封焊接结构，其中后盖与压机外壳采用氩弧焊接，绝缘子与后盖采用真空烧结，出气口与分置管联接采用银钎焊，充气咀处也采用金属密封。
　　压机工作介质为氦气，充气压力为2. 5MPa，工作频率为50Hz，压缩缸径为022，设计行4.1.2膨胀机结构及特点膨胀机为气动型结构，由冷腔、室温腔和气动腔三部分构成，推移活塞的回热器部分在室温端与冷端间运动，推移活塞杆则在气动腔内作往复运动；推移活塞的回热器内装400目不锈钢网片，填充率为32%，推移活塞与导向衬套间为间隙迷宫密封；膨胀机推移活塞的支撑元件为圆柱弹簧；膨胀机结构密封采用金属密封，进气管与膨胀机后座间采用银焊；膨胀机冷腔直径分别为912，推移活塞的行程为±2mm，工作频率为50Hz. 4.1.3驱动控制电源及特点制冷器结构示意图SPWM波，之后由桥式逆变器将其放大，再经滤波解调出平滑的正弦波信号驱动制冷器工作；（2）控制电路采用恒流源提供1mA偏流给器件杜瓦内PN结二极管温度计，器件杜瓦内温度传感器在1mA恒流的作用下，将其温度变化量转变为相应的电压变化值，再进行A/D采样，得到二极管温度值，CPU根据此温度值进行PID运算，控制正弦波信号的幅度，从而达到控制输出信号功率，使制冷器工作在设定的温度值范围内。
　　5可靠性计算及分析根据指标要求，本项目制冷机的可靠性指标为1000h，而制冷机可分为驱动控制电源、线性电机和制冷部件三部分（如框所示）。
　　制冷机可靠性链接框图Fig.参照整机系统可靠性设计理论与实用技分给各系统，N为各分系统的单元数，N=3.按上述计算可知：三部分可靠性指标均为3300h，这其中电源和线性电机属于成熟产品，其可靠性均可达到1h以上，因而容易达到指标要求，影响制冷部件的可靠性的因素，主要有泄漏、磨损、弹性疲劳和污染四个方面，其中泄漏、弹性疲劳和污染可通过控制氦泄漏率、设计和高温定时烘烤排气的方法来加以解决，而磨损则借鉴中国电子科技集团公司第十六研究所同类型线性分置式斯特林制冷机设计思路，采用高性能耐磨塑料（压缩活塞）和高硬度工具钢（气缸）构成配对磨擦副，同时通过高精加工设备和精密配工艺来保证零部件的加工和装配精度，实现减小磨损、提高制冷机可靠性的效果。
　　6主要性能指标测试结果大冷量分置式低温制冷机经设计、加工、检验、真空烘烤、装配、跑合和调试等工艺流程后，在室温（23°C±5°C）和高温环境下我们对样机进行了主要性能指标测试，其结果如下表所示：表2主要技术性能指标对照表指标内容合同指标2006年样机指标制、A旦市丨里重量矣分置距离最大功耗矣降温时间工作温度7结束语本文详细叙述了大冷量分置式低温制冷机的设计要求、设计计算和结构特点；分析了影响制冷机可靠性的各类因素；给出了主要性能指标的测试结果；通过上叙述和分析，充分展示了大冷量分置式低温制冷机结构紧凑、降温快、制冷效率高、稳定性高的特点；目前该制冷机的研制工作已取得良好的进展，可靠性工作正在深入进行，工程实用化目标将会逐步实现。