基于定子隔離技術(shù)的旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機(jī)的優(yōu)化研究

劉湘德,徐長(zhǎng)彬,辛光磊,遲國(guó)春

(中電科光電科技有限公司,北京 100015)

1 引 言

在過(guò)去的三四十年里,紅外探測(cè)器組件在軍事和空間技術(shù)上得到了極大的發(fā)展。作為紅外探測(cè)器組件主要構(gòu)成之一的旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機(jī)具有重量輕、效率高、功耗低等優(yōu)點(diǎn),被廣泛地應(yīng)用于車載、機(jī)載、艦載、制導(dǎo)和航天應(yīng)用等領(lǐng)域的紅外系統(tǒng)。

隨著紅外探測(cè)器組件的市場(chǎng)需求量逐年增長(zhǎng),用戶對(duì)斯特林制冷機(jī)的可靠性提出了更高的要求。因此,在保證制冷機(jī)體積和重量不增大的前提下,進(jìn)一步提高斯特林制冷機(jī)的可靠性成為了目前急須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文以一款制冷量為0.4 W/77 K的旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機(jī)(如圖1所示,兼容法國(guó)Thales公司RM2型制冷機(jī))為研究對(duì)象,對(duì)制冷機(jī)部分結(jié)構(gòu)展開優(yōu)化設(shè)計(jì),從影響制冷機(jī)可靠性的制冷工質(zhì)氣體泄漏和氣體污染問(wèn)題入手,采用電機(jī)定子隔離技術(shù),即:用一個(gè)薄壁金屬零件將電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子進(jìn)行物理隔離。該技術(shù)一方面避免了定子漆包線繞組放出的多種有機(jī)氣體污染制冷機(jī)內(nèi)部的純凈氣體工質(zhì),另一方面也解決了電機(jī)定子外殼玻璃-金屬封接處的泄漏問(wèn)題。最后,通過(guò)優(yōu)化后的樣機(jī)與紅外探測(cè)器耦合,給出了樣機(jī)測(cè)試的主要性能試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 0.4 W/77 K旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機(jī)

2 制冷機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

0.4 W/77 K旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機(jī),主要由直流無(wú)刷電機(jī)(電機(jī)定子組件與電機(jī)轉(zhuǎn)子)、曲軸箱、壓縮活塞、壓縮氣缸套、蓄冷器組件(膨脹活塞與蓄冷器)、膨脹氣缸套、偏心軸等零部件組成,如圖2所示。

圖2 0.4 W/77 K制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

制冷機(jī)工作過(guò)程中,由外界穩(wěn)壓電源提供9～12 V直流電壓經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制電路轉(zhuǎn)化為三相交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)。直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子與偏心軸粘接成一體,通過(guò)轉(zhuǎn)子偏心軸組件帶動(dòng)曲柄連桿結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng),將電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為壓縮活塞和膨脹活塞在各自對(duì)應(yīng)氣缸內(nèi)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。隨著逆向斯特林熱力學(xué)制冷循環(huán)次數(shù)的不斷累積,蓄冷器組件冷腔內(nèi)溫度將不斷降低,從而實(shí)現(xiàn)制冷。

3 可靠性失效機(jī)理分析

0.4 W/77 K制冷機(jī)已經(jīng)從設(shè)計(jì)上保證了制冷機(jī)的可靠性要求。但是,材料自身的缺陷、零件加工的殘余應(yīng)力等因素在制冷機(jī)工作的初始時(shí)期都可能引起失效。這些前期失效,可以通過(guò)應(yīng)力篩選實(shí)驗(yàn)及選擇合理的老練試驗(yàn)方法將其剔除。在早期失效被剔除后,后期影響制冷機(jī)運(yùn)行失效的主要模式[1]有制冷工質(zhì)氣體泄漏和氣體污染問(wèn)題。

3.1 針對(duì)制冷工質(zhì)氣體泄漏失效的分析

從制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)可以看出,其密封面共有5處,如圖3所示,分別為:電機(jī)端密封面、壓機(jī)端密封面、充氣螺釘密封面、冷指端密封面與電機(jī)封針密封面。

