HOT 器件用旋轉式斯特林制冷機研究進展

趙文麗，李昊嵐，孫皓，黃偉，李仁智，環(huán)健，陳軍，張應旭，徐睿駒

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

0 引言

高性能制冷型紅外探測器的工作溫度在77 K 附近，配置旋轉式、直線型小型低溫斯特林制冷機以提供低溫工作環(huán)境，已廣泛用于軍事的多維信息獲取及戰(zhàn)場態(tài)勢感知技術，如反裝甲（坦克）武器制導、防空武器制導、艦載火控、前視紅外成像系統(tǒng)、紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)、紅外對抗系統(tǒng)、紅外制導導彈等[1-3]。對紅外探測器組件而言，工作溫度不影響接收信號的截止波長、量子效率等，但會對熱生載流子濃度造成影響，通過新工藝或新結構控制熱生載流子的流動可以實現(xiàn)探測器工作溫度的提高。隨著碲鎘汞（mercury cadmium telluride,MCT）材料制備工藝的改進和提升，紅外探測器芯片組的暗電流得到一定程度的抑制，工作溫度有上升的趨勢[4-5]，文獻中有95 K、120 K、140 K、150 K、175 K、200 K、210 K、250 K 等報道[1]，統(tǒng)稱為HOT（high operation temperature）紅外探測器。HOT 紅外探測器配置的低溫制冷機尺寸、體積、重量都明顯減小，顯著提高了制冷機的熱力學效率，可使用帶可調增壓器的數(shù)字控制器實現(xiàn)低于2 W DC 的低輸入功率，實現(xiàn)快速冷卻，適用于微型無人機、手持熱像儀、手持夜視鏡的陀螺穩(wěn)定有效載荷等設備。第三代MCT 焦平面陣列要求的目標工作溫度是190～300 K，且性能達到77 K 時的指標。探測器芯片對制冷需求降低的趨勢，推動了尺寸更小、重量更輕、效率更高、成本更低的微型斯特林制冷機的研制與發(fā)展[6-8]。本文闡述了HOT 器件用的微型斯特林制冷機的設計技術，綜述了目前國內外針對HOT 紅外探測器研制的微型旋轉式斯特林制冷機的發(fā)展，涵蓋以色列RICOR、法國Thales Cryogenics、高德紅外等研制單位的產品。

1 HOT 器件用制冷機的設計理念

HOT 器件用小型低溫斯特林制冷機的設計遵循SWaP3 準則，SWaP3 是1999 年由唐納德·里高等人提出的高性能、低成本的思想基礎上發(fā)展而來，即更小的尺寸（Size）、更小的重量（Weight）、更低的功耗（Power）、更低的成本（Price）、更好的性能（Performance）[8]，主要的性能指標包括制冷量、功耗和降溫時間。

用于HOT 器件的微型旋轉式斯特林制冷機由于工作溫度升高，制冷機熱力學效率提升，對制冷量的需求相對降低。制冷機的制冷系數(shù)COP（coefficient of performance）定義為制冷量Qc與凈輸入功Qe之比，如下式(1)：

式中：Tc為器件工作溫度；Ta為循環(huán)最高溫度，通常為環(huán)境溫度?？梢?，同等條件下，器件工作溫度Tc從77 K 提高到150 K，制冷機效率會提高接近3 倍。

制冷機的整體效率不僅取決于斯特林循環(huán)的效率，還取決于其他子系統(tǒng)，其效率由熱循環(huán)效率、機械效率、電機效率、控制器效率組成，如下式(2)：

器件的工作溫度升高以后，斯特林循環(huán)的制冷系數(shù)和蓄冷器填料的比熱容會有所提升，故熱力學循環(huán)的效率ηcycle會隨之提升；冷頭溫度升高，其漏熱損失會降低，沿杜瓦軸向的溫度梯度減小，軸向導熱損失、穿梭損失等熱損失都會降低，制冷機的效率ηcooler會整體提升。

2 HOT 器件用制冷機設計技術

在上述設計理念指導下，相比于常規(guī)液氮溫區(qū)制冷機，除了制冷量需求降低引起的壓縮副尺寸減小等變化以外，當前HOT 器件用斯特林制冷機技術的發(fā)展有以下幾個重要的方面。

