线性分置式斯特林制冷机批量生产过程中工艺参数的控制研究

　　1 引言

　　自上世纪九十年代以来,随着国内红外光电技术的不断进步和应用水平的不断提高,为之配套的线性斯特林制冷机在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上也取得了迅速发展,至2010年为止,国内已经设计定型的各种型号斯特林制冷机,其主要性能指标水平均已达到或接近本世纪初国外同类产品先进水平,有些指标甚至处于国际领先水平,这为国产斯特林制冷机的发展和红外光电技术等应用打下了良好的基础;但在近几年线性分置式斯特林制冷机的实际生产和应用过程中我们发现,斯特林制冷机的批生产还存在着产品质量一致性和稳定性的问题,本文正是通过对线性分置式斯特林制冷机批生产过程中主要工艺参数的分析与控制,归结影响线性分置式斯特林制冷机产品质量一致性和稳定性的一些重要过程控制因素,为国产化斯特林制冷机的研制和生产质量水平的提高提供借鉴作用。

　　2 制冷原理及结构特点

　　斯特林循环为由两个等温过程和两个等容回热过程组成的热力循环,当这个循环的逆循环用于制冷时称为斯特林制冷循环;按斯特林制冷循环工作的制冷机称之为斯特林制冷机;斯特林制冷机具有结构紧凑、体积小、重量轻、降温快、工作温度范围宽、制冷效率高、可靠性高、稳定性好和操作简便等优点。

　　如图1结构图所示,线性分置式斯特林制冷机由压缩机、连接管和膨胀机三部分组成;其中压缩机由单活塞或双活塞对置式线性压缩机构成,而每个单活塞线性压缩机又由定子组件和动子组件构成,定子组件由柱状环形压缩气缸、内外磁极、励磁线圈或磁钢和端盖构成并形成环形闭合磁路;动子组件则由压缩活塞、动圈或动磁元件和结构件构成并通过圆柱弹簧、板弹簧或动压气体轴承支撑于定子组件的环形闭合磁路上;当驱动控制器转换正弦波信号通过压缩机内动圈或励磁线圈时,由于洛仑兹力的作用,动圈或动磁元件就带动压缩活塞在气缸内作往复简谐振动,压缩气缸内工质氦气作功,这样一部分功以压缩热形式通过压缩机表面和散热器散失,另一部分功则以交变压力波形式通过分置管输送至膨胀机,进行膨胀制冷。

　　线性分置式斯特林制冷机的膨胀机是由膨胀气缸(即冷指)、推移活塞、气动腔座和结构件构成,其中推移活塞是通过圆柱弹簧或板弹簧支撑于气动腔座内,这样在压缩腔内所产生的交变压力波通过分置管输送至膨胀机气动腔时,推移活塞在弹簧和交变压力波的共同作用下,便于冷指内作往复简谐运动;当交变压力波为高压时,冷腔气体就通过推移活塞对弹簧作功;而当交变压力波为低压时,弹簧则将其弹性势能转化为动能对冷腔气体作功;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端,同时使冷腔温度不断降低,冷量不断从冷量换热器输出。