机载红外探测装置中的长分置管斯特林制冷机

　　0 引言

　　斯特林制冷机因为具有结构紧凑、降温快、效率高、稳定性好等特点，在许多高科技领域得到了广泛应用。传统的红外探测器必须在低温下工作，随着高性能红外探测器的发展，红外焦平面阵列规模的扩大，对制冷机性能提出了越来越高的要求。发达国家将优质斯特林制冷机列为对我国禁运的产品，因此，发展具有独立知识产权的产品化的斯特林制冷机势在必行[1]。几年前，国内为提高某型号红外探测装置的工作可靠性，提出了对该装置中原节流制冷器系统进行原位替代，为此开展了“长分置管斯特林制冷机”项目的研究。突破关键技术，跟踪国外先进水平，满足国内红外探测器系统的需求，是开展该项目研究的目标。经过了一系列的理论计算和反复的试验验证，开展并完成了压机、膨胀机线性谐振技术，制冷效率提高技术，制冷机散热技术，制冷机与杜瓦耦合技术，驱动控制与电磁兼容技术等多项研究内容; 解决了长分置管斯特林制冷机工作可靠性和结构微优化设计; 分析了制冷机在应用中出现的失效问题; 最终，成功实现了长分置管斯特林制冷机在机载红外探测装置上的应用^[1-4]。

　　1 性能参数指标

　　长分置管斯特林制冷机主要由压缩机、膨胀机和分置管组成。要求的设计指标如下: ( 23 ±5) ℃时制冷量≥3.5W/80K，(60±2)℃时，制冷量≥3 W/80 K; 最大功耗≤250 W; 降温时间≤5min (296K 降温到80K，1500J 热负载) ; 分置距离≥1500 mm; 重量≤8.5kg;MTTF≥1000h; 工作温度-40~+ 60℃ 。

　　2 原理与结构

　　2. 1 工作原理

　　按斯特林制冷循环进行制冷，该循环由等温压缩、定容放热、等温膨胀和定容吸热4 个过程组成。经驱动控制器转换为直线电机所需的正弦波信号，通过压缩机内动圈时，由于洛仑兹力的作用，动圈在磁钢内作往复简谐振动，推动压缩气缸内氦气做功，一部分功以压缩热形式通过压缩机表面和散热器散失，另一部分功以交变压力波形式通过分置管输送至膨胀机，膨胀机内推移活塞在压力波及弹簧的共同作用下，于其行程的中间位置做往复简谐振动，高压时，冷腔气体通过推移活塞对弹簧做功; 低压时，弹簧将其弹性势能转换为动能对冷腔气体做功。总的结果是:冷腔气体做的功大于弹簧做的功，使热量不断从冷腔输送至室温腔，冷腔的温度不断降低。

　　2. 2 结构设计与特点

　　长分置管斯特林制冷机结构如图1 所示。压缩机由两个单活塞线性压机构成，整体采用对置式结构减小振动和噪声; 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动密封; 压机整体为全密封焊接结构。膨胀机为气动型结构，由冷腔、室温腔和气动腔3 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做往复运动; 推移活塞与导向衬套间为间隙动密封; 膨胀机推移活塞的支撑元件为圆柱弹簧; 膨胀机气缸与后座采用金属密封。