1 华北光电技术研究所，北京100015
2 中国人民解放军93160部队，北京100071
驱动器元器件的散热问题一直是斯特林制冷机在高温环境下稳定运行的主要限制因素。以某款斯特林制冷机为研究对象，通过具体的驱动器元器件的散热结构设计来优化其散热特性。通过试验验证了优化后散热结构的可靠性及散热提升效果。在热真空环境温度60℃条件下，应用这种散热优化结构的斯特林制冷机的驱动器元器件的平均温降约为718%。通过试验发现，在热真空环境温度60℃条件下，用紫铜作为背板材料的元器件的平均温度比用铝作为背板材料时约低905%；制冷机反向放置时元器件的平均温度比正向放置时约低1925%。本文设计的散热优化结构、试验过程及结果，对具体的工程实践具有一定的指导意义。
斯特林制冷机 元器件散热 优化设计 试验研究 Stirling refrigerator heat dissipation of components optimization design experimental study
1 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
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。
低温系统 空间BIB探测器 斯特林 脉冲管 焦汤节流 液氦 多级制冷机 cryogenic system space BIB detection stirling pulse tube JT liquid helium multi-stage cryocooler
线性斯特林制冷机在整个工作过程中, 输入正弦交流电的频率精度是直接影响线性斯特林制冷机振动的重要因素。尤其是对于单活塞线性斯特林制冷机而言, 输入的正弦交流电频率精度将直接影响到与之相连的动力吸振器的减振性能。基于此, 本文在线性斯特林制冷机逆变器的研究基础上, 通过对 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)波生成方法、逆变电路中 MCU(MoneyWise Credit Union)时钟频率及滤波电路中截止频率、电容和电感等多个参数的分析, 得到了开关数和频率精度之间的关系。根据实际应用的要求, 线性斯特林制冷机逆变器输出实际频率与目标频率误差不得超过 ±0.1Hz, 频率精度则需要求控制在± 0.1%以内。所以在该应用条件下, 本文在单片机 MCU频率为 72 MHz时找到了满足合适需求的开关次数在 1400～2400之间, 其对应的频率精度均小于±0.1%。
线性斯特林制冷机 开关数 截止频率 频率精度 linear Stirling refrigerator number of switches cut off frequency frequency accuracy
随着碲镉汞(mercury cadmium telluride, MCT)材料制备工艺的改进和提升, 芯片组件的暗电流得到一定程度的抑制, 红外探测器芯片组工作温度上升成为发展趋势。高工作温度(high operation temperature)器件的发展推动着小型低温斯特林制冷机向更小尺寸(size)、更小重量(weight)、更低功耗(power)、更低成本(price)、更好性能(performance)的方向发展。本文介绍了 HOT器件用斯特林制冷机的 SWaP3设计理念, 薄壁管短冷指、高效小尺寸控制器、综合热管理、可靠性预测等设计技术, 总结了近年国内外 HOT器件用旋转式斯特林制冷机的研制进展。
红外探测器 HOT器件 低温制冷机 infrared detector, HOT, cryocoolers
红外与激光工程
2023, 52(2): 20220369
1 北京空间机电研究所, 北京 100094
2 先进光学遥感技术北京市重点实验室, 北京 100094
空间光学遥感器朝着更高分辨率、更高侦测功能密度的方向发展, 兼具可见光和红外谱段侦查功能的高分辨率、轻小型相机逐渐成为研究的热点。制冷机的微振动是影响光学遥感器成像品质的关键因素之一。为了量化评估红外制冷机微振动特点及对成像性能的影响, 解决微振动对高分率相机成像系统干扰的问题, 对脉冲管式斯特林制冷机的微振动产生机理进行了分析, 采用固支测力法对微振动性能进行了不同功率和使用状态下的测试和分析。基于制冷机的微振动测试数据, 提出了在应用环节隔离微振动传递路径的微振动抑制策略, 整机的有限元仿真分析表明制冷机微振动对成像系统的传函影响降为0.02%, 证明了其有效性。
高分辨率 可见-红外 一体化相机 制冷机 微振动 high resolution visible-infrared integrated camera refrigerator micro-vibration
1 杭州法斯特技术服务有限公司, 浙江 杭州 311200
2 上海欧慕机械科技有限公司, 上海 201108
介绍了斯特林制冷机里使用的一种新型空心金属 C 型密封圈的制作工艺与选材、密封特点和使 用优势。针对传统的橡胶密封圈、PTFE、金属实心银丝密封圈等泄漏率髙、易失效等特点, 金属C 型密封圈制造精度高, 经过多年的测试使用和论证, 该密封产品在抗强冲击和耐强辐射的环境下, 依 然可以实现较髙的可靠性和较低的泄漏率, 漏率最低则可以达到10「9 atm.cm3/s.m, 可以满足斯特林 制冷机泄漏率的要求。
髙压氦气 金属密封 斯特林制冷机 泄漏率 high pressure helium, metal ring, Stirling cryocoo
1 中国科学院 上海技术物理研究所，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 上海量子科学研究中心，上海 201315
对工作在1~2 K的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)用多级脉冲管预冷焦耳－汤普逊(JT)的复合制冷机制冷性能进行了系统的热力学优化研究。阐述了该复合制冷机的结构设计和工作机理；基于热力循环分析提出了焓流模型，同时建立了适用于3 K以下温区的实际流体质量流量模型，并将二者结合，分析复合制冷机的性能；探讨了理想情况下净制冷量随末级预冷温度和上游压力的变化特性，应用所提出的模型通过离散参数拟合方法对二者进行优化。发现对于He-4和He-3工质，多级脉冲管末级最优预冷温度分别为11 K和8 K；以He-4为工质，该复合制冷机能在2.2 K的温度下提供85 mW以上的制冷量；以He-3为工质，能在1.0 K提供18.5 mW的制冷量，该性能能够满足SNSPD的实际应用需求。
超导纳米线单光子探测器 1～2 K复合制冷机 热力学优化 Superconducting Nanowire Single Photon Detectors 1-2 K hybrid cryocooler thermodynamic optimization 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(1): 90
1 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
直线型和同轴型脉管制冷机被广泛应用于空间领域，尤其是同轴型脉管制冷机。同轴型脉管制冷机结构紧凑且使用便利，而直线型脉管制冷机结构简单且制冷效率高。目前，对于两类脉管制冷机的理论比较研究相对较少，因此开展相应的比较研究很有意义。本文分析了两款不同结构的单级脉管制冷机（直线型和同轴型）。通过建立一维数值模型分析两款制冷机相关热力学参数的不同之处，从机理上揭示了不同结构会导致不同的制冷性能。通过比较两款制冷机的能量流及声功阻抗图，开展实验对两款制冷机性能进行测试和分析。结果表明：在相同的输入功率时，直线型脉管制冷机具有更高的制冷效率，而同轴型脉管制冷机可以达到更低的制冷温度（原因在于同轴型冷指的脉冲管置于回热器内部，会被回热器预冷）。通过比较发现，模拟数据和实验结果具有较好的一致性。
脉管制冷机 直线型 同轴型 pulse tube cryocooler in-line type coaxial type
当前，对于吸振器和单活塞线性斯特林制冷机振动系统的研究，几乎都是在已知制冷机进行某种固定安装方式的正定模型上进行的。而这种正定方法由于缺乏对制冷机和吸振器系统固有频率的分析，当改变系统的安装方式后，可能会产生共振并减小吸振器的减振效果。基于此，本文将对制冷机和吸振器振动系统在未进行任何安装时的半正定模型进行理论分析，并通过悬挂测试法对制冷机适配吸振器前后进行振动实验。由此得到了系统在半正定模型下的理论固有频率值为 78.6Hz。而通过实验可发现，受吸振器实际加工和装配的影响，系统的固有频率随吸其刚度的增大而增大，其增大的范围在 78.1～80.8 Hz之间。
单活塞线性斯特林制冷机 吸振器固有频率 半正定模型 single-piston linear Stirling cryocooler, vibratio
