張 巍,耿利紅,饒啟超,溫建國(guó),張永壯,盧旭辰

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

斯特林制冷機(jī)作為紅外探測(cè)器組件的重要組成部分,可為紅外探測(cè)器提供必需的低溫工作環(huán)境,確保紅外探測(cè)器正常工作[1]。理想的斯特林制冷循環(huán)是由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)等容過程組成的閉式熱力學(xué)循環(huán)[2-3]。工質(zhì)在斯特林制冷機(jī)的壓縮腔內(nèi)被等溫壓縮,產(chǎn)生的壓縮熱通過壓縮端蓋、曲軸箱等傳遞到周圍環(huán)境,斯特林制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)元器件和電機(jī)定子,也會(huì)因自身電阻產(chǎn)生熱量,受制冷機(jī)結(jié)構(gòu)的限制,產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散出會(huì)引發(fā)熱量聚集,引起的溫升對(duì)驅(qū)動(dòng)元器件的可靠性、控溫穩(wěn)定性、機(jī)械零部件的可靠性等都有很大影響[4-5],因此,有效的斯特林制冷機(jī)散熱設(shè)計(jì),可提高斯特林制冷機(jī)和紅外探測(cè)器的工作性能。

空間應(yīng)用的斯特林制冷機(jī),主要通過傳導(dǎo)和輻射換熱進(jìn)行散熱,沒有對(duì)流換熱,制冷機(jī)散熱條件較為惡劣[6]。高曉明等[4]對(duì)星載斯特林制冷機(jī)的熱控制方案進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)在局部強(qiáng)化傳熱、隔熱設(shè)計(jì)等熱控措施基礎(chǔ)上,采用熱管、冷板和熱輻射器集成的熱控制方案,可有效實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)溫度的控制。許國(guó)太[5]等對(duì)空間應(yīng)用的斯特林制冷機(jī)安裝支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)通過提高安裝支架及制冷機(jī)與安裝支架耦合界面間材料的導(dǎo)熱性能,可提高斯特林制冷機(jī)的散熱性能。辛光磊[7]等利用Ansys有限元軟件對(duì)斯特林制冷機(jī)電機(jī)外殼進(jìn)行了熱仿真優(yōu)化,經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算后,制冷機(jī)整體溫度可降低約4 ℃。目前對(duì)斯特林制冷機(jī)和紅外探測(cè)器組件的熱控制,集中于紅外探測(cè)器組件安裝工裝和制冷機(jī)電機(jī)外殼部位,鮮有對(duì)熱流密度較高的制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)元器件散熱控制方面的研究。

本文根據(jù)空間應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)的實(shí)際工作情況,基于Ansys有限元軟件,對(duì)旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)蓋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了散熱優(yōu)化設(shè)計(jì),以使斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件自身溫升維持在一個(gè)較低的范圍內(nèi),提高斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件的工作性能。

2 熱仿真模型

2.1 幾何模型

利用Inventor軟件建立了斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件的三維簡(jiǎn)化模型,如圖1所示,斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件模型主要由紅外探測(cè)器芯片、杜瓦組件和斯特林制冷機(jī)組成,斯特林制冷機(jī)主要由曲軸箱、驅(qū)動(dòng)板、驅(qū)動(dòng)元器件、驅(qū)動(dòng)蓋板、電機(jī)外殼、電機(jī)轉(zhuǎn)子保護(hù)套、電機(jī)定子、壓縮端蓋等部分組成。

圖1 斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件三維簡(jiǎn)化模型

斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件內(nèi)驅(qū)動(dòng)元器件的熱流密度高,產(chǎn)生的熱量主要通過傳導(dǎo)換熱將熱量傳遞至驅(qū)動(dòng)蓋板和電機(jī)外殼,然后通過傳導(dǎo)和輻射換熱將熱量傳遞至周圍環(huán)境。為了探索驅(qū)動(dòng)蓋板結(jié)構(gòu)對(duì)斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件散熱性能的影響,研究了四種不同結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的驅(qū)動(dòng)蓋板,如圖2所示,分別為鋁合金材質(zhì)的平板式驅(qū)動(dòng)蓋板結(jié)構(gòu)(圖2(a))、鋁合金材質(zhì)的凸臺(tái)式驅(qū)動(dòng)蓋板結(jié)構(gòu)(圖2(b))、紫銅材質(zhì)的凸臺(tái)式驅(qū)動(dòng)蓋板結(jié)構(gòu)(尺寸1)(圖2(c))、紫銅材質(zhì)的凸臺(tái)式驅(qū)動(dòng)蓋板結(jié)構(gòu)(尺寸2)(圖2(d))。平板式和凸臺(tái)式驅(qū)動(dòng)蓋板與驅(qū)動(dòng)板的裝配示意圖如圖3所示,驅(qū)動(dòng)蓋板與驅(qū)動(dòng)板之間通過導(dǎo)熱墊連接,根據(jù)驅(qū)動(dòng)蓋板結(jié)構(gòu)的差異,驅(qū)動(dòng)蓋板與驅(qū)動(dòng)板之間的導(dǎo)熱墊尺寸不同。將不同結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的驅(qū)動(dòng)蓋板與導(dǎo)熱墊、驅(qū)動(dòng)板等斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件進(jìn)行裝配,考察了四種斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件的熱分布規(guī)律,具體裝配的驅(qū)動(dòng)蓋板及對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱墊狀態(tài)如表1所示。

