HOT器件用自由活塞斯特林制冷機研究進展

習(xí)中立，陳 軍，陳曉屏，楊 曄，姚菡婷，江重樺，聶喜亮，畢 翔，夏 明

（昆明物理研究所，昆明 650223）

0 引言

高性能制冷型紅外系統(tǒng)能夠探測目標與背景的微小溫差，不僅適合對空間、遠程、暗小目標探測，特別是對超高速、高雷達隱身目標實時高分辯率識別方面具有優(yōu)勢，而且適合全天時和復(fù)雜電磁環(huán)境下獨立使用，成為全球多維信息獲取及戰(zhàn)場態(tài)勢感知的主要支撐技術(shù)。制冷型紅外探測器組件已廣泛應(yīng)用于新一代紅外偵察系統(tǒng)、精確制導(dǎo)武器、防空反導(dǎo)預(yù)警等裝備，應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴展。制冷型紅外探測器在工作范圍、目標探測追蹤，特別是快速移動目標的動態(tài)成像方面具有不可替代的優(yōu)勢，但制冷型探測器的成本較高，尺寸較大，限制了其戰(zhàn)場應(yīng)用。

近幾年，高工作溫度（High Operation Tempera?ture）紅外探測器件（HOT器件）的技術(shù)研究取得了巨大突破，探測器的工作溫度得到大幅度提升。國外中波紅外探測器的工作溫度提高到130～150 K溫區(qū)，并有進一步提高到150～200 K的趨勢。HOT器件的研制成功，使得更小、更輕、效率更高的超小型斯特林制冷機研制成為可能，也成為國內(nèi)外制冷機研制熱點，具體優(yōu)勢為：

（1）隨著紅外探測器芯片工作溫度的提高，斯特林型制冷機的熱力學(xué)循環(huán)效率將得到顯著改善，為制冷機降低功耗、體積和質(zhì)量帶來可能；

（2）隨芯片工作溫度的提升，沿杜瓦軸向溫度梯度減小，杜瓦熱負載也將大幅降低，冷卻探測器芯片所需的制冷量也大幅減小；

（3）隨著制冷量需求的降低，制冷機工作壓力，負載等均可大幅降低，為大幅度提高制冷機可靠性，進而提升探測器組件可靠性帶來可能。

斯特林制冷機的兩種主要形式為集成旋轉(zhuǎn)式和自由活塞分置式，其中自由活塞分置式斯特林制冷機振動輸出小、活塞氣缸磨損低、MTTF高、隨器件工作溫度提高進一步優(yōu)化的潛能更大，能夠更好的滿足HOT器件的需求，因此國外主要的制冷機生產(chǎn)研發(fā)單位在近10年都陸續(xù)推出了自己的HOT器件用超小型自由活塞分置式斯特林制冷機，文章將對這些典型產(chǎn)品進行匯總介紹。

1 國外超小型自由活塞斯特林制冷機

21世紀以來，隨著紅外探測器工作溫度的提高，斯特林制冷機進入更小尺寸、更低質(zhì)量、更高性能、更低功耗和更低成本的發(fā)展方向。國外從事軍用斯特林制冷機研制的公司從2007年開始，陸續(xù)推出研制的HOT器件用超小型自由活塞斯特林制冷機，這些自由活塞斯特林制冷機通常質(zhì)量小于400 g，典型制冷工作溫度在110～200 K區(qū)間，制冷機最大功耗小于20 WDC，制冷機MTTF通常大于20 000 h。

1.1 德國AIM

德國AIM公司主要產(chǎn)品為自由活塞分置式斯特林制冷機和斯特林型脈管制冷機。AIM發(fā)展了SF、SL、SX三類直線壓縮機，SX系列是AIM為HOT器件而開發(fā)的新一代動磁式直線壓縮機，有SX020、SX030、SX040和SX095四款產(chǎn)品，壓縮機動子采用柱彈簧單邊支撐。

