一种旋转集成式斯特林制冷机的制作方法

本发明涉及低温制冷技术领域，特别涉及一种旋转集成式斯特林制冷机。

背景技术：

近年来，随着红外技术在红外成像、侦察告警、预警监视、制导、中高空远程防空等军事领域的广泛应用，红外焦平面探测器技术得以迅猛发展。斯特林制冷机作为红外探测器杜瓦制冷组件(IDDCA组件)的重要组成部分，其主要作用是冷却红外探测器，为红外探测器提供低温工作环境，降低红外探测器噪声，提高红外探测器的灵敏度和分辨率，进而提高红外成像效果。

斯特林制冷机的发展与红外焦平面探测器技术的发展以及武器装备的需求紧密相连。西方发达国家武器装备中的红外系统正在换装，即以640×512元、576×6元为代表的IDDCA组件逐步代替目前主流应用的以320×256元、288×4元为代表的IDDCA组件。目前，国内此类大规模面阵、线列红外探测器组件正处于实用化应用验证阶段，迫切需要研制与组件相适配的斯特林制冷机。

一般情况下，斯特林制冷机分为线性分置式和旋转集成式两大类。线性分置式斯特林制冷机具有振动小、噪声低和可靠性高等特点，但由于其体积、重量较大，会给整机系统设计带来一定困难。而旋转集成式斯特林制冷机具有结构紧凑、体积小、重量轻和功耗低等特点，并且随着直流无刷电机和机械技术的进步，此类斯特林制冷机能够满足各种战术武器装备的高可靠性需要，成为640×512元、576×6元等二代高端IDDCA组件的重要选择之一。根据此类红外探测器杜瓦组件的热负载情况，需要大冷量(常温制冷量1.5W以上)旋转集成式斯特林制冷机，同时要求制冷机小型化。

现有大像元规格的红外探测器组件由于杜瓦热负载相对较大，组件电功耗较高，主要适配制冷量相对大的线性分置式斯特林制冷机。而线性分置式斯特林制冷机体积大、重量重、功耗高，会给整机系统设计带来一定困难，限制了红外探测器组件的部分应用。因此，研制一款小型化大冷量旋转集成式斯特林制冷机显得十分必要。

技术实现要素：

为了满足现有技术对大冷量小型化旋转集成式斯特林制冷机的需求，本发明提供了一种旋转集成式斯特林制冷机。

本发明提供的旋转集成式斯特林制冷机，包括电机定子部件、及与所述电机定子部件连接的制冷机主体；

所述电机定子部件包括第一外壳、及位于所述第一外壳内的电机驱动控制器和电机定子；

所述制冷机主体包括第二外壳、及位于所述第二外壳内的电机转子和制冷部件；

当所述电机定子部件与所述制冷机主体连接时，所述制冷机主体内的电机转子插入所述电机定子内；

其中，所述电机定子和所述电机转子构成电机。

本发明的有益效果如下：

本发明实施例通过将电机驱动控制器集成在电机外壳内，并结合结构优化设计，实现了制冷机的小型化和大冷量，具有结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低等特点。

附图说明

图1是本发明实施例的旋转集成式斯特林制冷机的结构示意图；

图2是本发明实施例中电机定子部件的结构示意图；

图3是本发明实施例中间隙密封结构示意图；

图4是本发明实施例中九芯连接器接口定义图；

其中，1、第一外壳；2、电机驱动控制器；3、电机定子；4、电机转子；5、电机；6、偏心轴；7、曲轴箱；8、压缩活塞组件；9、推移活塞组件；10、第二连杆；11、回热器；12、压缩气缸端盖；13、气缸套、14、活塞。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

一般情况下，对旋转集成式斯特林制冷机而言，随着制冷量的增加，制冷机活塞行程/活塞直径就会增大，这样制冷机体积、重量也会增大。一款小型化大冷量旋转集成式斯特林制冷机设计技术主要包括：大冷量制冷机热力学设计技术和制冷机小型化结构设计技术。

为了满足现有技术对大冷量小型化旋转集成式斯特林制冷机的需求，本发明提供了一种旋转集成式斯特林制冷机，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

根据本发明的实施例，提供了一种旋转集成式斯特林制冷机，图1是本发明实施例的旋转集成式斯特林制冷机的结构示意图，其中图1a为剖视图，图1b为主视图，图1c为仰视图，图2是本发明实施例中电机定子部件的结构示意图；如图1和图2所示，根据本发明实施例的旋转集成式斯特林制冷机包括：电机定子部件、及与所述电机定子部件活动连接的制冷机主体，以下对本发明实施例的各个模块进行详细的说明。