圖2 斯特林制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)蓋板結(jié)構(gòu)及材質(zhì)

圖3 驅(qū)動(dòng)蓋板、導(dǎo)熱墊和驅(qū)動(dòng)板的裝配示意圖

表1 驅(qū)動(dòng)蓋板及對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱墊狀態(tài)

2.2 仿真模型

將斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件三維簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入Ansys有限元軟件中Steady-state Thermal模塊進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱仿真,材料物性參數(shù)依據(jù)真實(shí)物性參數(shù)進(jìn)行選取,采用Ansys自帶的協(xié)調(diào)分片算法進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分。計(jì)算過程中忽略制冷機(jī)內(nèi)部氣體的對(duì)流換熱,忽略制冷機(jī)內(nèi)部的摩擦損失及其他耗散損失。

根據(jù)空間應(yīng)用的斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件的工作特點(diǎn)和實(shí)際情況,斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件與周圍環(huán)境通過傳導(dǎo)和輻射換熱,沒有對(duì)流換熱,斯特林制冷機(jī)探測(cè)器表面發(fā)射率依據(jù)材料表面法向發(fā)射率進(jìn)行設(shè)定。制冷機(jī)內(nèi)驅(qū)動(dòng)元器件、電機(jī)定子和壓縮過程是探測(cè)器組件的主要發(fā)熱源,通過附加熱載荷形式模擬實(shí)際發(fā)熱過程。計(jì)算過程中具體設(shè)定的邊界條件為:

(1)根據(jù)斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件的實(shí)際工作情況,設(shè)定環(huán)境溫度為65 ℃,制冷機(jī)的控溫溫度為-196.15 ℃；

(2)鋁合金的發(fā)射率取為0.2,銅的發(fā)射率取為0.6[8]；

(3)驅(qū)動(dòng)元器件發(fā)熱量q1為0.029 W/mm3、電機(jī)定子發(fā)熱量q2為2.03×10-4W/mm3和壓縮端發(fā)熱量q3為1.71×10-4W/mm3,其計(jì)算公式分別為[7]:

(1)

(2)

(3)

式中,Q1為驅(qū)動(dòng)元器件的實(shí)際熱功耗;V1為驅(qū)動(dòng)元器件實(shí)際體積;U為工作電壓;R為等效電阻;Q2為電機(jī)的實(shí)際功耗;η為電機(jī)的效率;V2為電機(jī)定子的實(shí)際體積;Q3為制冷機(jī)壓縮端的理論放熱量;V3為壓縮端的實(shí)際體積。

根據(jù)以上邊界條件及熱載荷設(shè)置,求解得到穩(wěn)態(tài)條件下斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件各個(gè)部分的溫度分布。

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建立仿真模型的正確性,將編號(hào)為Case4的斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件進(jìn)行熱真空實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過程中,斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件通過曲軸箱的底部固定于導(dǎo)熱底板上,然后放置于實(shí)驗(yàn)真空罐內(nèi),真空罐內(nèi)真空度為1.3×10-3Pa,采用熱電偶監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)蓋板外表面、電機(jī)外殼上表面和壓機(jī)端蓋外表面的溫度,通過調(diào)節(jié)真空罐浴油溫度實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)真空罐內(nèi)環(huán)境溫度的調(diào)控,考慮導(dǎo)熱底板的導(dǎo)熱熱阻和導(dǎo)熱底板與真空罐及斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件之間的接觸熱阻等,根據(jù)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),設(shè)置計(jì)算過程中曲軸箱底部與真空罐浴油溫度的溫差為6 ℃。將斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件的熱仿真計(jì)算結(jié)果與熱真空實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如表2所示。

