用于红外系统的新一代分置闭循环制冷器

——不幸的是,至今闭循环制冷器无论是对使用者还是对制造者来说,仍然是红外系统中的薄弱环节。当使用这种制冷器时,它最多只能连续工作几百小时,所以红外系统的性能不得不因它而减低了。本文着重讨论斯特林循环制冷器工艺方面的技术进展,这将逐渐使军用制冷器的面貌为之一新。这里重点讨论最新研制出来的一系列平均无维修故障时间长的分置闭循环制冷器。阐述这些制冷器在技术上的演变,其中包括美国研制的平均无维修故障时间长达几年的卫星系统用斯特林制冷器以及荷兰研制的UA7011制冷器 (首批一次性、军用制冷器)。还讨论三台新型制冷机。检验其中两台平均无维修故障时间至少有2500小时,标准制冷量在80K温度下为1/4瓦和1瓦的线谐振自由排出器斯特林制冷机。第三台制冷机是经过改进的,制冷量在80K温度下为1/4瓦的最新斯特林机,它的自由排出器是经改进了的,但压缩器仍利用曲轴驱动。所有三台制冷机都可配装美国标准的60元和120/180元探测器/杜瓦瓶。文中详尽地讨论了上述制冷器中的线谐振压缩机和自由排出器膨胀器的技术,以使读者清楚了解它们的优越性能。     

气动分置制冷机的研制

气动分置制冷机的研制昆明物理研究所陈宇昌，陈晓屏，陈军经过多年地摸索，我所试制成功了气动分置斯特林循环制冷机。此制冷机由往复谐振电机驱动压缩机，膨胀机全气动。机器体积小、质量轻，很容易与本所制成的热成象通用组件探测器／杜瓦瓶配合。制冷机总质量２．６ｋ...     

杜瓦/快速起动节流制冷器集成体及杜瓦/斯特林循环制冷机集成体

红外探测器必须在大约80K低温下才能正常工作。因此,它一定要装在杜瓦中,而且要有节流制冷器或制冷机给其提供低温环境。随着红外技术的迅速发展,出现了杜瓦/快速起动节流制冷器集成体和杜瓦/斯特林循环制冷机集成体。杜瓦/快速起动节流制冷器集成体将杜瓦与快速起动节流制冷器制做为一体,消除了原与节流制冷器相配合的杜瓦芯柱,降低了能耗,诚小了体积,减轻了质量。这种集成体中的快速起动节流制冷器是以玻璃为材料的平面状快速起动节流制冷器,它采用两级制冷,第一级选用氮-碳氢化合物混合气体为工质,第二级选用纯氮气体为工质,在快速起动节流制冷器內装有微型喷射泵,这样,不仅提高了节流制冷器制冷效率,而且可使快速起动节流制冷器制冷温度达70K以下,有利地提高了红外探测器的工作性能。杜瓦/斯特林循环制冷机集成体将杜瓦与斯特林循环制冷机制做为一体,斯特林循环制冷机冷指与杜瓦芯柱合二为一,红外探测器直接安装于斯特林循环制冷机冷指之上,消除了芯柱热传导、斯特林循环制冷机与杜瓦之间连接的热偶合器及其产生的热阻,较大地降低了系统能耗,减少了斯特林循环制冷机体积,减轻了斯特林循环制冷机质量。     

狭缝调相式分置斯特林制冷机理论模型与模拟

自从分置式斯特林制冷机出现以来,工程设计对可靠的整机理论模型有着迫切需求。给出狭缝调相式气动分置式斯特林制冷机热动力学模型及控制方程,直线压缩机采用了绝热模型,压缩活塞的运动规律采用了试验修正,模型中考虑了活塞驱动电机运动特征和回热不完全、轴向导热、穿梭运动、气体泵热、辐射等主要冷损,排出器运动采用单自由度强迫运动模型,并运用数值计算方法模拟整机性能。该模型可用来对整机性能进行预测并帮助设计者深入理解整机物理过程。     

mc80磁力驱动斯特林制冷机

在斯特林制冷机中,理想气体由活塞的运动进行压缩和膨胀,在循环的每一相位,第二活塞(排出器)将气体连续地推移到适当的地方。通常,活塞和排出器是由曲轴机构来驱动的。在mc80中,是将压缩活塞与线圈连结在一起在磁场中运动,并使排出器与活塞线圈组合体协调动作。这对一种特别简单可靠的配套制冷机的微型化,提出了一个很吸引人的新概念。     

120 Hz线性压缩机与冷指匹配特性分析

针对一款频率为120 Hz的同轴型脉管冷指,设计了一台高频动磁式线性压缩机,并采用有限元分析方法进行了电机本体的设计。实验结果表明,制冷机在34 W输入功率下可实现80 K 时1 W的制冷性能。在此压缩机模型的基础上,与一台相同频率的斯特林冷指进行了匹配,通过对压缩机的动子板簧重新设计,在34 W输入功率下达到了80 K时 1 W的制冷量,证明此设计方法有效。     

