HOT器件用自由活塞斯特林制冷机研究进展

习中立，陈 军，陈晓屏，杨 晔，姚菡婷，江重桦，聂喜亮，毕 翔，夏 明

（昆明物理研究所，昆明 650223）

0 引言

高性能制冷型红外系统能够探测目标与背景的微小温差，不仅适合对空间、远程、暗小目标探测，特别是对超高速、高雷达隐身目标实时高分辩率识别方面具有优势，而且适合全天时和复杂电磁环境下独立使用，成为全球多维信息获取及战场态势感知的主要支撑技术。制冷型红外探测器组件已广泛应用于新一代红外侦察系统、精确制导武器、防空反导预警等装备，应用领域迅速扩展。制冷型红外探测器在工作范围、目标探测追踪，特别是快速移动目标的动态成像方面具有不可替代的优势，但制冷型探测器的成本较高，尺寸较大，限制了其战场应用。

近几年，高工作温度（High Operation Tempera⁃ture）红外探测器件（HOT器件）的技术研究取得了巨大突破，探测器的工作温度得到大幅度提升。国外中波红外探测器的工作温度提高到130～150 K温区，并有进一步提高到150～200 K的趋势。HOT器件的研制成功，使得更小、更轻、效率更高的超小型斯特林制冷机研制成为可能，也成为国内外制冷机研制热点，具体优势为：

（1）随着红外探测器芯片工作温度的提高，斯特林型制冷机的热力学循环效率将得到显著改善，为制冷机降低功耗、体积和质量带来可能；

（2）随芯片工作温度的提升，沿杜瓦轴向温度梯度减小，杜瓦热负载也将大幅降低，冷却探测器芯片所需的制冷量也大幅减小；

（3）随着制冷量需求的降低，制冷机工作压力，负载等均可大幅降低，为大幅度提高制冷机可靠性，进而提升探测器组件可靠性带来可能。

斯特林制冷机的两种主要形式为集成旋转式和自由活塞分置式，其中自由活塞分置式斯特林制冷机振动输出小、活塞气缸磨损低、MTTF高、随器件工作温度提高进一步优化的潜能更大，能够更好的满足HOT器件的需求，因此国外主要的制冷机生产研发单位在近10年都陆续推出了自己的HOT器件用超小型自由活塞分置式斯特林制冷机，文章将对这些典型产品进行汇总介绍。

1 国外超小型自由活塞斯特林制冷机

21世纪以来，随着红外探测器工作温度的提高，斯特林制冷机进入更小尺寸、更低质量、更高性能、更低功耗和更低成本的发展方向。国外从事军用斯特林制冷机研制的公司从2007年开始，陆续推出研制的HOT器件用超小型自由活塞斯特林制冷机，这些自由活塞斯特林制冷机通常质量小于400 g，典型制冷工作温度在110～200 K区间，制冷机最大功耗小于20 WDC，制冷机MTTF通常大于20 000 h。

1.1 德国AIM

德国AIM公司主要产品为自由活塞分置式斯特林制冷机和斯特林型脉管制冷机。AIM发展了SF、SL、SX三类直线压缩机，SX系列是AIM为HOT器件而开发的新一代动磁式直线压缩机，有SX020、SX030、SX040和SX095四款产品，压缩机动子采用柱弹簧单边支撑。

针对130～150 K温区，AIM在2012年SPIE报道了其研发的SX030型自由活塞分置式斯特林制冷机，优化工作温度140 K[1]。SX030采用单活塞动磁式直线压缩机，并外置一款被动减振装置用来减小单活塞压缩机的轴向振动输出。压缩机直径33 mm，长度61 mm，压缩机含减振器质量280 g，制冷机整机总质量380 g，匹配冷指尺寸6.6 mm，也可以匹配直径8 mm的冷指。SX030制冷机制冷量大于0.6 W@140 K@23℃，应用于HOT器件的典型控温功耗小于3 W@140 K，MTTF大于30 000 h。随着红外探测器技术的进一步发展，未来HOT器件的工作温度将提高到150～200 K，AIM在2014年国际低温制冷机会议（ICC）上报到了最新研发的SX020单活塞动磁式自由活塞制冷机[2]，被动减振器内置在压缩机腔体里，优化工作温区160 K。SX020制冷机的压缩机直径26.5 mm，长度58 mm，压缩机含减振器质量158 g，制冷机整机总质量240 g，优化冷指尺寸6 mm，可以匹配5 mm超小冷指，制冷机制冷量大于0.5 W@160 K@23℃，应用于HOT器件的典型控温功耗小于2 W@180 K，MTTF大于30 000 h。图1和图2分别是AIM公司SX030和SX020制冷机的外形图。