2.1 薄壁管短冷指設計技術

HOT 器件用制冷機通常匹配專門的冷指，通過對冷指材料、幾何形狀和制造工藝進行優(yōu)化，以減小冷指的尺寸、壁厚及冷端厚度，在保證冷指剛度的同時減少其漏熱。常規(guī)冷指與短冷指的主要差異包括：①冷指長度不同，HOT 器件用制冷機通常匹配短冷指；②冷指壁厚不同，冷指漏熱主要來源是杜瓦瓶與外界環(huán)境的熱傳導、熱對流和熱輻射。與冷指進行匹配的杜瓦瓶內部抽真空，對流換熱導致的熱損失忽略不計，拋光冷指外表面可大量減少熱輻射，因此主要漏熱來源于熱傳導。傳導漏熱與杜瓦材料導熱系數(shù)和材料厚度有關。薄壁管中的導熱傳熱率為式(3)：

式中：K為傳熱系數(shù)，W/(m·K)；A為橫截面積，m2；THot為制冷機熱端溫度，K；TCold為制冷機冷端溫度，K；L為長度，m。冷指管的傳熱方程為式(4)：

式中：R是管的外徑；r是管的內徑；t是管的厚度，由于厚度遠小于半徑，可以簡寫為式(5)：

從式(7)中我們可以看到傳熱速率Q是厚度t的線性函數(shù)，因此減小厚度會降低整個冷指管的傳導散熱。如圖1 所示為RICOR 公司不同材料及壁厚的冷指在95 K 工作溫度時的漏熱大小[9]，可見管壁厚度增加會導致漏熱增加。圖2 為RICOR 公司HOT器件用冷指漏熱隨壁厚變化及RICOR 公司冷指壁厚的設計范圍[10]。對于冷指的設計，在尺寸要求占主導地位的應用中，可縮短冷指及對蓄冷器進行優(yōu)化，在功耗要求占主導地位的應用中，冷指壁厚可從80～100 μm 的范圍減小到50～60 μm。

圖1 不同材料的冷指管從300 K 到95 K 的熱負載大小Fig.1 Cold finger heat load from 300 K to 95 K derived from different tube materials

圖2 不同材料的冷指管從300 K 到150 K 的熱負載大小Fig.2 Cold finger heat load from 300 K to 150 K derived from different tube materials

2.2 高效小尺寸控制器技術

與常規(guī)控制器相比，HOT 器件用小型緊湊制冷機匹配的高效輕質控制器，應具有更小的尺寸重量，更高的控溫精度以及更高的效率。HOT 器件制冷機配置的控制器，在以下幾個方面取得了一定進展：①控制器采用雙PCB（printed circuit board）)構，以減小外部尺寸；②采用數(shù)字化控制器，控制精度和效率都有所提升，同時減小了驅動控制電路的尺寸與重量。③以“電壓控制電路”原理控制電機，從而實現(xiàn)轉速的電機調控，能一定程度上改善PWM（pulse width modulation）波調制對控制器效率的影響，提高控制器的效率。④比起常規(guī)制冷機控制器，驅動電壓范圍更寬泛。同時，用于HOT 器件的制冷機配置的控制器還有以下提升方向：無傳感器調控方案或ADUC 處理器控制無刷直流電機的有傳感器調控方案；用戶自主可調控溫點等[11]。常規(guī)液氮溫區(qū)制冷機配置的控制器、RICOR 在2019 年報道的用于HOT 器件的K580制冷機[11]所用控制器及HOT 器件用制冷機控制器設計指標如表1 所示，可以看到RICOR 控制器效率的提升和尺寸重量的減小。

表1 HOT 器件用制冷機控制器主要特性Table 1 Main characteristics of the cryocooler controller of HOT detector

2.3 制冷機綜合熱管理技術

制冷機是集成度較高的機電產品，同時內部含有壓縮機進行熱力學循環(huán)，導致機體發(fā)熱較明顯。制冷機的表面溫度會直接影響其性能，系統(tǒng)的熱管理對于低溫制冷機的功耗和冷卻能力至關重要。優(yōu)化熱力學過程、改進熱管理，是提高溫度環(huán)境適應性的重要措施[2]。制冷機的主要發(fā)熱源為壓縮機部件、電機部件、控制器部件。壓縮機部件發(fā)熱源于熱力學循環(huán)中壓縮過程產熱及冷指端換熱，電機部件發(fā)熱來源于繞阻焦耳熱，控制器部件發(fā)熱源于電子元器件發(fā)熱。不加散熱夾具時，散熱面主要集中在制冷機安裝基準面（約占40%）、壓縮機缸蓋（約占30%）、電機表面（約占30%），一般要求機體表面溫度不高于環(huán)境溫度10℃。HOT 器件用制冷機由于功耗更低，散熱要求更低一些，設計應充分考慮散熱條件，全溫區(qū)內機體表面溫度與環(huán)境溫度的溫差越小越有利于制冷機性能的釋放?？紤]到制冷機散熱設計中由于機體與環(huán)境溫差較小，同時整體內部空間相對密閉，輻射散熱與對流散熱作用都較弱，設計過程應充分強化制冷機幾個主要散熱面與光學平臺之間的熱傳導進行散熱，條件允許時增加熱沉強化散熱。RICOR 為滿足高環(huán)境溫度及機載戰(zhàn)斗機的嚴酷振動水平開發(fā)了K544 旋轉集成式斯特林制冷機，并在制冷機層面強化了散熱設計，主要包含3 個方面：①電機和壓縮機外殼之間要有足夠的熱耦合；②PCB 內部設計專門散熱路徑；③冷指法蘭和低溫制冷機安裝表面之間有足夠的熱耦合。該機型可在102℃環(huán)境溫度、95 K 工作溫度下輸出1.3 W 的制冷量，溫度環(huán)境適應性提升顯著[12]。