針對130～150 K溫區(qū)，AIM在2012年SPIE報道了其研發(fā)的SX030型自由活塞分置式斯特林制冷機，優(yōu)化工作溫度140 K[1]。SX030采用單活塞動磁式直線壓縮機，并外置一款被動減振裝置用來減小單活塞壓縮機的軸向振動輸出。壓縮機直徑33 mm，長度61 mm，壓縮機含減振器質(zhì)量280 g，制冷機整機總質(zhì)量380 g，匹配冷指尺寸6.6 mm，也可以匹配直徑8 mm的冷指。SX030制冷機制冷量大于0.6 W@140 K@23℃，應(yīng)用于HOT器件的典型控溫功耗小于3 W@140 K，MTTF大于30 000 h。隨著紅外探測器技術(shù)的進一步發(fā)展，未來HOT器件的工作溫度將提高到150～200 K，AIM在2014年國際低溫制冷機會議（ICC）上報到了最新研發(fā)的SX020單活塞動磁式自由活塞制冷機[2]，被動減振器內(nèi)置在壓縮機腔體里，優(yōu)化工作溫區(qū)160 K。SX020制冷機的壓縮機直徑26.5 mm，長度58 mm，壓縮機含減振器質(zhì)量158 g，制冷機整機總質(zhì)量240 g，優(yōu)化冷指尺寸6 mm，可以匹配5 mm超小冷指，制冷機制冷量大于0.5 W@160 K@23℃，應(yīng)用于HOT器件的典型控溫功耗小于2 W@180 K，MTTF大于30 000 h。圖1和圖2分別是AIM公司SX030和SX020制冷機的外形圖。

圖1AIM公司SX030制冷機外形圖Fig.1 External layout of AIM SX030 cryocooler

圖2AIM公司SX020制冷機外形圖Fig.2 External layout of AIM SX020 cryocooler

AIM公司在針對HOT器件應(yīng)用時，對SX系列制冷機關(guān)鍵部件膨脹機的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，主要在提高膨脹機的結(jié)構(gòu)緊湊性、降低制造成本，同時提高膨脹機的MTTF。圖3為新膨脹機與探測器杜瓦組件集成結(jié)構(gòu)剖面圖。原膨脹機蓄冷器筒體采用玻璃鋼基體表面噴涂聚四氟乙烯耐磨襯套工藝，新膨脹機采用新型耐磨熱塑材料整體式加工工藝，新耐磨材料具有更高的耐磨性能，同時軸向?qū)岣。庸ぶ圃旃に嚧蠓档?。新膨脹機采用IDCA獨立冷指結(jié)構(gòu)與探測器杜瓦組件集成，膨脹機結(jié)構(gòu)更加緊湊。

圖3 AIM新膨脹機與探測器杜瓦組件集成剖面圖Fig.3 Cross-section ofAIM new expander with IR dewar

1.2 以色列Ricor

Ricor公司成立于1967年，是全球最主要的低溫制冷機產(chǎn)品供應(yīng)商之一，該公司開發(fā)各類低溫制冷機產(chǎn)品，應(yīng)用領(lǐng)域包括紅外探測器、真空低溫泵和HOT超導(dǎo)設(shè)備。針對紅外探測器應(yīng)用的不同需求，Ricor公司開發(fā)了集成旋轉(zhuǎn)式、集成分置式和自由活塞分置式等多種斯特林型制冷機。

