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
时间：2023-02-26 19:25:06 来源：千叶帆 本文已影响人
刘湘德,徐长彬,辛光磊,迟国春
(中电科光电科技有限公司,北京 100015)
在过去的三四十年里,红外探测器组件在军事和空间技术上得到了极大的发展。作为红外探测器组件主要构成之一的旋转集成式斯特林制冷机具有重量轻、效率高、功耗低等优点,被广泛地应用于车载、机载、舰载、制导和航天应用等领域的红外系统。
随着红外探测器组件的市场需求量逐年增长,用户对斯特林制冷机的可靠性提出了更高的要求。因此,在保证制冷机体积和重量不增大的前提下,进一步提高斯特林制冷机的可靠性成为了目前急须解决的关键问题。
本文以一款制冷量为0.4 W/77 K的旋转集成式斯特林制冷机(如图1所示,兼容法国Thales公司RM2型制冷机)为研究对象,对制冷机部分结构展开优化设计,从影响制冷机可靠性的制冷工质气体泄漏和气体污染问题入手,采用电机定子隔离技术,即:用一个薄壁金属零件将电机的定子与转子进行物理隔离。该技术一方面避免了定子漆包线绕组放出的多种有机气体污染制冷机内部的纯净气体工质,另一方面也解决了电机定子外壳玻璃-金属封接处的泄漏问题。最后,通过优化后的样机与红外探测器耦合,给出了样机测试的主要性能试验结果。
图1 0.4 W/77 K旋转集成式斯特林制冷机
0.4 W/77 K旋转集成式斯特林制冷机,主要由直流无刷电机(电机定子组件与电机转子)、曲轴箱、压缩活塞、压缩气缸套、蓄冷器组件(膨胀活塞与蓄冷器)、膨胀气缸套、偏心轴等零部件组成,如图2所示。
图2 0.4 W/77 K制冷机结构示意图
制冷机工作过程中,由外界稳压电源提供9～12 V直流电压经驱动控制电路转化为三相交流信号驱动直流无刷电机。直流无刷电机的转子与偏心轴粘接成一体,通过转子偏心轴组件带动曲柄连杆结构运动,将电机转子的旋转运动转化为压缩活塞和膨胀活塞在各自对应气缸内的直线往复运动。随着逆向斯特林热力学制冷循环次数的不断累积,蓄冷器组件冷腔内温度将不断降低,从而实现制冷。
0.4 W/77 K制冷机已经从设计上保证了制冷机的可靠性要求。但是,材料自身的缺陷、零件加工的残余应力等因素在制冷机工作的初始时期都可能引起失效。这些前期失效,可以通过应力筛选实验及选择合理的老练试验方法将其剔除。在早期失效被剔除后,后期影响制冷机运行失效的主要模式[1]有制冷工质气体泄漏和气体污染问题。
3.1 针对制冷工质气体泄漏失效的分析
从制冷机的结构可以看出,其密封面共有5处,如图3所示,分别为:电机端密封面、压机端密封面、充气螺钉密封面、冷指端密封面与电机封针密封面。
图3 0.4 W/77 K制冷机密封面
其中,电机端密封面、压机端密封面、充气螺钉密封面与冷指端密封面的密封方式采用软金属密封形式。即:在密封面的密封槽内填充金属密封圈或软金属垫片,通过螺钉锁紧力固定,使密封圈和软金属垫片与密封面接触发生变形,进而填充密封面之间的加工间隙,从而达到密封的效果。
而本文优化研究的对象电机封针密封面,该处密封方式采用的是铝合金与玻璃封接工艺,具体结构为制冷机的动力源电机定子装配在铝合金材料的定子外壳中,以玻璃绝缘子中的可伐镀金插针作为电极引出与外接驱动电路连接。而玻璃绝缘子需要与定子外壳通过高温烧结使玻璃熔化,金属铝壳和玻璃相互渗透、相互扩散,并保温后使玻璃与定子外壳充分结合,最终得到玻璃与金属紧密结合的封接件[2],如图4所示。
图4 定子外壳封接示意图
对于该工艺技术的难点为:(1)玻璃封接工艺除了要解决电学连接的问题,还要满足玻璃绝缘子与定子外壳之间的气密性及其长期可靠性。由于斯特林制冷机内部的制冷工质为氦气,分子体积小,渗透性强。所以,为了保证制冷机内部高压氦气的密封性要求,就需要两者有足够的结合强度；
(2)由于玻璃与铝合金的膨胀系数相差较多,并且铝合金的熔点比较低,导致封接工艺技术难度较大。
另一方面,在封接工艺过程中,对玻璃绝缘子和定子外壳封针孔表面状态要求非常高。若玻璃绝缘子或定子外壳封针孔表面有划伤、微裂纹等缺陷,那么低温玻璃在熔封与插针浸润的过程中将很难与定子外壳封针缺陷处发生表面浸润并形成过渡层[3],进而无法形成粘接强度和可靠性高的封接,大大降低了密封的可靠性。特别是抗温度循环和力学等冲击性方面表现较差,具体表现为随着温度变化范围或振动冲击量级的增大,封接界面之间产生分层和微裂纹,导致该密封处发生气体泄漏现象,影响红外探测器组件正常使用。
3.2 针对制冷工质气体污染失效的分析
影响0.4 W/77 K制冷机可靠性的另一个重要因素为制冷工质气体污染。
在制冷机运行过程中,需向制冷机腔体内充入一定压力的高纯度(一般不低于99.999 %)氦气。如果其他杂质气体混入高纯度氦气内,导致氦气纯度下降到一定程度后,制冷机性能便会受到影响而衰减下降乃至失效。
