长寿命斯特林制冷机膨胀机无摩擦运行技术

　　1 引言

　　在航天领域，为了获得清晰和准确的图片，红外遥感成像技术是研究的重点之一。星用红外相机需要配套的星用低温制冷机，满足红外芯片使用要求。星用低温制冷机是整个航天红外系统应用的瓶颈，是航天技术不可缺少的核心技术之一。“大冷量长寿命斯特林制冷机”是面向空间应用而研发的新型斯特林制冷机，膨胀机部分采用板弹簧支撑与调相，实现了无接触运动要求，满足了长寿命的使用要求。

　　2 膨胀机结构

　　膨胀机采用气动型结构( 如图 1 所示) ，通过板弹簧支撑和调相。，排出器与气缸之间采用间隙密封，实现无摩擦运动。以下通过膨胀机与压缩机匹配设计、膨胀机性能优化设计、长寿命设计以及测试结果等方面叙述此形式膨胀机的设计过程。

　　3 无接触运行设计

　　斯特林制冷机实现长寿命的关键要素之一，是解决活塞与气缸之间磨损的问题。板弹簧可以有较大的径向和轴向刚度比，在实现对膨胀机排出器调相的同时可以保证排出器活塞与冷指气缸之间的间隙稳定，实现无接触运行。

　　3. 1 板弹簧径向刚度设计

　　板弹簧径向刚度设计的原则，保证排出器在运行过程中与冷指气缸实现无接触密封。密封损失计算公式如下:

　　其中，Wseal为间隙密封损失; D 为活塞直径; t为密封的半径间隙; ΔP 为压力波幅值; μ 为气体粘度; Lseal为密封长度。

　　统筹考虑密封损失与压降损失的同时，结合实际加工能力，取排出器活塞冷端密封环与冷指气缸密封的半径间隙为 9μm，所以板弹簧需要保证排出器活塞冷端沿径向移动距离小于 9μm。

　　3. 2 板簧径向刚度设计

　　参照 Regen3. 1 对回热器部分进行优化设计结果，排出器直径定为 20mm。考虑实际加工能力，密封长度 Lseal设定为 16mm。

　　用 Solidworks 对排出器进行质量特性分析，结果如下: 排出器质量 m = 60. 8g( 与实际加工件比较接近) ; 质心距离排出器顶端距离为 30.1mm。

　　假定排出器处于水平状态，忽略气体侧向力，对排出器组件进行力分析，求板簧最小径向刚度。排出器受力图如图 2 所示，排出器尺寸定义如图3 所示。

　　其中，G 为排出器重力; F1为板簧( 组) 1 对排出器施加的径向力; F2为板簧( 组) 2 对排出器施加的径向力; H1为排出器冷端径向偏移量; H2为排出器质心径向偏移量; H3为板簧( 组) 1 内固定孔径向偏移量。

　　排出器冷端径向偏移量:

　　质心径向偏移量: