本發(fā)明涉及低溫制冷技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機。

背景技術(shù)：

近年來，隨著紅外技術(shù)在紅外成像、偵察告警、預(yù)警監(jiān)視、制導(dǎo)、中高空遠(yuǎn)程防空等軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，紅外焦平面探測器技術(shù)得以迅猛發(fā)展。斯特林制冷機作為紅外探測器杜瓦制冷組件(IDDCA組件)的重要組成部分，其主要作用是冷卻紅外探測器，為紅外探測器提供低溫工作環(huán)境，降低紅外探測器噪聲，提高紅外探測器的靈敏度和分辨率，進而提高紅外成像效果。

斯特林制冷機的發(fā)展與紅外焦平面探測器技術(shù)的發(fā)展以及武器裝備的需求緊密相連。西方發(fā)達(dá)國家武器裝備中的紅外系統(tǒng)正在換裝，即以640×512元、576×6元為代表的IDDCA組件逐步代替目前主流應(yīng)用的以320×256元、288×4元為代表的IDDCA組件。目前，國內(nèi)此類大規(guī)模面陣、線列紅外探測器組件正處于實用化應(yīng)用驗證階段，迫切需要研制與組件相適配的斯特林制冷機。

一般情況下，斯特林制冷機分為線性分置式和旋轉(zhuǎn)集成式兩大類。線性分置式斯特林制冷機具有振動小、噪聲低和可靠性高等特點，但由于其體積、重量較大，會給整機系統(tǒng)設(shè)計帶來一定困難。而旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕和功耗低等特點，并且隨著直流無刷電機和機械技術(shù)的進步，此類斯特林制冷機能夠滿足各種戰(zhàn)術(shù)武器裝備的高可靠性需要，成為640×512元、576×6元等二代高端IDDCA組件的重要選擇之一。根據(jù)此類紅外探測器杜瓦組件的熱負(fù)載情況，需要大冷量(常溫制冷量1.5W以上)旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機，同時要求制冷機小型化。

現(xiàn)有大像元規(guī)格的紅外探測器組件由于杜瓦熱負(fù)載相對較大，組件電功耗較高，主要適配制冷量相對大的線性分置式斯特林制冷機。而線性分置式斯特林制冷機體積大、重量重、功耗高，會給整機系統(tǒng)設(shè)計帶來一定困難，限制了紅外探測器組件的部分應(yīng)用。因此，研制一款小型化大冷量旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機顯得十分必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了滿足現(xiàn)有技術(shù)對大冷量小型化旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機的需求，本發(fā)明提供了一種旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機。

本發(fā)明提供的旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機，包括電機定子部件、及與所述電機定子部件連接的制冷機主體；

所述電機定子部件包括第一外殼、及位于所述第一外殼內(nèi)的電機驅(qū)動控制器和電機定子；

所述制冷機主體包括第二外殼、及位于所述第二外殼內(nèi)的電機轉(zhuǎn)子和制冷部件；

當(dāng)所述電機定子部件與所述制冷機主體連接時，所述制冷機主體內(nèi)的電機轉(zhuǎn)子插入所述電機定子內(nèi)；

其中，所述電機定子和所述電機轉(zhuǎn)子構(gòu)成電機。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明實施例通過將電機驅(qū)動控制器集成在電機外殼內(nèi)，并結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了制冷機的小型化和大冷量，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、功耗低等特點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例中電機定子部件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例中間隙密封結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例中九芯連接器接口定義圖；

其中，1、第一外殼；2、電機驅(qū)動控制器；3、電機定子；4、電機轉(zhuǎn)子；5、電機；6、偏心軸；7、曲軸箱；8、壓縮活塞組件；9、推移活塞組件；10、第二連桿；11、回?zé)崞鳎?2、壓縮氣缸端蓋；13、氣缸套、14、活塞。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本公開的示例性實施例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施例，然而應(yīng)當(dāng)理解，可以以各種形式實現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整的傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

一般情況下，對旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機而言，隨著制冷量的增加，制冷機活塞行程/活塞直徑就會增大，這樣制冷機體積、重量也會增大。一款小型化大冷量旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機設(shè)計技術(shù)主要包括：大冷量制冷機熱力學(xué)設(shè)計技術(shù)和制冷機小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)。

為了滿足現(xiàn)有技術(shù)對大冷量小型化旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機的需求，本發(fā)明提供了一種旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機，以下結(jié)合附圖以及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。