新颖热压缩气体回热式微型制冷机

热压缩气体回热式制冷机亦称VM制冷机,系按维勒米尔(Vuilleumier)循环,即将斯特林(Stirling)热动力循环与斯特林制冷循环结合起来的闭循环低温制冷机。VM制冷机一般有高、中、低三个温度区域,在热端输入热能,使工质高温压缩,而在低温膨胀制冷,同时在中温区排出全部热量。不同于通常工质容积变化的机械式压缩,VM制冷机采用气体热     

线性斯特林制冷机压缩机阻尼系数测试分析

线性压缩机目前是长寿命斯特林制冷机和高温斯特林制冷机常用的压缩机。本文首先分析了阻尼系数在压缩机运行过程中对压缩机的影响,然后对线性压缩机阻尼系数测试方法进行了理论分析,最后对昆明物理研究所线性压缩机的阻尼系数进行了测试分析。通过理论分析给出了线性压缩机的阻尼计算方法,并搭建真空实验平台测试出压缩机的阻尼系数。对昆明物理研究所SCI09H制冷机的线性压缩机和SCI15H制冷机的线性压缩机进行了阻尼测试,测试结果表明不同线性压缩机的阻尼系数并不完全相同。     

30 K脉管预冷CFD仿真研究

针对一台U型一级斯特林二级脉管混合制冷机,分析了一级冷量对二级脉管预冷对制冷机整机性能的影响。制冷机一级制冷温度为80 K,二级制冷温度为30 K,通过将一级冷指和脉管热桥连接,利用一级提供的冷量对脉管进行了预冷。通过计算流体力学(Computer Fluid Dynamics, CFD)仿真研究了脉管预冷对脉管内部温度场和速度场的影响。研究发现,对脉管进行预冷会改变脉管工作时的内部温度分布,对二级制冷能力有巨大影响。在不采用一级冷量对脉管中段进行预冷时,制冷机以二级0.7W@30 K和一级7W@80 K同时进行冷量输出,压缩机输入PV功为133 W;通过热桥将一级冷端换热器与二级脉管中段连接后,保持输入PV功为133 W,输出冷量变为二级1.2W@30K和一级6W@80K同时进行冷量输出。研究发现,U型一级斯特林二级脉管混合制冷机采用中段脉管预冷可大大提高二级的制冷能力。     

红外探测器用旋转集成式斯特林制冷机失效分析

以一款制冷量为0.4 W的XD-2A型旋转集成式斯特林制冷机为例,介绍其耦合红外焦平面探测器杜瓦组件后,在实际使用过程中遇到的一些故障现象。通过故障机理分析,给出了故障的解决或控制措施,方便用户及时排查与制冷机、驱动电路及红外焦平面探测器杜瓦组件相关的故障原因。文中介绍的一些故障现象、机理分析及解决和控制措施同样也适用其他型号的旋转集成式斯特林制冷机。     

小型分置式斯特林制冷机的研究概述

自逆向斯特林循环被用做制冷获得成功以来,斯特林制冷机已经历了近半个世纪的发展。目前,斯特林制冷机已成为小型低温制冷机中被研究得最深入、应用最广泛、发展最成熟的制冷机。本文从分析小型分置式斯特林制冷机的原理出发,介绍了国外研究情况,阐述了小型分置式斯特林制冷机研究的关键技术和当前的一些相关研究。     

大冷量分置式斯特林制冷机

多元器件和焦平面阵列技术的蓬勃发展,要求制冷机提供较大的制冷量来满足系统的需要。本文充分介绍了国内外大冷量斯特林制冷机的研制情况,并在继承已有成熟技术的前提下,提出了研制大冷量分置式斯特林制冷机所需解决的关键技术,最后概述了国内外在斯特林制冷机方面的理论研究情况和发展趋势。     

高德红外RS058旋转式斯特林制冷机设计及性能

斯特林制冷机被广泛用于机载、舰载、装甲车等项目的红外武器装备上,是现代国防非常重要的尖端技术产品之一,实现高性能斯特林制冷机的国产化具有重要战略意义。RS058是高德红外研制的微型旋转式斯特林制冷机系列产品之一,适合中面阵、大面阵探测器使用,本文主要论述制冷机的设计方法及实际性能。在现有0.5 W@77 K规格制冷机的基础上,结合了包括热力学、动力学和驱动控制等在内的理论计算和试验验证,RS058实现了更好的制冷性能,卡诺效率达到6.20%,能够满足制冷红外探测器的使用和国产化需要。     