图1AIM公司SX030制冷机外形图Fig.1 External layout of AIM SX030 cryocooler

图2AIM公司SX020制冷机外形图Fig.2 External layout of AIM SX020 cryocooler

AIM公司在针对HOT器件应用时，对SX系列制冷机关键部件膨胀机的结构进行了优化设计，主要在提高膨胀机的结构紧凑性、降低制造成本，同时提高膨胀机的MTTF。图3为新膨胀机与探测器杜瓦组件集成结构剖面图。原膨胀机蓄冷器筒体采用玻璃钢基体表面喷涂聚四氟乙烯耐磨衬套工艺，新膨胀机采用新型耐磨热塑材料整体式加工工艺，新耐磨材料具有更高的耐磨性能，同时轴向导热更小，加工制造工艺大幅降低。新膨胀机采用IDCA独立冷指结构与探测器杜瓦组件集成，膨胀机结构更加紧凑。

图3 AIM新膨胀机与探测器杜瓦组件集成剖面图Fig.3 Cross-section ofAIM new expander with IR dewar

1.2 以色列Ricor

Ricor公司成立于1967年，是全球最主要的低温制冷机产品供应商之一，该公司开发各类低温制冷机产品，应用领域包括红外探测器、真空低温泵和HOT超导设备。针对红外探测器应用的不同需求，Ricor公司开发了集成旋转式、集成分置式和自由活塞分置式等多种斯特林型制冷机。

Ricor公司早在2007年就推出一款针对100 K HOT器件用的自由活塞斯特林制冷机K527[3-4]，该制冷机采用单活塞动磁式压缩机，外置一款被动减振装置用来减小单活塞压缩机的轴向振动输出。K527主要应用于手持式热像系统、小型无人机平台，年产量数百台。图4为Ricor K527制冷机的外形，图5为制冷机关键部件膨胀机的各部件实物图。K527制冷机的制冷量≥0.5 W@95 K@71℃，质量≤345 g，功耗＜20 WDC，MTTF＞30 000 h，冷指尺寸为8 mm，压缩机直径33.5 mm，长度61.5 mm，全温区压缩机电机效率在84%～88%区间，制冷机常温环境降温时间＜4 min@110 K@280 J。

图4 Ricor公司K527制冷机外形图Fig.4 External layout of Ricor K527 cryocooler

图5 Ricor公司K527膨胀机各部件实物图Fig.5 Physical map of K527 expander’units

近两年，Ricor针对150～200 K温区HOT器件研发了自由活塞分置式制冷机K588[5-6]，K588压缩机采用与K527类似的动磁式电机结构，双活塞对置式布局，并针对快速降温性能进行优化。K588制冷机的主要性能指标为：制冷量≥0.5 W@150 K@71℃，质量≤235 g，功耗＜12 WDC，MTTF＞20 000 h，冷指尺寸为6 mm，压缩机直径31 mm，长度58 mm，制冷机常温环境降温时间＜3.5 min@150 K@210 J。图6和图7分别是Ricor公司K588制冷机及驱动控制器的外形图和尺寸图。K588制冷机驱动控制电路结构非常紧凑，同时具有效率高、质量轻等特点。该控制器采用与集成旋转式制冷机相同的机械和电路接口，能够同时兼容自由活塞式制冷机和集成旋转式制冷机的控制需求，方便与红外探测器组件的集成和互换，其控制方式为电压控制模式，通过改变控制器的输出电压大小来改变线性压缩机活塞位移幅值，或者改变集成旋转式电机的转速，从而起到控制制冷机功耗的目的。为了进一步减小控制器的外形尺寸和质量，新控制器采用双PCB板结构，数字化电路，控制器效率超过90%。

图6 Ricor公司K588制冷机外形图Fig.6 External layout of Ricor K588 cryocooler

图7 Ricor公司K588制冷机及控制器尺寸图Fig.7 K588 cryocooler with controller dimensions

1.3 美国DRS

DRS技术公司是美国国防综合承包商，旗下有多个系统事业部，生产制冷型和非制冷型红外探测器组件。2009年DRS推出了一系列工作在160 K HOT的MWIR MCT探测器，并研发了一款针对HOT640×480 MWIR FPA组件的超小型自由活塞斯特林制冷机[7]，优化工作温度160 K，压缩机采用双活塞对置式布局，压缩机直径30 mm，长度53 mm，制冷机质量237 g，控温功耗小于2 WAC@160 K@23℃，降温时间小于2.5 min@160 K@23℃。图8和图9分别是DRS超小型制冷机的外形图和红外探测器组件图。