根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機，圖1是本發(fā)明實施例的旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖1a為剖視圖，圖1b為主視圖，圖1c為仰視圖，圖2是本發(fā)明實施例中電機定子部件的結(jié)構(gòu)示意圖；如圖1和圖2所示，根據(jù)本發(fā)明實施例的旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機包括：電機定子部件、及與所述電機定子部件活動連接的制冷機主體，以下對本發(fā)明實施例的各個模塊進行詳細(xì)的說明。

具體地，所述電機定子部件包括第一外殼1、及位于所述第一外殼1內(nèi)的電機驅(qū)動控制器2和電機定子3；

所述制冷機主體包括第二外殼、及位于所述第二外殼內(nèi)的電機轉(zhuǎn)子4和制冷部件；

當(dāng)所述電機定子部件與所述制冷機主體連接時，所述制冷機主體內(nèi)的電機轉(zhuǎn)子4插入所述電機定子3內(nèi)；

其中，所述電機定子3和所述電機轉(zhuǎn)子4構(gòu)成電機5。

具體的，所述制冷機部件包括曲軸箱7、位于所述曲軸箱7內(nèi)垂直的第一連桿和第二連桿、偏心軸6、壓縮活塞組件8、推移活塞組件9及回?zé)崞?1；

所述曲軸箱7設(shè)有三個相互垂直的面，所述偏心軸6、壓縮活塞組件8、推移活塞組件9分別垂直于其中的一個面，一端位于所述曲軸箱7內(nèi)，另一端位于所述曲軸箱7外；

所述偏心軸6位于所述曲軸箱7外的一端與所述電機轉(zhuǎn)子4連接，所述偏心軸6位于所述曲軸箱7內(nèi)的一端與第一連桿和第二連桿10的連接面垂直連接；

所述第一連桿與所述壓縮活塞組件8位于曲軸箱7內(nèi)的一端連接，所述第二連桿10與所述推移活塞組件9位于曲軸箱7內(nèi)的一端連接；所述推移活塞組件9位于所述曲軸箱7外的一端與所述回?zé)崞?1連接，在所述回?zé)崞?1中設(shè)有用于產(chǎn)生和存儲冷量的回?zé)崞鹘z網(wǎng)；

所述電機5在所述電機驅(qū)動控制器2的控制下，帶動偏心軸6、第一連桿和第二連桿10進行往復(fù)運動，所述第一連桿和第二連桿10分別帶動所述壓縮活塞組件8和所述推移活塞組件9進行往復(fù)運動，壓縮所述曲軸箱7內(nèi)的氣體，實現(xiàn)逆向斯特林循環(huán)，獲得冷量，使所述回?zé)崞?1交替換熱和產(chǎn)生冷量。

具體的，所述曲軸箱內(nèi)的氣體為氦氣。

所述偏心軸6位于所述曲軸箱7外的一端還通過軸承與第二外殼連接。

所述偏心軸6位于所述曲軸箱7內(nèi)的一端還并通過軸承與曲軸箱7相連。

旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機是通過直流無刷電機帶動曲軸連桿工作的，通過驅(qū)動控制器實現(xiàn)對直流無刷電機的閉環(huán)控制，并實現(xiàn)對制冷機的精確控溫。驅(qū)動控制器是斯特林制冷機的重要組成部分，在本發(fā)明實施例中，將電機驅(qū)動控制器2設(shè)計固定在第一外殼1內(nèi)，使其和電機定子3結(jié)合在一起。電機驅(qū)動控制器結(jié)構(gòu)2的集成化設(shè)計有效地減少制冷機的體積。在設(shè)計中，第一外殼1采用上下兩體設(shè)計，方便驅(qū)動控制器裝配。電機定子3、電機驅(qū)動控制器2和第一外殼1等零件組成電機定子部件，該部件相對獨立，與制冷機主體通過螺釘連接，方便安裝與維護。電機定子部件設(shè)計5顆螺釘與制冷機主體固定，提高制冷機高力學(xué)條件下的環(huán)境適應(yīng)性。

