Page 74 - 《真空与低温》2026年第1期
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韩蓬磊等：红外探测器用线性分置式斯特林制冷机设计及实验研究                                         71


              冷机存在振动大、寿命短、可靠性低等缺点，线性                            和性能研究。
              分置式斯特林制冷机通过分离压缩机和膨胀机显
                                                                 1 制冷机设计
              著降低了振动传递，便于制冷机安装及应用，提升
                                                                 1.1 设计目标
              了系统可靠性，成为新一代红外探测器制冷系统的
                                                                     该制冷机的总体设计方案和基本设计参数如
              研究热点。
                                                                表  1 所列。
                  对线性分置式斯特林制冷机开展研究的机构，

              国 外 主 要 包 括 法国      Thales Cryogenic 公 司 、 美 国
                                                                               表 1 制冷机设计指标
              Sunpower 公司、美国     Lockheed Martin 先进技术研究
                                                                         Tab. 1 Refrigerator design objectives
              中心、德国      AIM  军事部门等，国内主要有昆明物理
                                                                      指标                    设计目标
              研究所、中国电子科技集团公司第十六研究所、兰
                                                                    整体结构                    分置式
              州空间技术物理研究所等。法国                 Thales Cryogenics      压缩机结构                双活塞对置结构
              公司在小型低温制冷机领域有长达                   40 年的技术             膨胀机结构               气动式高效膨胀机
              积累，曾为美国       F35 战斗机提供制冷机，如           2015 年，        制冷性能           1.1 W@85 K@23 ℃@直流  45 W
              报道了一款分置式自由活塞斯特林制冷机，型号                                 制冷效率                      3%
              为  UP8197，整机质量为       250 g，制冷性能为      1.5 W@         环境适应性                  −55～75 ℃
                                      [4]
              150 K，MTTF  达到   25 000 h ；还有  LSF  系列斯特林               质量                    ≤550 g
              制冷机，如     LSF9580、LSF9180 和   LSF9320 等，制冷              MTTF                 ≥10 000 h

              量覆盖    550～5 000 mW  区间 。德国      AIM  公司主要
                                       [5]
                                                                     整机采用分置式结构，便于冷头处冷量利用，
              研究生产自由活塞分置式斯特林制冷机，其产品系
                                                                压缩机采用双活塞对置式设计以降低振动，并采用
              列主要包括      SF、SL、SX   系列，在红外探测器上应用
                                                                柱弹簧结构以降低成本，膨胀机采用气动式布局，
              十分广泛，2012 年报道了一款           SX030 系列斯特林制
                                                                热端设计为阶梯式腔体以提高制冷效率。为使膨
              冷机，采用动磁式单活塞结构，压缩机质量为                     280 g，
                                                                胀机与压缩机达到最佳匹配状态，在膨胀机热端处
              耦合杜瓦总质量为         380 g，制冷性能为      0.6 W@140 K，
                                                                可以通过调节弹簧刚度来实现。为了实现轻量化设
                                [6]
              MTTF  长达   30 000 h 。昆明物理研究所对线性斯
                                                                计，采用较高的运行频率来提升压缩机功率密度。
              特林制冷机研究较早，开始于               20 世纪   80 年代，在
                                                                 1.2 热动力学设计
              线性斯特林制冷机研究方面，处于国内领先水平，如
                                                                     本文采用     Sage 软件进行热力学设计计算，模
              2004 年通过鉴定的       SCI05H  斯特林制冷机，制冷量
                                                                型如图    1 所示。该模型将制冷量、输入功和制冷
              为  0.5 W，MTTF  达到   4 000 h；还有  SCI10H  型制冷
                                                                效率作为重要优化目标，通过调整充气压力、运行
              机，制冷量为      1 W 。中国电子科技集团公司第十六
                              [7]
                                                                频率、回热器孔隙率等参数来实现制冷目标。将
              研究所在小型化线性斯特林制冷机方面有深厚的
                                                                模型所需的基本参数如表             2 所列。为统一表述，下
              技术积累，近年来研制的线性分置式斯特林制冷机                            文所述制冷量均为净制冷量。
              如  SFZ1500、SFZ2800、SFZ700、SFZ800 等型号在              1.2.1 动力学设计
              高性能红外探测器领域得到了应用，制冷性能均达                                 线性压缩机受力分析简化模型如图                 2 所示，主
              到国内先进水平；2017 年，设计出一款轻量化高效                         要针对动子组件进行受力分析。压缩机动子电学
              动磁式线性压缩机，质量≤1.8 kg，压缩机只考虑铜                        控制方程如式（1）。
                                [8]
              损时，效率达 82.6% ；2018 年设计的            SFZ700 型号                     E = R e I + jωL e I +α˙x  （1）
              制冷机，采用单活塞动磁式线性压缩机驱动，电声                                 线性压缩机动子主要受弹性力、气体力、摩擦
              转换效率达到        75%  以上，整机质量为         400 g，制冷      力、电磁等作用，其力学控制方程如式（2）。
              量为   0.7 W@80 K。                                               BIl = m¨x+kx+∆p c A+c˙x     （2）
                  斯特林制冷机是红外探测器组件的重要组成                           式中：   α为反电动势常数；         L e为线圈电感；      j为虚数
              部分，为探测器提供稳定的低温环境，基于高可靠                            单位；   ω为角频率；m      为动子质量；A       为活塞横截面
              性红外探测器组件应用需求，开展了线性斯特林制                            积；E  为电压；I 为线圈电流；B           为磁感应强度；l 为
              冷机的研制工作，本文详细介绍了该制冷机的研制                            线圈有效长度；x 为活塞位移；             ˙ x为动子速度；    ¨ x为动
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