经分析,气体污染的最主要来源为电机定子。电机定子在绕制过程中使用的环氧胶和漆包线的绝缘漆、浸渍漆,以及电机定子装入定子外壳时使用的粘接胶都会排放出大量的有机气体。当制冷机工作时,高沸点气体在制冷机蓄冷器低温端逐渐凝结,导致有效传热损失、和传热热阻损失增加,回热效率降低,引起了回热损失ΔQR[4]:
ΔQR=cpMQ(1-ηR)(Th-Tco)
(1)
式中,cp为平均定压比热；
MQ为通过蓄冷器的平均质量流量；
Th为蓄冷器热端的温度；
Tco为蓄冷器冷端的温度；
ηR为回热效率。
蓄冷器内丝网网孔被堵塞,阻力系数增大,流阻压降Δp也随之变大,引起压降损失ΔQf:
ΔQf=∮ΔpdVco
(2)
式中,Δp为流阻压降损失;Vco为冷腔容积。
针对降低制冷机的气体污染问题,国内、外普遍采用的方法为:在设计上,选择低放气量的材料及润滑脂和粘接胶等；
在工艺上,采用高洁净度的装配工艺环境、对源气(氦气)提纯、对金属和非金属零部件进行不同温度的真空烘烤处理等。但是,这些前期处理手段,只能令斯特林制冷机污染失效得到一定程度上的延缓,还无法彻底解决制冷机长时间工作环境下污染失效问题[5]。
4.1 结构优化设计
针对制冷工质气体泄漏和气体污染问题,选取电机定子组件部分作为优化研究对象,对其进行了重新设计改进。在整个优化设计的过程中,总的原则为:(1)保证电机定子与电机转子之间原有的位置关系和安装形式不得发生变化,从而保证制冷机的动力部分维持原本的设计状态；
(2)保证优化后的制冷机性能指标及环境适应性、可靠性、整机质量及尺寸与原制冷机应基本一致。具体优化设计方案如下:
在0.4 W/77 K制冷机原有结构基础上,引入电机定子隔离技术,即:通过在电机转子与电机定子之间增加一个钛合金材料,壁厚为0.5 mm的薄壁保护套,如图5所示,将电机定子这个主要污染源与充入制冷机腔体内的高纯度氦气进行物理隔离[6]。
图5 优化后样机结构示意图
4.2 机械强度校核
由于制冷机优化后的密封结构从原来铝材料的电机定子外壳上转移到钛合金材料的薄壁保护套上,所以需要对保护套进行机械强度校核以验证其结构是否满足制冷机可靠性要求。
首先利用软件建立了薄壁保护套三维简化模型,如图6所示。
图6 保护套三维简化模型
然后将模型导入有限元软件中进行力学仿真,仿真时的边界条件为:(1)薄壁保护套底面为固定约束；
(2)在薄壁保护套内壁面施加1.7 MPa的压力。得到保护套的应力分布如图7所示。
图7 保护套力学仿真结果
而钛合金的许用应力可按下式计算:
(3)
其中,σs为材料的抗压屈服强度;n为安全系数。
钛合金的抗压屈服强度为980 MPa,按安全系数n=3计算,钛合金的许用应力为326 MPa。
由图7仿真结果可以看到薄壁保护套的最大应力为56.13 MPa,远小于钛合金的许用应力。所以保护套选用钛合金材料及壁厚0.5 mm可以满足更改后设计的力学强度要求。
4.3 优化特点分析
该优化设计较原有结构的优点为:
(1)可从根源上消除电机定子放气对氦气纯度的影响,确保了制冷机腔体内氦气的纯净度,减少了内部污染风险；
(2)由于密封结构设计从电机外壳上转移到了薄壁保护套上,所以可以取消定子外壳封针工艺,彻底解决了玻璃封针处的漏气问题；
(3)从工艺装配的角度上,电机定子通过4颗螺钉与制冷机主体部分连接,在保证制冷机高强度力学条件下的环境适应性的前提下,又方便安装与维护；
(4)从整机安装使用的角度上,由于取消了定子外壳封针工艺,电机方向尺寸也相应减少了。同时,电机定子与驱动电路控制板之间连接方式更加灵活多样,既可以延用插针连接,也可用九芯插件作为电学连接件,如图8所示,甚至可以直接将电机定子引线直接与驱动电路板焊接为一体使用。这些都为整机装配空间提供了多种可行性。
图8 优化后定子组件
5.1 与红外探测器联试主要性能指标
优化设计后的0.4 W/77 K小型化旋转集成式斯特林制冷机,与中波640×512(15 μm)红外探测器组件,如图9所示,进行了耦合联试,如表1所示。主要性能测试结果对比优化前基本未发生改变,但电机方向尺寸较原来有所减小,为该方向上整机装配节省了一定空间。
表1 优化前后测试结果
5.2 环境实验性能
随机抽选2台优化后的0.4 W/77 K制冷机进行环境实验性能测试,包括温度与力学实验,具体实验条件见表2。实验后的制冷机常温测试性能正常,表明了优化后的0.4 W/77 K制冷机具有较好的环境适应性。
表2 优化后的0.4 W/77 K制冷机环境实验性能测试结果
本文通过介绍0.4 W/77 K小型化旋转集成式斯特林制冷机的结构特点,分析了影响该款制冷机可靠性的两个重要因素:制冷工质气体泄漏和气体污染；
通过采用电机定子隔离技术,优化设计了0.4 W/77 K制冷机的部分结构,在减少内部污染风险的同时,也彻底解决了玻璃封针处的漏气问题。优化后样机与红外探测器组件耦合后主要性能指标的测试结果表明,制冷机性能满足了红外探测器组件的应用需求,优化研究工作初步达到了预期目的。