制冷機制冷量的實現(xiàn)主要通過熱力學(xué)設(shè)計來實現(xiàn)。熱力學(xué)計算以Schmidt等溫模型為基礎(chǔ)，通過熱力學(xué)理論計算，得到斯特林制冷機的一些關(guān)鍵參數(shù)，進而進行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。熱力學(xué)設(shè)計方法的準(zhǔn)確與否，直接影響制冷機性能。在一些關(guān)鍵熱力學(xué)參數(shù)確定的情況下，進行制冷機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，主要通過將電機驅(qū)動控制器集成在電機外殼內(nèi)，提高電機效率，同時通過三維建模、運動仿真和有限元分析等手段進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，最終實現(xiàn)制冷機結(jié)構(gòu)的小型化。

熱力學(xué)總體設(shè)計

熱力學(xué)計算以Schmidt等溫模型為基礎(chǔ)，先做如下假設(shè)：工作腔內(nèi)進行等溫過程，循環(huán)過程均無不可逆損失，工質(zhì)為理想氣體，工作空間容積變化為正弦波。這是理論模型，實際存在各種損失，主要計算公式如下：

理論制冷量

其中P_av為平均壓力，V_e為冷腔最大容積，δ為壓力參數(shù)，θ為壓力相位角。

回?zé)釗p失ΔQ_R＝C(1-η_R)(T_a-T_e)

其中C為工質(zhì)水當(dāng)量，η_R為回?zé)崞餍剩琓_a為室溫腔溫度，T_e制冷腔溫度。

流阻損失

其中ΔP為流阻壓降，V_e為制冷腔容積，T為工作周期。

穿梭損失

其中為氦氣平均導(dǎo)熱系數(shù)，D_e為膨脹汽缸直徑，A_e為壓縮活塞振幅，δ為推移活塞與膨脹汽缸間隙，L_R為回?zé)崞鏖L度。

泵氣損失

其中C_P為比熱，R為氣體常數(shù)，T_av為平均溫度，P_max為最高壓力，P_min為最低壓力。

導(dǎo)熱損失

其中λ為導(dǎo)熱系數(shù)，L為長度。

其他損失ΔQ₀＝Q_th×15％

總損失ΣΔQ_i＝ΔQ_R+ΔQ_f+ΔQ_sh+ΔQ_p+ΔQ_d

凈制冷量Q_e＝Q_th-ΣΔQ_i

其中ΣΔQ_i為各種冷損失之和，包括回?zé)釗p失、流阻損失、穿梭損失、泵氣損失、導(dǎo)熱損失和其他損失。

通過熱力學(xué)計算公式可知，通過提高充氣壓力、工作頻率、活塞行程和活塞直徑等可以提高制冷機理論制冷量。這些熱力學(xué)參數(shù)相互影響，需綜合考慮，尋找最佳平衡點。經(jīng)過反復(fù)計算、試驗和修正。

通過理論計算，可初步計算出小型化大冷量旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機的主要參數(shù)，其中，所述壓縮活塞組件中壓縮活塞的直徑為14～16mm(優(yōu)選為15mm)，所述壓縮活塞組件中壓縮活塞的行程為2.0～2.4mm(優(yōu)選為2.4mm)；所述推移活塞的行程為2.0～2.4mm(優(yōu)選為2.4mm)。更加具體的，其中，表1為一種典型的制冷機熱力學(xué)設(shè)計結(jié)果。

表1

回?zé)崞鲀?yōu)化設(shè)計

回?zé)崞魍ǔＥc推移活塞集成為一體，由回?zé)崞鞴軆?nèi)填充不銹鋼網(wǎng)片構(gòu)成。它的作用是快速交替換熱和存貯冷量，并使回?zé)崞鞯睦?、熱端維持設(shè)定的溫差。合理的回?zé)崞髟O(shè)計參數(shù)，才能保證獲得足夠制冷量的同時消耗較少的功率。回?zé)崞鲀?yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵是保證有足夠的換熱面積和填充率、以獲取高的制冷效率。

在確定回?zé)崞鹘z網(wǎng)的設(shè)計參數(shù)的前提下，回?zé)崞鹘z網(wǎng)的填充就顯得非常重要。如果絲網(wǎng)填充均勻，氣體的流動阻力就小，回?zé)崞鞯牧髯钃p失也就相對小些；如果絲網(wǎng)填充不均勻，氣體的流動阻力就大，回?zé)崞鞯牧髯钃p失也就相對大些，制冷機的制冷能力就會相應(yīng)地下降。另外，回?zé)崞鹘z網(wǎng)若出現(xiàn)部分缺損、重疊或折痕，同樣會影響回?zé)崞鞯男?，降低制冷能力。因此，在回?zé)崞鹘z網(wǎng)填充中應(yīng)將這類絲網(wǎng)剔除。

