王天太，王立保，張滿春，孫 超，鄧 鵬，程 成，余 波，潘 奇

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高德紅外RS058旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)設(shè)計(jì)及性能

王天太，王立保，張滿春，孫 超，鄧 鵬，程 成，余 波，潘 奇

（武漢高德紅外股份有限公司，湖北 武漢 430205）

斯特林制冷機(jī)被廣泛用于機(jī)載、艦載、裝甲車等項(xiàng)目的紅外武器裝備上，是現(xiàn)代國防非常重要的尖端技術(shù)產(chǎn)品之一，實(shí)現(xiàn)高性能斯特林制冷機(jī)的國產(chǎn)化具有重要戰(zhàn)略意義。RS058是高德紅外研制的微型旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)系列產(chǎn)品之一，適合中面陣、大面陣探測器使用，本文主要論述制冷機(jī)的設(shè)計(jì)方法及實(shí)際性能。在現(xiàn)有0.5W@77K規(guī)格制冷機(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合了包括熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和驅(qū)動(dòng)控制等在內(nèi)的理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，RS058實(shí)現(xiàn)了更好的制冷性能，卡諾效率達(dá)到6.20%，能夠滿足制冷紅外探測器的使用和國產(chǎn)化需要。

高德紅外；制冷紅外探測器；RS058；旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)；低溫

0 前言

斯特林制冷機(jī)被廣泛用于機(jī)載、艦載、裝甲車等項(xiàng)目的紅外武器裝備上，是現(xiàn)代國防非常重要的尖端技術(shù)產(chǎn)品之一。近年來，由于國外廠商的出口限制，我國已經(jīng)對(duì)斯特林制冷機(jī)提出了國產(chǎn)化的要求，以滿足日益擴(kuò)大的國防需求。國內(nèi)科研院所對(duì)斯特林制冷機(jī)展開了大量的研究，仍很難實(shí)現(xiàn)高性能斯特林制冷機(jī)的大批量生產(chǎn)，這對(duì)于國防安全是十分不利的。

旋轉(zhuǎn)整體式斯特林制冷機(jī)具有整體緊湊、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，是戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用微型制冷機(jī)的首選機(jī)種。從20世紀(jì)70年代開始受到各國關(guān)注和研究，到90年代末期，在解決軸承壽命、污染、密封、材料等問題后，技術(shù)逐漸成熟[1-2]。旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)的代表機(jī)型有RICOR公司旋轉(zhuǎn)式系列[3-4]和THALES公司RM系列[5-6]，其中制冷量為0.5W@77K是旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)的典型產(chǎn)品，大部分制冷機(jī)廠商都會(huì)生產(chǎn)這種制冷機(jī)（如表1）。

1 旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)

旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)一般為整體式，即壓縮機(jī)和膨脹機(jī)集成為一體[7]（如圖1），制冷工質(zhì)在壓縮腔、蓄冷器和膨脹腔內(nèi)交替流動(dòng)，形成閉式循環(huán)。旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)內(nèi)部沒有閥門，不可逆損失較小，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的偏心運(yùn)動(dòng)，制冷機(jī)內(nèi)部不可避免的存在偏擺磨損，導(dǎo)致制冷機(jī)的可靠性不高。

圖1 旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)基本結(jié)構(gòu)

2 RS058設(shè)計(jì)目標(biāo)及設(shè)計(jì)內(nèi)容

表1給出了國內(nèi)外0.5 W@77 K旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)的技術(shù)參數(shù)，根據(jù)這些制冷機(jī)提出的技術(shù)指標(biāo)，高德公司制定了RS058制冷機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)（如表2）：在獲得0.55 W@77 K制冷量的基礎(chǔ)上，提高制冷機(jī)的運(yùn)行效率，滿足不同環(huán)境的使用要求。

RS058制冷機(jī)的設(shè)計(jì)主要從熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和電控3個(gè)方面展開，通過熱力學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)的基本性能，并從動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)著手，解決旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)振動(dòng)噪聲較大的問題，最后提高制冷機(jī)的調(diào)控水平和控溫精度，以滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

表1 主要廠商0.5W@77K制冷機(jī)參數(shù)對(duì)比

表2 RS058制冷機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.1 制冷機(jī)熱力學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化