2.4 可靠性預測

旋轉式低溫制冷機主要故障機制是運動部件的機械磨損，影響制冷機內部機械部件磨損的一個重要因素制冷機的轉速，轉速直接影響活塞/氣缸部件的線速度和制冷機中不同軸承的轉速，從而直接影響這些部件的磨損[13]。旋轉制冷機常規(guī)的壽命終止模式是磨損導致的軸承故障[14]，消除或減緩磨損可以提高制冷機可靠性。常規(guī)旋轉制冷機活塞耐磨技術是依靠鍍層對活塞實施保護。DLC 和TiN 硬質鍍層微觀結構致密，硬度高、摩擦系數(shù)低，可以較好地保護活塞，提高耐磨壽命[2]。

關于制冷機可靠性的預測，RICOR 報道過他們的一般預測方法[15]，此后沒有太大變化。預測模型是一個乘法模型，在規(guī)定工作條件下給定制冷機的實際MTTF（mean time to failure）)（θPR）是通過將來自壽命測試或現(xiàn)場數(shù)據(jù)的基線MTTF 值（θb）乘以一系列轉換因子（π）得到的。這些因素量化了基線MTTF 從參考條件到實際運行條件對環(huán)境變換的修正[9]。預測模型為式(6)：

式中：θPR為預測MTTF；θb為基線MTTF；πE為環(huán)境因子；πT為環(huán)境溫度因子；πSi為應力i轉換因子，工作應力轉換因子包括制冷機工質壓力P和工作頻率H，它由熱負載和FPA 溫度等參數(shù)得出，故：

因子πP、πH根據(jù)逆冪律計算如式(8)：

式中：b 和PR 分別代表參考點和實際工作點的工作條件。RICOR 通過加速壽命實驗的測試結果，對K580的基線壽命進行了預測[11]。

Thales 也做了大量壽命測試、可靠性分析來提高制冷機的可靠性，Thales 的可靠性研究建立了能夠計算制冷機MTTF 的表達式如式(9)[16]：

MTTFbase_RM為制冷機在典型條件（標準工作溫度為77 K，環(huán)境溫度為20℃）下的基線MTTF，MTTFA20test Weibull 是Thales 在A20 剖面測得的加速壽命試驗的結果，RPMA20是Thales 的制冷機在A20 加速壽命測試中制冷機的轉速，RPM20℃是典型條件下制冷機的轉速。Thales 的研究表明[13]，HOT 器件用制冷機工作溫度從110 K 到150 K時，制冷機的負載整 體降低，轉速會降低約30%。在110 K 制冷溫度和＋20℃環(huán)境溫度下，若制冷溫度升高導致轉速降低30%，則對制冷機可靠性的影響可由式(10)計算：

可見，制冷溫度的升高對制冷機的可靠性有重要影響。制冷機轉速降低30%時（相當于制冷溫度從110 K 到150 K），預計制冷機的MTTF 可增加70%。

3 國內外HOT 器件用旋轉式斯特林制冷機

旋轉式斯特林制冷機由旋轉電機驅動，具有結構緊湊、效率高、啟動快等特點，但是整機結構較復雜、振動噪音較大，尤其是運動部件的相互磨損、制冷工質的污染和泄漏使得制冷機的工作壽命受到一定的限制。傳統(tǒng)用于紅外探測器的旋轉式斯特林制冷機工作溫度在70～80 K，重量多在250～1000 g 范圍。用于HOT 器件的微型旋轉式斯特林制冷機主要設計改進為：①使用更高效率和性能的控制器電機；②冷指材料、結構改進以減小冷指尺寸和熱損失；③降低充氣壓力。典型結構與性能參數(shù)為：①重量在200 g 以下；②室溫下穩(wěn)態(tài)功耗低于2 W；③降溫時間在3 min以內；④工作電壓在6～7 V；⑤控制器效率提高到90%以上；⑥MTTF＞15000 h。以色列RICOR、法國Thales 等公司都在持續(xù)不斷地做微型旋轉式斯特林制冷機的研制。