具體的，在本發(fā)明實施例中所述回?zé)崞鹘z網(wǎng)為不銹鋼網(wǎng)片，所述不銹鋼網(wǎng)片的絲徑為0.020～0.025mm(優(yōu)選為0.025mm)，目數(shù)為400～500目(優(yōu)選為500目)，所述回?zé)崞髦胁讳P鋼網(wǎng)片的填充率為30％～40％。

間隙密封設(shè)計

構(gòu)成間隙密封的三大要素是密封零件之間的徑向微小間隙、間隙在軸向的一定長度以及密封件之間的相對運動，間隙密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，在圖3中，所述活塞包括推移活塞與壓縮活塞。間隙密封設(shè)計，需要從制冷機結(jié)構(gòu)設(shè)計、零部件的加工、處理及裝配工藝等多個環(huán)節(jié)入手。在本發(fā)明實施例中，所述推移活塞組件中推移活塞14與氣缸套13之間的徑向間隙為5～10μm；所述壓縮活塞組件中壓縮活塞14與氣缸套13之間的徑向間隙為5～10μm。

制冷機密封設(shè)計

在小型化大冷量旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機密封設(shè)計時，通過計算，將制冷機充氣壓力控制在4.5Mpa以內(nèi)；同時通過增加各密封面的螺釘數(shù)和螺釘強度進而增加固定力矩；選擇金屬密封形式，同時，工藝上用力矩扳手來固定各密封面螺釘。具體的，在所述曲軸箱與第二外蓋、壓縮氣缸端蓋、及紅外探測器組件的接觸面采用金屬密封絲進行密封，其中，所述紅外探測器組件為與本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機配合使用的設(shè)備。

散熱設(shè)計

一般情況下，斯特林制冷機表面溫度應(yīng)不高于環(huán)境溫度10℃。小型化大冷量旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機由于制冷量增大、輸入功率增加，對散熱的要求就更高。采取以下措施加強散熱：電機外殼優(yōu)化設(shè)計，增大散熱面積；增加驅(qū)動控制電路與外殼間的散熱面積；所述電機外殼和制冷機外殼的材質(zhì)均為鋁合金，制冷機安裝平面盡可能大。

電機設(shè)計

制冷機采用直流無刷電機驅(qū)動，需提高有效輸出功率，同時保證合適的額定轉(zhuǎn)矩，同時兼顧結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸，設(shè)計時要考慮電機工作溫度，選用合適的永磁材料。

接口設(shè)計

機械接口

制冷機回?zé)崞髟O(shè)計尺寸為φ9mm，適配內(nèi)徑φ9mm的紅外探測器杜瓦組件。曲軸箱包含斯特林制冷機的機械接口，設(shè)計時要考慮與紅外探測器杜瓦組件的匹配關(guān)系。制冷機整體通過4個通孔用M4螺釘與整機固定。

電學(xué)接口

小型化大冷量旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機采用九芯電連接器作為電學(xué)連接所述電學(xué)連接為外部電源輸入與制冷機電機驅(qū)動的連接，具體定義見圖4。

通過上述熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，研制出如圖1所示的小型化大冷量旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機，主要性能如表1所示，實現(xiàn)了斯特林制冷機的小型化大冷量設(shè)計。

本發(fā)明實施例提供的旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機的主要性能指標(biāo)如下：

制冷量：≥1.5W@23℃@77K；

降溫時間：≤7min@500J23℃@77K(典型值5min)；

輸入功率：≤60W@23℃@77K(典型值40W)；

穩(wěn)態(tài)功率：≤20W@23℃@77K(典型值15W)；

體積：≤114mm×58mm×77.5mm；

重量：≤600g(典型值570g)。

表2列出了小型化大冷量旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機與現(xiàn)通用旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機主要性能對比。

表2

通過上表對比數(shù)據(jù)可以看出，小型化大冷量旋轉(zhuǎn)集成式斯特林制冷機具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、功耗低等特點。該制冷機可以適配中、長波640×512(25μm)、中波1280×1024(15μm)組件，能夠滿足對紅外探測器組件有嚴(yán)格空間、重量限制的某些應(yīng)用，為紅外探測器組件用戶提供了另一種有效選擇，必將進一步推動我國紅外探測器組件的工程化應(yīng)用水平。

以上所述僅為本發(fā)明的實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。