熱力學(xué)設(shè)計(jì)模型的建立是基于王立保博士的數(shù)值模型[8]，采用模塊化編程，分部件建模的思想，考慮到制冷機(jī)的實(shí)際工作過程，如湍流流動(dòng)、實(shí)際氣體物性等，并利用系列經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來彌補(bǔ)由于一維模型對(duì)制冷機(jī)內(nèi)多維效應(yīng)模擬的不足，最后通過牛頓迭代法實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)非線性控制方程組的迭代求解，可實(shí)現(xiàn)在整機(jī)范圍內(nèi)制冷機(jī)幾何參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。制冷機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖2所示，首先根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)和外圍結(jié)構(gòu)尺寸的要求，輸入初始的幾何參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)，以最大化能效比（COP）為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)的幾何參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)。

圖2 RS058制冷機(jī)數(shù)值模擬思路

在進(jìn)行幾何參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)制冷機(jī)性能對(duì)兩種間隙密封尺寸十分敏感。一種是壓縮活塞與壓縮氣缸之間的間隙，圖3給出了制冷性能與壓縮活塞氣缸間隙的關(guān)系，當(dāng)間隙超過6mm時(shí)，制冷量和制冷系數(shù)顯著減小。因此，該處密封間隙成為制冷機(jī)性能的關(guān)鍵，在制造過程中需采用低摩擦系數(shù)的活塞氣缸，同時(shí)還需要保證表面有超高的耐磨特性。另一種間隙密封是蓄冷器與冷指的間隙，它直接影響制冷機(jī)的穿梭損失、泵氣損失和機(jī)械摩擦損失。如圖4所示，隨著間隙值的增加，制冷機(jī)的性能和效率均先增大后減小，當(dāng)蓄冷器和冷指間隙為0.08～0.12mm左右時(shí)，制冷機(jī)的制冷量和制冷系數(shù)最大。

熱力學(xué)設(shè)計(jì)考慮的運(yùn)行參數(shù)主要包括電機(jī)頻率和充氣壓力，圖5表示電機(jī)頻率對(duì)性能的影響。隨著頻率的增加，制冷機(jī)制冷量和輸入功率均增大，而輸入功率的增加趨勢高于制冷量的增加趨勢，COP隨著頻率的增加先增加后趨于穩(wěn)定，最優(yōu)的頻率為85～90Hz。然而隨著頻率增加，實(shí)際制冷機(jī)的振動(dòng)噪音和摩擦損失也將逐漸增加，上述最優(yōu)頻率不利于實(shí)際工程應(yīng)用，通常在滿足熱力學(xué)指標(biāo)的前提下，盡可能地選擇較低的工作頻率。參考RS058的設(shè)計(jì)指標(biāo)，選擇制冷機(jī)的工作頻率為60Hz，在充氣壓力為3.2MPa時(shí)，輸入功率為10W，制冷性能為0.595W@77K，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

充氣壓力對(duì)制冷性能的影響如圖6所示，隨著充氣壓力的增加，制冷機(jī)制冷量和輸入功率均增大，制冷系數(shù)先增加后趨于平緩。充氣壓力的選擇，一方面應(yīng)考慮所需的制冷量和功耗，另一方面還受限于制冷機(jī)自身材料的強(qiáng)度，最終可以根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的制冷性能調(diào)整，RS058最終優(yōu)選的充氣壓力為3.2MPa。

2.2 制冷機(jī)動(dòng)力學(xué)平衡計(jì)算

制冷機(jī)內(nèi)部為偏心結(jié)構(gòu)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的直線簡諧運(yùn)動(dòng)，極容易導(dǎo)致制冷機(jī)受力不均，振動(dòng)嚴(yán)重，因此一般在電機(jī)軸上裝配重塊，平衡壓縮連桿和膨脹連桿偏心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的不平衡力。通過對(duì)制冷機(jī)內(nèi)部曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力情況分析，可計(jì)算出合適的配重質(zhì)量，盡可能減小該機(jī)構(gòu)的不平衡力，從而降低制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)與噪聲。圖7為制冷機(jī)內(nèi)部曲柄連桿機(jī)構(gòu)示意圖，壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、偏心軸和配重塊均以質(zhì)心位置作為研究對(duì)象。為了簡化模型以適合工程應(yīng)用，將做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的重心近似定在曲軸偏心距處，建立合適的力學(xué)方程。

圖3 壓縮活塞與氣缸間隙對(duì)制冷性能的影響

圖4 蓄冷器與冷指間隙對(duì)制冷性能的影響

圖5 電機(jī)頻率對(duì)制冷性能的影響

圖6 充氣壓力對(duì)制冷性能的影響

圖7 制冷機(jī)內(nèi)部曲柄連桿機(jī)構(gòu)示意圖

其中：a為隨曲軸偏心輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量及其質(zhì)心所在的位置，對(duì)于連桿類零件，以其重心位置分配質(zhì)量，近似分別做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及往復(fù)運(yùn)動(dòng)；b為在膨脹腔作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量及其質(zhì)心所在的位置；c為在壓縮腔作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量及其質(zhì)心所在的位置；d為為平衡塊配重及其質(zhì)心所在位置；為曲軸偏心距；d為平衡塊配重偏心距；為電機(jī)旋轉(zhuǎn)角頻率。