圖3 0.4 W/77 K制冷機(jī)密封面

其中,電機(jī)端密封面、壓機(jī)端密封面、充氣螺釘密封面與冷指端密封面的密封方式采用軟金屬密封形式。即:在密封面的密封槽內(nèi)填充金屬密封圈或軟金屬墊片,通過(guò)螺釘鎖緊力固定,使密封圈和軟金屬墊片與密封面接觸發(fā)生變形,進(jìn)而填充密封面之間的加工間隙,從而達(dá)到密封的效果。

而本文優(yōu)化研究的對(duì)象電機(jī)封針密封面,該處密封方式采用的是鋁合金與玻璃封接工藝,具體結(jié)構(gòu)為制冷機(jī)的動(dòng)力源電機(jī)定子裝配在鋁合金材料的定子外殼中,以玻璃絕緣子中的可伐鍍金插針作為電極引出與外接驅(qū)動(dòng)電路連接。而玻璃絕緣子需要與定子外殼通過(guò)高溫?zé)Y(jié)使玻璃熔化,金屬鋁殼和玻璃相互滲透、相互擴(kuò)散,并保溫后使玻璃與定子外殼充分結(jié)合,最終得到玻璃與金屬緊密結(jié)合的封接件[2],如圖4所示。

圖4 定子外殼封接示意圖

對(duì)于該工藝技術(shù)的難點(diǎn)為:(1)玻璃封接工藝除了要解決電學(xué)連接的問(wèn)題,還要滿足玻璃絕緣子與定子外殼之間的氣密性及其長(zhǎng)期可靠性。由于斯特林制冷機(jī)內(nèi)部的制冷工質(zhì)為氦氣,分子體積小,滲透性強(qiáng)。所以,為了保證制冷機(jī)內(nèi)部高壓氦氣的密封性要求,就需要兩者有足夠的結(jié)合強(qiáng)度；(2)由于玻璃與鋁合金的膨脹系數(shù)相差較多,并且鋁合金的熔點(diǎn)比較低,導(dǎo)致封接工藝技術(shù)難度較大。

另一方面,在封接工藝過(guò)程中,對(duì)玻璃絕緣子和定子外殼封針孔表面狀態(tài)要求非常高。若玻璃絕緣子或定子外殼封針孔表面有劃傷、微裂紋等缺陷,那么低溫玻璃在熔封與插針浸潤(rùn)的過(guò)程中將很難與定子外殼封針缺陷處發(fā)生表面浸潤(rùn)并形成過(guò)渡層[3],進(jìn)而無(wú)法形成粘接強(qiáng)度和可靠性高的封接,大大降低了密封的可靠性。特別是抗溫度循環(huán)和力學(xué)等沖擊性方面表現(xiàn)較差,具體表現(xiàn)為隨著溫度變化范圍或振動(dòng)沖擊量級(jí)的增大,封接界面之間產(chǎn)生分層和微裂紋,導(dǎo)致該密封處發(fā)生氣體泄漏現(xiàn)象,影響紅外探測(cè)器組件正常使用。

3.2 針對(duì)制冷工質(zhì)氣體污染失效的分析

影響0.4 W/77 K制冷機(jī)可靠性的另一個(gè)重要因素為制冷工質(zhì)氣體污染。

在制冷機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,需向制冷機(jī)腔體內(nèi)充入一定壓力的高純度(一般不低于99.999 %)氦氣。如果其他雜質(zhì)氣體混入高純度氦氣內(nèi),導(dǎo)致氦氣純度下降到一定程度后,制冷機(jī)性能便會(huì)受到影響而衰減下降乃至失效。