Ricor公司早在2007年就推出一款針對100 K HOT器件用的自由活塞斯特林制冷機K527[3-4]，該制冷機采用單活塞動磁式壓縮機，外置一款被動減振裝置用來減小單活塞壓縮機的軸向振動輸出。K527主要應(yīng)用于手持式熱像系統(tǒng)、小型無人機平臺，年產(chǎn)量數(shù)百臺。圖4為Ricor K527制冷機的外形，圖5為制冷機關(guān)鍵部件膨脹機的各部件實物圖。K527制冷機的制冷量≥0.5 W@95 K@71℃，質(zhì)量≤345 g，功耗＜20 WDC，MTTF＞30 000 h，冷指尺寸為8 mm，壓縮機直徑33.5 mm，長度61.5 mm，全溫區(qū)壓縮機電機效率在84%～88%區(qū)間，制冷機常溫環(huán)境降溫時間＜4 min@110 K@280 J。

圖4 Ricor公司K527制冷機外形圖Fig.4 External layout of Ricor K527 cryocooler

圖5 Ricor公司K527膨脹機各部件實物圖Fig.5 Physical map of K527 expander’units

近兩年，Ricor針對150～200 K溫區(qū)HOT器件研發(fā)了自由活塞分置式制冷機K588[5-6]，K588壓縮機采用與K527類似的動磁式電機結(jié)構(gòu)，雙活塞對置式布局，并針對快速降溫性能進行優(yōu)化。K588制冷機的主要性能指標為：制冷量≥0.5 W@150 K@71℃，質(zhì)量≤235 g，功耗＜12 WDC，MTTF＞20 000 h，冷指尺寸為6 mm，壓縮機直徑31 mm，長度58 mm，制冷機常溫環(huán)境降溫時間＜3.5 min@150 K@210 J。圖6和圖7分別是Ricor公司K588制冷機及驅(qū)動控制器的外形圖和尺寸圖。K588制冷機驅(qū)動控制電路結(jié)構(gòu)非常緊湊，同時具有效率高、質(zhì)量輕等特點。該控制器采用與集成旋轉(zhuǎn)式制冷機相同的機械和電路接口，能夠同時兼容自由活塞式制冷機和集成旋轉(zhuǎn)式制冷機的控制需求，方便與紅外探測器組件的集成和互換，其控制方式為電壓控制模式，通過改變控制器的輸出電壓大小來改變線性壓縮機活塞位移幅值，或者改變集成旋轉(zhuǎn)式電機的轉(zhuǎn)速，從而起到控制制冷機功耗的目的。為了進一步減小控制器的外形尺寸和質(zhì)量，新控制器采用雙PCB板結(jié)構(gòu)，數(shù)字化電路，控制器效率超過90%。

圖6 Ricor公司K588制冷機外形圖Fig.6 External layout of Ricor K588 cryocooler

圖7 Ricor公司K588制冷機及控制器尺寸圖Fig.7 K588 cryocooler with controller dimensions

1.3 美國DRS

DRS技術(shù)公司是美國國防綜合承包商，旗下有多個系統(tǒng)事業(yè)部，生產(chǎn)制冷型和非制冷型紅外探測器組件。2009年DRS推出了一系列工作在160 K HOT的MWIR MCT探測器，并研發(fā)了一款針對HOT640×480 MWIR FPA組件的超小型自由活塞斯特林制冷機[7]，優(yōu)化工作溫度160 K，壓縮機采用雙活塞對置式布局，壓縮機直徑30 mm，長度53 mm，制冷機質(zhì)量237 g，控溫功耗小于2 WAC@160 K@23℃，降溫時間小于2.5 min@160 K@23℃。圖8和圖9分別是DRS超小型制冷機的外形圖和紅外探測器組件圖。