以色列RICOR 公司2012 年在SPIE 報道的K562S 型旋轉式斯特林制冷機的改型，將冷指長度由原來的45 mm 降低到22.5 mm，工作溫度在130～150 K，充氣壓力從20 Bar 降至16 Bar，該制冷機在23℃環(huán)境溫度150 K 工作溫度，熱負載為160 mW 時穩(wěn)態(tài)功耗為1.9 W。如圖3、圖4 為RICOR 公司K562S short &K562S 斯特林制冷機及其外型尺寸圖。K562S short 制冷機的質量能做到135 g。若對功耗要求較高，冷指壁厚還可從80～100 μm 降到50～60 μm[9-10]。RICOR 另外的產品K563 型旋轉式斯特林制冷機工作溫度從77 K 升至130～150 K 之后，充氣壓力從18 Bar降低至6～8 Bar，室溫下穩(wěn)態(tài)功耗在1.55～1.64 W[9]。RICOR 將常規(guī)77 K 工作的常規(guī)旋轉式斯特林制冷機K561 工作溫度從77 K 升至150～200 K，充氣壓力從20 Bar 降低至10 Bar，在23℃環(huán)境溫度@200 K 控溫點，測得穩(wěn)態(tài)功耗低于1.2 W[9]。在功耗、質量等方面均有了較大的提升。RICOR 公司2015 年報道的K562SI 是為HOT 探測器設計的旋轉整體式低溫制冷機，它基于K562 作了如下改進：①更高效率和性能的新型電機；②冷指更薄更短，以減小漏熱。改進之后，熱負載為190 mW時，在140 K 時的功耗低于2.5 W；降溫時間少于3 min 30 s；71℃環(huán)境溫度@150 K 控溫點時的總制冷量為500 mW，重量低于185 g，如圖5、圖6 所示[17]。RICOR 公司開發(fā)的K580 型旋轉集成式制冷機[11,18]，如圖7 所示。RICOR 對其進行了較多性能測試及壽命測試，在150 K 控溫點、150 mW 熱負載、23℃環(huán)境溫度下控溫功耗約1.5 W，150 J 熱負載下降溫時間約3 min，在71℃環(huán)境溫度、150 K 控溫點下的最大制冷量為600 mW[11]。Thales 公司針對HOT 器件開發(fā)了RM1制冷機，如圖8 所示，其性能測試結果顯示，在常溫下，工作溫度每上升20 K，制冷機的降溫時間加快約15%，穩(wěn)態(tài)輸入功耗約降低15%[13]。武漢高德紅外公司基于RS046 旋轉集成式斯特林制冷機開發(fā)的RS046H 旋轉分置式斯特林制冷機，適配?6.4 mm 的冷指，可在－45℃～＋85℃的環(huán)境溫度范圍下工作，比起其他公司的HOT 器件用制冷機，環(huán)境適應性有所提升，能在100 K 控溫點@20℃環(huán)境溫度下輸出400 mW 冷量。表2 對比了幾種用于HOT 器件的旋轉式斯特林制冷機的主要參數(shù)。

表2 HOT 器件用旋轉式斯特林制冷機Table 2 Micro-rotary Stirling cryocoolers for high operating temperature applications

圖3 K562S short &K562S 制冷機Fig.3 K562S short &K562S cryocooler and controller image

圖4 K562S short &K562S 制冷機外形圖Fig.4 K562S short and K562S cryocooler profile

圖5 K562SI 制冷機外形圖Fig.5 K562SI cryocooler profile

圖6 K562SI 制冷機實物Fig.6 K562SI cryocooler and controller image

圖7 K580 制冷機外形圖Fig.7 K580 cryocooler profile

圖8 RM1 制冷機外形圖Fig.8 RM1 cryocooler profile

4 結論

本文主要闡述了HOT 器件用旋轉斯特林制冷機的SWaP3 設計理念、設計技術，總結了近年國內外HOT 器件用斯特林制冷機開發(fā)的進展。HOT 器件用小型低溫斯特林制冷機的設計應遵循SWaP3 準則，以SWaP3 準則為指導發(fā)展薄壁管短冷指、高效小尺寸控制器、制冷機綜合熱管理、可靠性預測等設計技術。目前半導體理論體系基本上沒有太多的變化，其工作溫度需求的提升得益于材料器件制造工藝的提升。隨著器件制造工藝的不斷提升，在現(xiàn)有基礎理論下探測器工作溫度不斷提高已經(jīng)成為明確的發(fā)展方向，未來的制冷機市場也必將是HOT 制冷機的市場。