具体地，所述电机定子部件包括第一外壳1、及位于所述第一外壳1内的电机驱动控制器2和电机定子3；

所述制冷机主体包括第二外壳、及位于所述第二外壳内的电机转子4和制冷部件；

当所述电机定子部件与所述制冷机主体连接时，所述制冷机主体内的电机转子4插入所述电机定子3内；

其中，所述电机定子3和所述电机转子4构成电机5。

具体的，所述制冷机部件包括曲轴箱7、位于所述曲轴箱7内垂直的第一连杆和第二连杆、偏心轴6、压缩活塞组件8、推移活塞组件9及回热器11；

所述曲轴箱7设有三个相互垂直的面，所述偏心轴6、压缩活塞组件8、推移活塞组件9分别垂直于其中的一个面，一端位于所述曲轴箱7内，另一端位于所述曲轴箱7外；

所述偏心轴6位于所述曲轴箱7外的一端与所述电机转子4连接，所述偏心轴6位于所述曲轴箱7内的一端与第一连杆和第二连杆10的连接面垂直连接；

所述第一连杆与所述压缩活塞组件8位于曲轴箱7内的一端连接，所述第二连杆10与所述推移活塞组件9位于曲轴箱7内的一端连接；所述推移活塞组件9位于所述曲轴箱7外的一端与所述回热器11连接，在所述回热器11中设有用于产生和存储冷量的回热器丝网；

所述电机5在所述电机驱动控制器2的控制下，带动偏心轴6、第一连杆和第二连杆10进行往复运动，所述第一连杆和第二连杆10分别带动所述压缩活塞组件8和所述推移活塞组件9进行往复运动，压缩所述曲轴箱7内的气体，实现逆向斯特林循环，获得冷量，使所述回热器11交替换热和产生冷量。

具体的，所述曲轴箱内的气体为氦气。

所述偏心轴6位于所述曲轴箱7外的一端还通过轴承与第二外壳连接。

所述偏心轴6位于所述曲轴箱7内的一端还并通过轴承与曲轴箱7相连。

旋转集成式斯特林制冷机是通过直流无刷电机带动曲轴连杆工作的，通过驱动控制器实现对直流无刷电机的闭环控制，并实现对制冷机的精确控温。驱动控制器是斯特林制冷机的重要组成部分，在本发明实施例中，将电机驱动控制器2设计固定在第一外壳1内，使其和电机定子3结合在一起。电机驱动控制器结构2的集成化设计有效地减少制冷机的体积。在设计中，第一外壳1采用上下两体设计，方便驱动控制器装配。电机定子3、电机驱动控制器2和第一外壳1等零件组成电机定子部件，该部件相对独立，与制冷机主体通过螺钉连接，方便安装与维护。电机定子部件设计5颗螺钉与制冷机主体固定，提高制冷机高力学条件下的环境适应性。

制冷机制冷量的实现主要通过热力学设计来实现。热力学计算以Schmidt等温模型为基础，通过热力学理论计算，得到斯特林制冷机的一些关键参数，进而进行详细的结构设计。热力学设计方法的准确与否，直接影响制冷机性能。在一些关键热力学参数确定的情况下，进行制冷机结构优化设计，主要通过将电机驱动控制器集成在电机外壳内，提高电机效率，同时通过三维建模、运动仿真和有限元分析等手段进行结构优化设计，最终实现制冷机结构的小型化。

热力学总体设计

热力学计算以Schmidt等温模型为基础，先做如下假设：工作腔内进行等温过程，循环过程均无不可逆损失，工质为理想气体，工作空间容积变化为正弦波。这是理论模型，实际存在各种损失，主要计算公式如下：

理论制冷量

其中P_av为平均压力，V_e为冷腔最大容积，δ为压力参数，θ为压力相位角。

回热损失ΔQ_R＝C(1-η_R)(T_a-T_e)

其中C为工质水当量，η_R为回热器效率，T_a为室温腔温度，T_e制冷腔温度。

流阻损失

其中ΔP为流阻压降，V_e为制冷腔容积，T为工作周期。

穿梭损失

其中为氦气平均导热系数，D_e为膨胀汽缸直径，A_e为压缩活塞振幅，δ为推移活塞与膨胀汽缸间隙，L_R为回热器长度。

泵气损失

其中C_P为比热，R为气体常数，T_av为平均温度，P_max为最高压力，P_min为最低压力。

导热损失

其中λ为导热系数，L为长度。

其他损失ΔQ₀＝Q_th×15％

总损失ΣΔQ_i＝ΔQ_R+ΔQ_f+ΔQ_sh+ΔQ_p+ΔQ_d

净制冷量Q_e＝Q_th-ΣΔQ_i

其中ΣΔQ_i为各种冷损失之和，包括回热损失、流阻损失、穿梭损失、泵气损失、导热损失和其他损失。

通过热力学计算公式可知，通过提高充气压力、工作频率、活塞行程和活塞直径等可以提高制冷机理论制冷量。这些热力学参数相互影响，需综合考虑，寻找最佳平衡点。经过反复计算、试验和修正。