圖8 DRS公司超小型制冷機外形圖Fig.8 External layout of DRS Mirco cryocooler

圖9DRS公司MWIR組件與制冷機集成圖Fig.9 Image of DRS Micro cryocooler with MWIR

1.4 美國Cobham

Cobham公司的制冷機產(chǎn)品前身是Carleton Life Support Systems公司的產(chǎn)品。該公司目前是美軍的高性能長壽命自由活塞斯特林制冷機的供貨商。2013年之前，Cobham公司推出了微型線性斯特林制冷機LC1070，該制冷機采用動圈式線性電機技術(shù)，雙活塞對置式布局，膨脹機采用純氣動式布局，工作溫度80 K，典型制冷量0.5 W，制冷機質(zhì)量600 g。為了研制HOT器件用超小型制冷機，Cobham公司將LC1070制冷機壓縮機減半，即只采用單邊壓縮活塞驅(qū)動，樣機如圖10所示，壓縮機減半后的制冷機在120 K制冷溫度下得到610 mW的制冷量，該性能給了Cobham公司足夠的信心來研發(fā)超小型斯特林制冷機。在LC1070基礎(chǔ)上，2013年該公司針對HOT紅外焦平面探測器成功開發(fā)了LC1076自由活塞斯特林制冷機[8-9]，該制冷機優(yōu)化工作溫度120 K，壓縮機采用雙活塞對置式布局，壓縮機直徑28.2 mm，長度53.6 mm，匹配5 mm直徑冷指，該制冷機主要性能指標為制冷量≥0.4 W@120 K@23℃，質(zhì)量＜260 g，MTTF目標值20 000 h，制冷機最大功耗15 WAC，常溫環(huán)境降溫時間＜5 min@120 K@175 J。圖11是Cobham公司LC1076制冷機的外形圖。

圖10 壓縮機減半的LC1070制冷機樣機圖Fig.10 Protype of the cut in half LC1070 cooler

圖11 Cobham LC1076超小型制冷機外形圖Fig.11 External layout of LC1076 Mirco-cooler

1.5 法國Thales Cryogenics

法國Thales Cryogenics公司有著超過30年和65 000臺的小型低溫制冷機生產(chǎn)經(jīng)驗，是目前世界上較著名的低溫制冷機生產(chǎn)廠家，也是美國新一代戰(zhàn)斗機F35的合格供貨商。在HOT器件用超小型制冷機方面，Thales公司推出了UP8197自由活塞分置式斯特林制冷機[10-11]。UP8197制冷機的壓縮機采用雙活塞對置式布局，壓縮機直徑30 mm，長度62 mm，制冷機質(zhì)量250 g，冷指尺寸6 mm，制冷性能1.5 W@150 K@23℃，最大功耗20 WDC，MTTF大于25 000 h[12]。圖12是Thales公司UP8197制冷機產(chǎn)品外形圖和尺寸圖。

圖12 Thales cryogenics UP8197制冷機外形尺寸圖Fig.12 External dimensions of UP8197 cryocooler

2 昆明物理研究所超小型自由活塞斯特林制冷機

昆明物理研究所很早便開展HOT器件用超小型斯特林制冷機的調(diào)研和技術(shù)儲備工作，在高效直線壓縮機、高性能氣動式膨脹機和數(shù)字化微型控制器設(shè)計與工藝實現(xiàn)等方面進行了技術(shù)攻關(guān)，并已取得大量研制成果。基于研制積累的設(shè)計仿真成果和工藝技術(shù)，研發(fā)了一款HOT器件用超小型自由活塞斯特林制冷機C312，該制冷機的結(jié)構(gòu)參數(shù)和已達到的主要技術(shù)指標為：（1）壓縮機采用動磁式直線電機驅(qū)動，雙活塞對置式布局，壓縮機外徑33.5 mm，長75 mm；（2）冷指外徑尺寸≤6.6 mm；（3）工作溫度：110～180 K；（4）制冷機總質(zhì)量≤400 g（不含驅(qū)動控制電路）；（5）凈制冷量：0.4 W@110 K@23℃@8 WAC（220 mW杜瓦漏熱@77 K@23℃）；（6）降溫時間：≤4.5 min@110 K（250 J熱質(zhì)量@23℃室溫下）；（7）最大功耗：≤15 WAC。圖13和圖14分別是C312制冷機產(chǎn)品外形圖和常溫環(huán)境性能圖。