图8 DRS公司超小型制冷机外形图Fig.8 External layout of DRS Mirco cryocooler

图9DRS公司MWIR组件与制冷机集成图Fig.9 Image of DRS Micro cryocooler with MWIR

1.4 美国Cobham

Cobham公司的制冷机产品前身是Carleton Life Support Systems公司的产品。该公司目前是美军的高性能长寿命自由活塞斯特林制冷机的供货商。2013年之前，Cobham公司推出了微型线性斯特林制冷机LC1070，该制冷机采用动圈式线性电机技术，双活塞对置式布局，膨胀机采用纯气动式布局，工作温度80 K，典型制冷量0.5 W，制冷机质量600 g。为了研制HOT器件用超小型制冷机，Cobham公司将LC1070制冷机压缩机减半，即只采用单边压缩活塞驱动，样机如图10所示，压缩机减半后的制冷机在120 K制冷温度下得到610 mW的制冷量，该性能给了Cobham公司足够的信心来研发超小型斯特林制冷机。在LC1070基础上，2013年该公司针对HOT红外焦平面探测器成功开发了LC1076自由活塞斯特林制冷机[8-9]，该制冷机优化工作温度120 K，压缩机采用双活塞对置式布局，压缩机直径28.2 mm，长度53.6 mm，匹配5 mm直径冷指，该制冷机主要性能指标为制冷量≥0.4 W@120 K@23℃，质量＜260 g，MTTF目标值20 000 h，制冷机最大功耗15 WAC，常温环境降温时间＜5 min@120 K@175 J。图11是Cobham公司LC1076制冷机的外形图。

图10 压缩机减半的LC1070制冷机样机图Fig.10 Protype of the cut in half LC1070 cooler

图11 Cobham LC1076超小型制冷机外形图Fig.11 External layout of LC1076 Mirco-cooler

1.5 法国Thales Cryogenics

法国Thales Cryogenics公司有着超过30年和65 000台的小型低温制冷机生产经验，是目前世界上较著名的低温制冷机生产厂家，也是美国新一代战斗机F35的合格供货商。在HOT器件用超小型制冷机方面，Thales公司推出了UP8197自由活塞分置式斯特林制冷机[10-11]。UP8197制冷机的压缩机采用双活塞对置式布局，压缩机直径30 mm，长度62 mm，制冷机质量250 g，冷指尺寸6 mm，制冷性能1.5 W@150 K@23℃，最大功耗20 WDC，MTTF大于25 000 h[12]。图12是Thales公司UP8197制冷机产品外形图和尺寸图。

图12 Thales cryogenics UP8197制冷机外形尺寸图Fig.12 External dimensions of UP8197 cryocooler

2 昆明物理研究所超小型自由活塞斯特林制冷机

昆明物理研究所很早便开展HOT器件用超小型斯特林制冷机的调研和技术储备工作，在高效直线压缩机、高性能气动式膨胀机和数字化微型控制器设计与工艺实现等方面进行了技术攻关，并已取得大量研制成果。基于研制积累的设计仿真成果和工艺技术，研发了一款HOT器件用超小型自由活塞斯特林制冷机C312，该制冷机的结构参数和已达到的主要技术指标为：（1）压缩机采用动磁式直线电机驱动，双活塞对置式布局，压缩机外径33.5 mm，长75 mm；（2）冷指外径尺寸≤6.6 mm；（3）工作温度：110～180 K；（4）制冷机总质量≤400 g（不含驱动控制电路）；（5）净制冷量：0.4 W@110 K@23℃@8 WAC（220 mW杜瓦漏热@77 K@23℃）；（6）降温时间：≤4.5 min@110 K（250 J热质量@23℃室温下）；（7）最大功耗：≤15 WAC。图13和图14分别是C312制冷机产品外形图和常温环境性能图。

图13 C312制冷机产品图Fig.13 External layout of KIP C312 cryocooler

图14 C312制冷机常温性能图Fig.14 C312 performances room temperature ambient

3 超小型自由活塞斯特林制冷机的设计理念

超小型自由活塞斯特林制冷机与HOT红外器件集成互联，具有体积小、质量轻、低功耗、低成本和高性能等优点，将应用于无人机、新一代空空导弹等轻载荷平台，同时也可应用于新一代长视距手持式热像仪、狙击步枪红外瞄准视镜等单兵作战系统以及低成本微纳红外卫星平台。为满足多平台红外系统应用的需求，超小型自由活塞斯特林制冷机将向以下几个方面发展：

（1）满足SWaP3的设计需求。随着HOT红外探测器器件技术的发展，对斯特林制冷机提出SWaP3的需求，即更小的尺寸（S-Small Size），更轻的质量（W-weight）和更低的功耗（P-power），更高的性能（P-performance）以及更低的价格（P-Price）。因此，制冷机设计人员在初始研发阶段需要综合考虑制冷机预期达到的性能与材料、工艺等成本之间的平衡；