由表2可見,仿真得到的斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件的溫度分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致,由于斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件通過曲軸箱底部與導(dǎo)熱底板接觸,傳導(dǎo)換熱主要通過曲軸箱底部實(shí)現(xiàn),因此壓機(jī)端蓋溫度最低,仿真計(jì)算的最大誤差位于驅(qū)動(dòng)蓋板處,最大相對(duì)誤差為11.4 %,說明所建立的仿真模型可以有效計(jì)算斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件的溫度分布。仿真計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差主要在于,仿真過程中未考慮斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件內(nèi)各零件之間的接觸熱阻及制冷機(jī)內(nèi)氣體換熱,而這些在斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件實(shí)際工作過程中是不可避免的。

3.2 仿真結(jié)果分析

圖4所示為四種斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件仿真計(jì)算獲得的溫度分布云圖,圖5所示為四種斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件內(nèi)制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)板的溫度分布云圖。

由圖4和圖5可見,編號(hào)為 Case1、Case2、Case3和Case4的斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件的最高溫度依次降低,制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)板和電機(jī)外殼的溫度較高,其最高溫度出現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)板的驅(qū)動(dòng)元器件位置,說明熱量通過溫度較高的驅(qū)動(dòng)元器件、電機(jī)外殼等向溫度較低的曲軸箱底部和探測(cè)器組件冷端傳遞。

圖5 斯特林制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)板溫度分布

編號(hào)為Case1的斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件裝配的是平板式驅(qū)動(dòng)蓋板,驅(qū)動(dòng)蓋板與驅(qū)動(dòng)板之間主要通過導(dǎo)熱墊實(shí)現(xiàn)熱量傳遞,且導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)為0.8 W/(m·K),使驅(qū)動(dòng)元器件的發(fā)熱熱量不能有效傳遞至驅(qū)動(dòng)蓋板、電機(jī)外殼和周圍環(huán)境,造成驅(qū)動(dòng)元器件及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)蓋板和電機(jī)外殼溫度較高。將驅(qū)動(dòng)蓋板從平板式結(jié)構(gòu)改為凸臺(tái)式結(jié)構(gòu)后,驅(qū)動(dòng)元器件最高溫度明顯降低(100.1 ℃→94.4 ℃),這是因?yàn)椴捎猛古_(tái)式驅(qū)動(dòng)蓋板結(jié)構(gòu),使驅(qū)動(dòng)蓋板和驅(qū)動(dòng)板之間的導(dǎo)熱墊厚度明顯減小(如表1所示),金屬的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù),使熱量從驅(qū)動(dòng)元器件到驅(qū)動(dòng)蓋板、電機(jī)外殼和周圍環(huán)境的熱量傳遞明顯改善。當(dāng)驅(qū)動(dòng)蓋板從Case2的鋁合金材質(zhì)更改為Case3的紫銅材質(zhì)時(shí),由于驅(qū)動(dòng)蓋板導(dǎo)熱系數(shù)的提高(λ鋁合金=123 W/(m·K)→λ紫銅=386 W/(m·K)),驅(qū)動(dòng)元器件最高溫度從94.4 ℃降低到93.3 ℃。進(jìn)一步增大驅(qū)動(dòng)蓋板凸臺(tái)高度(Case4),使驅(qū)動(dòng)蓋板和驅(qū)動(dòng)板之間的導(dǎo)熱墊厚度減小(如表1所示),斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件的散熱情況得到進(jìn)一步改善,因此,在所考察的四種斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件中,探測(cè)器編號(hào)為Case4的驅(qū)動(dòng)元器件溫度最低,與探測(cè)器編號(hào)為Case1的驅(qū)動(dòng)元器件溫度相比,驅(qū)動(dòng)元器件的最高溫度可減小8.5 %。

以上分析表明,在熱真空實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下,通過改進(jìn)斯特林制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)蓋板結(jié)構(gòu),提高斯特林制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)蓋板和導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù),可有效改善斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件的散熱性能,減少熱量局部聚集,降低斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件自身溫升,提高斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件的工作性能。

4 結(jié) 論

基于Ansys有限元軟件,對(duì)不同驅(qū)動(dòng)蓋板結(jié)構(gòu)的斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件進(jìn)行了熱仿真計(jì)算,并將計(jì)算值與熱真空實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明,斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件內(nèi)驅(qū)動(dòng)板和電機(jī)外殼的溫度較高,其最高溫度出現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)板的驅(qū)動(dòng)元器件位置,熱量通過溫度較高的驅(qū)動(dòng)元器件、電機(jī)外殼等向溫度較低的曲軸箱底部和探測(cè)器組件冷端傳遞。斯特林制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)蓋板由平板式結(jié)構(gòu)改為凸臺(tái)式結(jié)構(gòu)、增大驅(qū)動(dòng)蓋板和導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)可有效改善斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件的散熱性能,斯特林制冷機(jī)探測(cè)器組件的最高溫度可減小8.5 %。