圖13 C312制冷機產(chǎn)品圖Fig.13 External layout of KIP C312 cryocooler

圖14 C312制冷機常溫性能圖Fig.14 C312 performances room temperature ambient

3 超小型自由活塞斯特林制冷機的設(shè)計理念

超小型自由活塞斯特林制冷機與HOT紅外器件集成互聯(lián)，具有體積小、質(zhì)量輕、低功耗、低成本和高性能等優(yōu)點，將應(yīng)用于無人機、新一代空空導(dǎo)彈等輕載荷平臺，同時也可應(yīng)用于新一代長視距手持式熱像儀、狙擊步槍紅外瞄準視鏡等單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)以及低成本微納紅外衛(wèi)星平臺。為滿足多平臺紅外系統(tǒng)應(yīng)用的需求，超小型自由活塞斯特林制冷機將向以下幾個方面發(fā)展：

（1）滿足SWaP3的設(shè)計需求。隨著HOT紅外探測器器件技術(shù)的發(fā)展，對斯特林制冷機提出SWaP3的需求，即更小的尺寸（S-Small Size），更輕的質(zhì)量（W-weight）和更低的功耗（P-power），更高的性能（P-performance）以及更低的價格（P-Price）。因此，制冷機設(shè)計人員在初始研發(fā)階段需要綜合考慮制冷機預(yù)期達到的性能與材料、工藝等成本之間的平衡；

（2）超小型自由活塞斯特林制冷機質(zhì)量通常小于400 g，最大功耗不超過20 WDC，常溫環(huán)境下的控溫功耗要≤2 W@150 K，制冷機MTTF通常＞20 000 h；

（3）制冷機膨脹機多采用IDCA標準冷指結(jié)構(gòu)，便于與探測器組件的集成。冷指尺寸通常為6 mm左右，對于160～200 K溫區(qū)的HOT器件，冷指尺寸可進一步減小到5 mm。針對部分HOT器件對更小尺寸的需求，制冷機可匹配Small IDCA冷指結(jié)構(gòu)，即短冷指結(jié)構(gòu)。Small IDCA冷指由于其長度比標準IDCA冷指短，蓄冷器冷熱端的壓降減小，但軸向?qū)釗p失增加，制冷機的整體性能將有所衰減。

（4）制冷機需具有快速降溫能力。制冷機的快速降溫性能決定了紅外探測器組件能否快速介入戰(zhàn)場環(huán)境，取得戰(zhàn)斗主動權(quán)，特別是在手持式熱像儀、狙擊步槍、無人機、空空導(dǎo)彈等平臺上的應(yīng)用。國外150 K溫區(qū)，15μm像元間距，中波640×512探測器組件的熱沉一般小于220 J，制冷機在常溫環(huán)境下的降溫時間通常要小于4 min；

（5）制冷機驅(qū)動控制電路能夠適應(yīng)寬范圍的輸入電壓，在工作溫度點的效率要大于90%，且交流輸出頻率穩(wěn)定性全溫區(qū)應(yīng)不大于50 mHz，控制器溫度穩(wěn)定性要≤±25 mK。

4 結(jié)論

目前，國外中波紅外探測器組件的工作溫度已經(jīng)提高到110～150 K，將進一步提高到150～200 K。隨著紅外器件工作溫度的提高以及像元間距的進一步減小，為其提供低溫環(huán)境的斯特林制冷機需要具備更小尺寸、更低質(zhì)量、更低功耗、更高性能和更低成本等特性，同時需要制冷機能夠快速降溫，可靠性高，使用壽命長。國外針對HOT紅外器件的應(yīng)用需求，推出了多款超小型自由活塞分置式斯特林制冷機，昆明物理研究所緊跟國外技術(shù)，研發(fā)了超小型自由活塞分置式斯特林制冷機C312，其性能指標與國外產(chǎn)品接近，能夠滿足我國HOT紅外器件的應(yīng)用需求。

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