1） 由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心慣性力：

a＝a2

2）由往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的往復(fù)慣性力：

①在膨脹腔中的慣性力為沿軸方向：

b＝－b2sin()

②在壓縮腔中的慣性力為沿軸方向：

c＝c2cos()

3）平衡塊配重d即為了平衡上述1）和2）所述兩種力，為此，假設(shè)：

7）為了消除不平衡力，則有以下關(guān)系式：

其中(2)及(3)式必須同時(shí)滿足才能完全抵消由往復(fù)運(yùn)動(dòng)在、軸方向產(chǎn)生的往復(fù)慣性力。

8）代入前述各式至(1)、(2)、(3)式中并化簡有：

同理，(5)、(6)式必須同時(shí)滿足，即c＝b。

9）對(duì)于第(4)、(5)、(6)式，在工程上不可能做到壓縮組件與推移組件完全相等，但若盡量做到足夠接近，也是能得到較好的平衡效果的。假設(shè)b與c足夠相近，則平衡塊配重可由以下兩方程組之一求出：

10）綜合得：

11）根據(jù)RS058制冷機(jī)設(shè)計(jì)的零件質(zhì)量，求得配重質(zhì)量為：d＝12.275g。

2.3 制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.3.1 電機(jī)工作原理

制冷機(jī)的動(dòng)力元件采用直流無刷電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)高可靠性、長壽命運(yùn)行。直流無刷電機(jī)主要由定子繞組、轉(zhuǎn)子永磁體和位置傳感器組成，其工作原理為：驅(qū)動(dòng)器根據(jù)位置傳感器的信號(hào)獲取轉(zhuǎn)子位置信息，相應(yīng)調(diào)整定子繞組的通電順序，形成與轉(zhuǎn)子有一定夾角的磁場以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，如圖8所示。

2.3.2 驅(qū)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

制冷機(jī)采用閉環(huán)控制方式來確保冷指端溫度的精度和穩(wěn)定性，由驅(qū)動(dòng)控制器根據(jù)冷指端溫度的反饋信息，經(jīng)過PID運(yùn)算調(diào)節(jié)相應(yīng)輸出控制量，改變電機(jī)的工作狀態(tài)，如工作電流、轉(zhuǎn)速等，使冷指端溫度達(dá)到設(shè)定溫度并趨于穩(wěn)定，工作流程圖如圖9所示。

圖8 直流無刷電機(jī)工作框圖

圖9 制冷機(jī)溫度閉環(huán)控制框圖

PID控制的輸入運(yùn)算對(duì)象是設(shè)定的溫度值與反饋值的誤差，P是比例環(huán)節(jié)，將此誤差放大，I是積分環(huán)節(jié)，將此誤差進(jìn)行累積，D是微分環(huán)節(jié)，對(duì)此誤差進(jìn)行微分處理，三者運(yùn)算結(jié)果相加就是PID控制器的輸出。實(shí)際的影響是，P會(huì)影響制冷機(jī)的制冷時(shí)間，越小則制冷時(shí)間越長；I會(huì)消除靜差，使溫度的設(shè)定值和反饋值維持為0；D會(huì)減小超調(diào)，使調(diào)節(jié)的過程變得平滑。PID參數(shù)的調(diào)節(jié)需要針對(duì)具體制冷機(jī)的實(shí)際調(diào)試，因?yàn)椴缓线m的參數(shù)會(huì)影響制冷機(jī)的性能，導(dǎo)致工作異常。

3 RS058制冷機(jī)性能測試

3.1 RS058制冷機(jī)制造

經(jīng)過熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和電控的設(shè)計(jì)，RS058基本結(jié)構(gòu)、主要零件尺寸基本確定，然后進(jìn)行圖紙繪制，加工零件并裝配成整機(jī)進(jìn)行性能測試，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。圖10、圖11分別是RS058制冷機(jī)的主要零件和整機(jī)實(shí)物照片，裝配完成的整機(jī)稱重為414.6g（不含冷指），＜430g，同時(shí)機(jī)械接口尺寸與K508、RM3完全一致。