（2）超小型自由活塞斯特林制冷机质量通常小于400 g，最大功耗不超过20 WDC，常温环境下的控温功耗要≤2 W@150 K，制冷机MTTF通常＞20 000 h；

（3）制冷机膨胀机多采用IDCA标准冷指结构，便于与探测器组件的集成。冷指尺寸通常为6 mm左右，对于160～200 K温区的HOT器件，冷指尺寸可进一步减小到5 mm。针对部分HOT器件对更小尺寸的需求，制冷机可匹配Small IDCA冷指结构，即短冷指结构。Small IDCA冷指由于其长度比标准IDCA冷指短，蓄冷器冷热端的压降减小，但轴向导热损失增加，制冷机的整体性能将有所衰减。

（4）制冷机需具有快速降温能力。制冷机的快速降温性能决定了红外探测器组件能否快速介入战场环境，取得战斗主动权，特别是在手持式热像仪、狙击步枪、无人机、空空导弹等平台上的应用。国外150 K温区，15μm像元间距，中波640×512探测器组件的热沉一般小于220 J，制冷机在常温环境下的降温时间通常要小于4 min；

（5）制冷机驱动控制电路能够适应宽范围的输入电压，在工作温度点的效率要大于90%，且交流输出频率稳定性全温区应不大于50 mHz，控制器温度稳定性要≤±25 mK。

4 结论

目前，国外中波红外探测器组件的工作温度已经提高到110～150 K，将进一步提高到150～200 K。随着红外器件工作温度的提高以及像元间距的进一步减小，为其提供低温环境的斯特林制冷机需要具备更小尺寸、更低质量、更低功耗、更高性能和更低成本等特性，同时需要制冷机能够快速降温，可靠性高，使用寿命长。国外针对HOT红外器件的应用需求，推出了多款超小型自由活塞分置式斯特林制冷机，昆明物理研究所紧跟国外技术，研发了超小型自由活塞分置式斯特林制冷机C312，其性能指标与国外产品接近，能够满足我国HOT红外器件的应用需求。

[1]Rühlich I，Mai M，Rosenhagen C.Compact high efficiency lin⁃ear cryocooler in single piston Moving Magnet design for HOT detectors[J].ProcSPIE，2012，8353：1-9.

[2]Mai M，Rosenhagen C，Ruehlich I.Development of Single Pis⁃ton Moving Magnet Cryocooler SX020[C]//Cryocoolers 18，ICCPress，Boulder，2014：65-71.

[3]Veprik A，Vilenchik H，Riabzev S，et al.Microminiature linear split Stirling cryogenic cooler for portable infrared imagers[J].International Society for Optics and Photonics，2007，6542：1-12.

[4]Veprik A，Zechtzer S，Pundak N.Split Stirling linear cryogenic cooler for a new generation of high temperature infrared imag⁃ers[J].International Society for Optics and Photonics，2010，7660：1-13.

[5]Katz A，Haim Z B，Nachman I，et al.Development and optimi⁃zation progress with RICOR cryocoolers for HOT IR detectors[J].International Society for Optics and Photonics，2015，9451：1-15.

[6]Katz A，Haim Z B，Riabzev S，et al.Development and optimiza⁃tion progress with RICOR cryocoolers for HOT IR detectors[C]//Tri-Technology Device Refrigeration（TTDR）.Interna⁃tional Society for Optics and Photonics，2016，9821：1-13.

[7]Rawlings D，Averitt G.A linear drive cryocooler for ultrasmall infrared sensor systems[J].Infrared Technology and Ap⁃plications XL International Society for Optics and Photonics，2014，9070：1-10.

[8]Squires M.Cobham Microcooler for High Temperature Appli⁃cations[J].Power（W），2014，18（20）：25.

[9]Cobham Life Support.www.cobham.com/mission-systems/tac⁃tical-control-systems/cryogenic-cooling-systems/cryogen⁃ic-coolers-and-controllers/lc1076-microcooler/docview/in⁃dex.htm.pdf.

[10]Arts R，Martin JY，Willems D，et al.Miniature cryocooler de⁃velopments for high operating temperatures at Thales Cryo⁃genics[C]//SPIE Defense+Security，2015：94511.

[11]Arts R，Martin J，Willems D，et al.Miniature stirling cryocool⁃ers at Thales Cryogenics：qualification results and integra⁃tion solutions[C]//SPIE Defense+Security.International So⁃ciety for Optics and Photonics，2016：98210.

[12]www.thales-cryogenics.com/products/coolers/up-ls/up8197/index.htm.