基于定子隔离技术的旋转集成式斯特林制冷机的优化研究

以一款制冷量为04W/77 K的小型化旋转集成式斯特林制冷机为研究对象,优化其结构,将定子隔离技术应用于该款制冷机中。优化后的制冷机避免了定子外壳玻璃-金属封接处气体泄漏的风险,同时也降低了制冷工质气体污染导致制冷机失效的可能性。通过制冷机与探测器联试数据,表明该样机性能可满足红外探测器组件应用需求,达到了预期优化研究目的。     

红外系统应用的高频同轴脉冲管制冷机惯性管调相实验分析

直线压缩机SL400用于高频同轴脉冲管制冷机PT08的研制,优化的工作频率为40Hz,在气库与脉冲管间连接不同长度不同管径的惯性管作为调节脉冲管冷端处压力波与流速波合适相位的调节机构。不同排气量及额定输入功率的直线压缩机SL150驱动该制冷机,不同内径及长度的惯性管用于PT08脉冲管制冷机SL150压缩机的匹配调试,给出了不同的工作频率下制冷机的最低制冷温度及压缩机的效率数值,调节压缩机的工作频率,无双向进气,制冷机的最低制冷温度在59．1～65．1K的范围。随着惯性管的管径变粗,长度变短,压缩机驱动制冷机的最佳制冷性能(最低制冷温度)的工况条件往高的驱动频率方向变化。在实用化简易化商业化应用考虑的条件下,为SL150压缩机驱动PT08制冷机优化了较小直径较短长度的惯性管,该惯性管利于直接封装于气库的内部,使得气库可与同轴式脉冲管制冷机的冷指集成为一整体。     

军用热象仪红外探测器用的微型制冷技术

微型制冷技术在军用热成象及其他红外系统中占有十分重要的地位。本文对国外微型制冷技术的发展,特别是对斯特林型制冷机的发展历史和现状以及第一、三、三代斯特林型制冷机的性能及其应用作了较详细的评述。最后对我国微型制冷技术的发展及存在的问题作简要分析。     

单活塞线性压缩机用动力吸振器理论分析与Matlab仿真

单活塞线性斯特林制冷机由于其降温速度快、质量小和可靠性高等特点,目前正广泛用于红外探测器中,但是由于压缩机运行时产生的振动会严重影响探测器成像质量,所以在振动抑制方面动力吸振器的使用成为单活塞线性压缩机的最佳减振方式。基于此,本文首先论述了动力吸振器在单活塞线性压缩机减振方面的作用,并举例介绍了当前单活塞线性压缩机用动力吸振器的基本结构。为了不失理论分析的一般性,在动力吸振器与压缩机振动模型的理论计算中引入了几个重要的无量纲参数。最后在此基础上,利用Matlab软件对动力吸振器与压缩机模型进行振动幅频特性仿真。     

用于空间BIB探测器的0.3 W@4.2 K大冷量轻量化低温系统

大阵列BIB探测器由于其高量子效率和低暗电流而成为广泛的研究对象,特别是在空间应用方向。如2021年发射的詹姆斯韦伯太空望远镜,它已经进行了许多重要的天文观测。一个稳定、高效、轻量化的液氦温区低温系统对BIB探测器的运行至关重要。氦节流制冷机可取代传统的大容积液氦杜瓦,能满足空间液氦温区的制冷要求。为了同时提高4.2 K的制冷量并减轻重量,提出了一种0.3 W@4.2 K的大冷量轻量化的4.2 K低温制冷系统。并且在现有0.1 W@4.1 K制冷量的低温系统上进行实验,验证了该系统的设计方法。在不同的冷却温度区采用不同的冷却方法,以实现冷却的高效性和轻便性。开发了一个新的集成斯特林制冷机,在80 K时提供高效的一级预冷,制冷量为15 W,重量仅为4.5 kg;二级预冷采用主动活塞调相的15 K脉管制冷机,制冷量为0.9 W。此多级低温制冷系统通过耦合氦气JT循环,可以在4.2 K时提供0.3 W的制冷量,输入功低于1.8 kW。此系统将为正在快速发展的红外天文观测所需的空间BIB探测器提供保障。     

一种电子产品的可靠性评估方法

针对不便于进行试验室鉴定其可靠性水平的军用电子产品,提出了一种可操作性较强的可靠性评估方法。该方法应用已收集的调试、环境试验等其他的试验数据,通过环境因子的折算,并采用经典法对产品的平均故障间隔时间(MTBF)做出区间估计。最终完成对评估对象可靠性水平的评估。     

红外遥感低温制冷器的进展

与红外探测器配套的低温制冷器是军用急需发展的高新技术产品，国内研制已接近国际先进水平，基本掌握了小型化、低振动、长寿命、细方形漆包线制作，间隙密封、消除电磁干扰等关键技术，介绍了研制的直线电机谐振压缩机的主要技术性能。希望主管、用户、研制、生产各方通力合作，在应用和改进过程中，实现我国低温制冷器的产业化。