3.2 性能測試系統(tǒng)簡介

圖12為制冷機(jī)性能測試平臺(tái)，測試平臺(tái)由分子泵機(jī)組、示波器、壓力放大器、壓力傳感器、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)采集儀等組成，圖13為制冷機(jī)性能測試系統(tǒng)原理示意圖。制冷機(jī)冷頭貼裝PT100鉑電阻，由數(shù)據(jù)采集儀Keithley2700采集電阻值，再通過鉑電阻對(duì)照表讀取對(duì)應(yīng)溫度值。制冷機(jī)冷頭貼裝陶瓷加熱片，通過直流電源供電，由熱平衡法，則穩(wěn)定工況下制冷機(jī)的制冷量即為直流電源的電壓值與電流值之積。制冷機(jī)在常溫、高溫和低溫下的性能測試實(shí)驗(yàn)均以該測試平臺(tái)為基礎(chǔ)。

圖10 RS058制冷機(jī)主要零件圖

圖11 RS058制冷機(jī)整機(jī)圖

Fig.11 Picture of RS058 cooler

3.3 RS058常溫性能實(shí)驗(yàn)

所使用杜瓦冷損為150～160 mW，熱質(zhì)量約為250 J。設(shè)定直流穩(wěn)壓電源的輸入電壓為24 V，測得制冷機(jī)冷頭溫度隨時(shí)間的關(guān)系如圖14所示。開始時(shí)制冷機(jī)冷頭溫度快速下降，在4min 51s降溫至77K，滿足設(shè)計(jì)要求；6min后降溫速度明顯減慢，最后趨于不變，維持在45.5K附近。制冷機(jī)在整個(gè)降溫過程中，輸入電流小于0.5A，總功耗不超過12W。

圖12 制冷機(jī)性能測試平臺(tái)

圖13 制冷機(jī)性能測試系統(tǒng)原理示意圖

調(diào)節(jié)電機(jī)供電電流和加熱片兩端電壓，得到制冷量與輸入功率的關(guān)系，如圖15所示，RS058典型制冷性能為：在8 W電機(jī)輸入功率時(shí)，制冷量為550mW@77K；在電機(jī)輸入功率為10 W時(shí)，獲得620mW@77K，制冷效率達(dá)到6.20%，比卡諾效率為18.0%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖5、圖6的模擬結(jié)果十分接近，也證明所建立的數(shù)據(jù)模型的正確性。

3.4 RS058高低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)

RS058制冷機(jī)在高低溫實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行了高溫、常溫和低溫測試，研究RS058制冷機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性，制冷機(jī)輸入功率耗恒定為12W，結(jié)果如圖16所示。RS058工作溫度適應(yīng)范圍為－45℃～85℃，與RM3基本相同，溫度適應(yīng)范圍比其他同類型制冷機(jī)更寬，具有良好的溫度適應(yīng)性。

4 總結(jié)

本文介紹了高德紅外研制的RS058旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)，整機(jī)重量＜430g，在環(huán)境溫度23℃下制冷量≥550mW@77K，工作溫度為－45℃～85℃，具有良好的低溫環(huán)境適應(yīng)性。目前，經(jīng)過可靠性優(yōu)化的工程樣機(jī)已實(shí)現(xiàn)了批量的生產(chǎn)制作，滿足了高德公司制冷紅外探測器國產(chǎn)化的迫切需求。

圖14 RS058常溫測試降溫曲線圖

圖15 RS058不同輸入功率下的制冷量

圖16 RS058制冷機(jī)在高低溫下性能曲線圖

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Design and Performance of Guide Infrared’s RS058 Rotary Stirling Cryocooler

WANG Tiantai，WANG Libao，ZHANG Manchun，SUN Chao，DENG Peng，CHENG Cheng，YU Bo，PAN Qi

（Wuhan Guide Infrared Co., LTD, Wuhan 430205, China）

Stirling cooler find use in variety of infrared equipments installed in airborne, marine, and armored car with hand held and ground fixed application, therefore the cooler’s localization is becoming more and more urgent. RS058, which was designed for medium format and large format detectors, is a member of Guide Infrared’ rotary stirling microcoolers. This paper mainly introduces the cooler’s design process and performance. As a general 0.5W@77K rotary integral stirling cooler, RS058 realized a better performance and achieve 6.20% of Carnot efficiency from sufficient theoretical analysis and test of thermodynamics, dynamics, and controller.

Guide Infrared，cooled infrared detector，RS058，rotary stirling cryocooler，cryogenics

TB651

A

1001-8891(2016)06-0990-06

2015-09-08；

2016-08-05.

王天太（1989-），男，碩士學(xué)歷，研究方向：斯特林制冷機(jī)，節(jié)流制冷機(jī)。

王立保（1984-），男，博士學(xué)歷，研究方向：高頻脈沖管制冷機(jī)、旋轉(zhuǎn)式及線性斯特林制冷機(jī)。