經(jīng)分析,氣體污染的最主要來(lái)源為電機(jī)定子。電機(jī)定子在繞制過(guò)程中使用的環(huán)氧膠和漆包線的絕緣漆、浸漬漆,以及電機(jī)定子裝入定子外殼時(shí)使用的粘接膠都會(huì)排放出大量的有機(jī)氣體。當(dāng)制冷機(jī)工作時(shí),高沸點(diǎn)氣體在制冷機(jī)蓄冷器低溫端逐漸凝結(jié),導(dǎo)致有效傳熱損失、和傳熱熱阻損失增加,回?zé)嵝式档?引起了回?zé)釗p失ΔQR[4]:

ΔQR=cpMQ(1-ηR)(Th-Tco)

(1)

式中,cp為平均定壓比熱；MQ為通過(guò)蓄冷器的平均質(zhì)量流量；Th為蓄冷器熱端的溫度；Tco為蓄冷器冷端的溫度；ηR為回?zé)嵝省?/p>

蓄冷器內(nèi)絲網(wǎng)網(wǎng)孔被堵塞,阻力系數(shù)增大,流阻壓降Δp也隨之變大,引起壓降損失ΔQf:

ΔQf=∮ΔpdVco

(2)

式中,Δp為流阻壓降損失;Vco為冷腔容積。

針對(duì)降低制冷機(jī)的氣體污染問(wèn)題,國(guó)內(nèi)、外普遍采用的方法為:在設(shè)計(jì)上,選擇低放氣量的材料及潤(rùn)滑脂和粘接膠等；在工藝上,采用高潔凈度的裝配工藝環(huán)境、對(duì)源氣(氦氣)提純、對(duì)金屬和非金屬零部件進(jìn)行不同溫度的真空烘烤處理等。但是,這些前期處理手段,只能令斯特林制冷機(jī)污染失效得到一定程度上的延緩,還無(wú)法徹底解決制冷機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作環(huán)境下污染失效問(wèn)題[5]。

4 制冷機(jī)總體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)制冷工質(zhì)氣體泄漏和氣體污染問(wèn)題,選取電機(jī)定子組件部分作為優(yōu)化研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)改進(jìn)。在整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中,總的原則為:(1)保證電機(jī)定子與電機(jī)轉(zhuǎn)子之間原有的位置關(guān)系和安裝形式不得發(fā)生變化,從而保證制冷機(jī)的動(dòng)力部分維持原本的設(shè)計(jì)狀態(tài)；(2)保證優(yōu)化后的制冷機(jī)性能指標(biāo)及環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、整機(jī)質(zhì)量及尺寸與原制冷機(jī)應(yīng)基本一致。具體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如下:

在0.4 W/77 K制冷機(jī)原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,引入電機(jī)定子隔離技術(shù),即:通過(guò)在電機(jī)轉(zhuǎn)子與電機(jī)定子之間增加一個(gè)鈦合金材料,壁厚為0.5 mm的薄壁保護(hù)套,如圖5所示,將電機(jī)定子這個(gè)主要污染源與充入制冷機(jī)腔體內(nèi)的高純度氦氣進(jìn)行物理隔離[6]。

圖5 優(yōu)化后樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 機(jī)械強(qiáng)度校核

由于制冷機(jī)優(yōu)化后的密封結(jié)構(gòu)從原來(lái)鋁材料的電機(jī)定子外殼上轉(zhuǎn)移到鈦合金材料的薄壁保護(hù)套上,所以需要對(duì)保護(hù)套進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度校核以驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)是否滿足制冷機(jī)可靠性要求。

首先利用軟件建立了薄壁保護(hù)套三維簡(jiǎn)化模型,如圖6所示。

圖6 保護(hù)套三維簡(jiǎn)化模型

然后將模型導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行力學(xué)仿真,仿真時(shí)的邊界條件為:(1)薄壁保護(hù)套底面為固定約束；(2)在薄壁保護(hù)套內(nèi)壁面施加1.7 MPa的壓力。得到保護(hù)套的應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 保護(hù)套力學(xué)仿真結(jié)果

而鈦合金的許用應(yīng)力可按下式計(jì)算:

(3)