通过理论计算，可初步计算出小型化大冷量旋转集成式斯特林制冷机的主要参数，其中，所述压缩活塞组件中压缩活塞的直径为14～16mm(优选为15mm)，所述压缩活塞组件中压缩活塞的行程为2.0～2.4mm(优选为2.4mm)；所述推移活塞的行程为2.0～2.4mm(优选为2.4mm)。更加具体的，其中，表1为一种典型的制冷机热力学设计结果。

表1

回热器优化设计

回热器通常与推移活塞集成为一体，由回热器管内填充不锈钢网片构成。它的作用是快速交替换热和存贮冷量，并使回热器的冷、热端维持设定的温差。合理的回热器设计参数，才能保证获得足够制冷量的同时消耗较少的功率。回热器优化设计的关键是保证有足够的换热面积和填充率、以获取高的制冷效率。

在确定回热器丝网的设计参数的前提下，回热器丝网的填充就显得非常重要。如果丝网填充均匀，气体的流动阻力就小，回热器的流阻损失也就相对小些；如果丝网填充不均匀，气体的流动阻力就大，回热器的流阻损失也就相对大些，制冷机的制冷能力就会相应地下降。另外，回热器丝网若出现部分缺损、重叠或折痕，同样会影响回热器的效率，降低制冷能力。因此，在回热器丝网填充中应将这类丝网剔除。

具体的，在本发明实施例中所述回热器丝网为不锈钢网片，所述不锈钢网片的丝径为0.020～0.025mm(优选为0.025mm)，目数为400～500目(优选为500目)，所述回热器中不锈钢网片的填充率为30％～40％。

间隙密封设计

构成间隙密封的三大要素是密封零件之间的径向微小间隙、间隙在轴向的一定长度以及密封件之间的相对运动，间隙密封结构示意图如图3所示，在图3中，所述活塞包括推移活塞与压缩活塞。间隙密封设计，需要从制冷机结构设计、零部件的加工、处理及装配工艺等多个环节入手。在本发明实施例中，所述推移活塞组件中推移活塞14与气缸套13之间的径向间隙为5～10μm；所述压缩活塞组件中压缩活塞14与气缸套13之间的径向间隙为5～10μm。

制冷机密封设计

在小型化大冷量旋转集成式斯特林制冷机密封设计时，通过计算，将制冷机充气压力控制在4.5Mpa以内；同时通过增加各密封面的螺钉数和螺钉强度进而增加固定力矩；选择金属密封形式，同时，工艺上用力矩扳手来固定各密封面螺钉。具体的，在所述曲轴箱与第二外盖、压缩气缸端盖、及红外探测器组件的接触面采用金属密封丝进行密封，其中，所述红外探测器组件为与本发明的旋转集成式斯特林制冷机配合使用的设备。

散热设计

一般情况下，斯特林制冷机表面温度应不高于环境温度10℃。小型化大冷量旋转集成式斯特林制冷机由于制冷量增大、输入功率增加，对散热的要求就更高。采取以下措施加强散热：电机外壳优化设计，增大散热面积；增加驱动控制电路与外壳间的散热面积；所述电机外壳和制冷机外壳的材质均为铝合金，制冷机安装平面尽可能大。

电机设计

制冷机采用直流无刷电机驱动，需提高有效输出功率，同时保证合适的额定转矩，同时兼顾结构设计尺寸，设计时要考虑电机工作温度，选用合适的永磁材料。

接口设计

机械接口

制冷机回热器设计尺寸为φ9mm，适配内径φ9mm的红外探测器杜瓦组件。曲轴箱包含斯特林制冷机的机械接口，设计时要考虑与红外探测器杜瓦组件的匹配关系。制冷机整体通过4个通孔用M4螺钉与整机固定。

电学接口

小型化大冷量旋转集成式斯特林制冷机采用九芯电连接器作为电学连接所述电学连接为外部电源输入与制冷机电机驱动的连接，具体定义见图4。

通过上述热力学和结构优化设计，研制出如图1所示的小型化大冷量旋转集成式斯特林制冷机，主要性能如表1所示，实现了斯特林制冷机的小型化大冷量设计。

本发明实施例提供的旋转集成式斯特林制冷机的主要性能指标如下：

制冷量：≥1.5W@23℃@77K；

降温时间：≤7min@500J23℃@77K(典型值5min)；

输入功率：≤60W@23℃@77K(典型值40W)；

稳态功率：≤20W@23℃@77K(典型值15W)；

体积：≤114mm×58mm×77.5mm；

重量：≤600g(典型值570g)。

表2列出了小型化大冷量旋转集成式斯特林制冷机与现通用旋转集成式斯特林制冷机主要性能对比。

表2

通过上表对比数据可以看出，小型化大冷量旋转集成式斯特林制冷机具有结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低等特点。该制冷机可以适配中、长波640×512(25μm)、中波1280×1024(15μm)组件，能够满足对红外探测器组件有严格空间、重量限制的某些应用，为红外探测器组件用户提供了另一种有效选择，必将进一步推动我国红外探测器组件的工程化应用水平。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。