其中,σs為材料的抗壓屈服強(qiáng)度;n為安全系數(shù)。

鈦合金的抗壓屈服強(qiáng)度為980 MPa,按安全系數(shù)n=3計(jì)算,鈦合金的許用應(yīng)力為326 MPa。

由圖7仿真結(jié)果可以看到薄壁保護(hù)套的最大應(yīng)力為56.13 MPa,遠(yuǎn)小于鈦合金的許用應(yīng)力。所以保護(hù)套選用鈦合金材料及壁厚0.5 mm可以滿足更改后設(shè)計(jì)的力學(xué)強(qiáng)度要求。

4.3 優(yōu)化特點(diǎn)分析

該優(yōu)化設(shè)計(jì)較原有結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為:

(1)可從根源上消除電機(jī)定子放氣對(duì)氦氣純度的影響,確保了制冷機(jī)腔體內(nèi)氦氣的純凈度,減少了內(nèi)部污染風(fēng)險(xiǎn)；

(2)由于密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從電機(jī)外殼上轉(zhuǎn)移到了薄壁保護(hù)套上,所以可以取消定子外殼封針工藝,徹底解決了玻璃封針處的漏氣問(wèn)題；

(3)從工藝裝配的角度上,電機(jī)定子通過(guò)4顆螺釘與制冷機(jī)主體部分連接,在保證制冷機(jī)高強(qiáng)度力學(xué)條件下的環(huán)境適應(yīng)性的前提下,又方便安裝與維護(hù)；

(4)從整機(jī)安裝使用的角度上,由于取消了定子外殼封針工藝,電機(jī)方向尺寸也相應(yīng)減少了。同時(shí),電機(jī)定子與驅(qū)動(dòng)電路控制板之間連接方式更加靈活多樣,既可以延用插針連接,也可用九芯插件作為電學(xué)連接件,如圖8所示,甚至可以直接將電機(jī)定子引線直接與驅(qū)動(dòng)電路板焊接為一體使用。這些都為整機(jī)裝配空間提供了多種可行性。

圖8 優(yōu)化后定子組件

5 制冷機(jī)性能測(cè)試

5.1 與紅外探測(cè)器聯(lián)試主要性能指標(biāo)

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的0.4 W/77 K小型化旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機(jī),與中波640×512(15 μm)紅外探測(cè)器組件,如圖9所示,進(jìn)行了耦合聯(lián)試,如表1所示。主要性能測(cè)試結(jié)果對(duì)比優(yōu)化前基本未發(fā)生改變,但電機(jī)方向尺寸較原來(lái)有所減小,為該方向上整機(jī)裝配節(jié)省了一定空間。

表1 優(yōu)化前后測(cè)試結(jié)果

5.2 環(huán)境實(shí)驗(yàn)性能

隨機(jī)抽選2臺(tái)優(yōu)化后的0.4 W/77 K制冷機(jī)進(jìn)行環(huán)境實(shí)驗(yàn)性能測(cè)試,包括溫度與力學(xué)實(shí)驗(yàn),具體實(shí)驗(yàn)條件見表2。實(shí)驗(yàn)后的制冷機(jī)常溫測(cè)試性能正常,表明了優(yōu)化后的0.4 W/77 K制冷機(jī)具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。

表2 優(yōu)化后的0.4 W/77 K制冷機(jī)環(huán)境實(shí)驗(yàn)性能測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

本文通過(guò)介紹0.4 W/77 K小型化旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分析了影響該款制冷機(jī)可靠性的兩個(gè)重要因素:制冷工質(zhì)氣體泄漏和氣體污染；通過(guò)采用電機(jī)定子隔離技術(shù),優(yōu)化設(shè)計(jì)了0.4 W/77 K制冷機(jī)的部分結(jié)構(gòu),在減少內(nèi)部污染風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí),也徹底解決了玻璃封針處的漏氣問(wèn)題。優(yōu)化后樣機(jī)與紅外探測(cè)器組件耦合后主要性能指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果表明,制冷機(jī)性能滿足了紅外探測(cè)器組件的應(yīng)用需求,優(yōu)化研究工作初步達(dá)到了預(yù)期目的。