HOT 器件用旋转式斯特林制冷机研究进展

赵文丽，李昊岚，孙皓，黄伟，李仁智，环健，陈军，张应旭，徐睿驹

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

0 引言

高性能制冷型红外探测器的工作温度在77 K 附近，配置旋转式、直线型小型低温斯特林制冷机以提供低温工作环境，已广泛用于军事的多维信息获取及战场态势感知技术，如反装甲（坦克）武器制导、防空武器制导、舰载火控、前视红外成像系统、红外搜索与跟踪系统、红外对抗系统、红外制导导弹等[1-3]。对红外探测器组件而言，工作温度不影响接收信号的截止波长、量子效率等，但会对热生载流子浓度造成影响，通过新工艺或新结构控制热生载流子的流动可以实现探测器工作温度的提高。随着碲镉汞（mercury cadmium telluride,MCT）材料制备工艺的改进和提升，红外探测器芯片组的暗电流得到一定程度的抑制，工作温度有上升的趋势[4-5]，文献中有95 K、120 K、140 K、150 K、175 K、200 K、210 K、250 K 等报道[1]，统称为HOT（high operation temperature）红外探测器。HOT 红外探测器配置的低温制冷机尺寸、体积、重量都明显减小，显著提高了制冷机的热力学效率，可使用带可调增压器的数字控制器实现低于2 W DC 的低输入功率，实现快速冷却，适用于微型无人机、手持热像仪、手持夜视镜的陀螺稳定有效载荷等设备。第三代MCT 焦平面阵列要求的目标工作温度是190～300 K，且性能达到77 K 时的指标。探测器芯片对制冷需求降低的趋势，推动了尺寸更小、重量更轻、效率更高、成本更低的微型斯特林制冷机的研制与发展[6-8]。本文阐述了HOT 器件用的微型斯特林制冷机的设计技术，综述了目前国内外针对HOT 红外探测器研制的微型旋转式斯特林制冷机的发展，涵盖以色列RICOR、法国Thales Cryogenics、高德红外等研制单位的产品。

1 HOT 器件用制冷机的设计理念

HOT 器件用小型低温斯特林制冷机的设计遵循SWaP3 准则，SWaP3 是1999 年由唐纳德·里高等人提出的高性能、低成本的思想基础上发展而来，即更小的尺寸（Size）、更小的重量（Weight）、更低的功耗（Power）、更低的成本（Price）、更好的性能（Performance）[8]，主要的性能指标包括制冷量、功耗和降温时间。

用于HOT 器件的微型旋转式斯特林制冷机由于工作温度升高，制冷机热力学效率提升，对制冷量的需求相对降低。制冷机的制冷系数COP（coefficient of performance）定义为制冷量Qc与净输入功Qe之比，如下式(1)：

式中：Tc为器件工作温度；Ta为循环最高温度，通常为环境温度。可见，同等条件下，器件工作温度Tc从77 K 提高到150 K，制冷机效率会提高接近3 倍。

制冷机的整体效率不仅取决于斯特林循环的效率，还取决于其他子系统，其效率由热循环效率、机械效率、电机效率、控制器效率组成，如下式(2)：

器件的工作温度升高以后，斯特林循环的制冷系数和蓄冷器填料的比热容会有所提升，故热力学循环的效率ηcycle会随之提升；冷头温度升高，其漏热损失会降低，沿杜瓦轴向的温度梯度减小，轴向导热损失、穿梭损失等热损失都会降低，制冷机的效率ηcooler会整体提升。

2 HOT 器件用制冷机设计技术

在上述设计理念指导下，相比于常规液氮温区制冷机，除了制冷量需求降低引起的压缩副尺寸减小等变化以外，当前HOT 器件用斯特林制冷机技术的发展有以下几个重要的方面。

2.1 薄壁管短冷指设计技术

HOT 器件用制冷机通常匹配专门的冷指，通过对冷指材料、几何形状和制造工艺进行优化，以减小冷指的尺寸、壁厚及冷端厚度，在保证冷指刚度的同时减少其漏热。常规冷指与短冷指的主要差异包括：①冷指长度不同，HOT 器件用制冷机通常匹配短冷指；②冷指壁厚不同，冷指漏热主要来源是杜瓦瓶与外界环境的热传导、热对流和热辐射。与冷指进行匹配的杜瓦瓶内部抽真空，对流换热导致的热损失忽略不计，抛光冷指外表面可大量减少热辐射，因此主要漏热来源于热传导。传导漏热与杜瓦材料导热系数和材料厚度有关。薄壁管中的导热传热率为式(3)：

式中：K为传热系数，W/(m·K)；A为横截面积，m2；THot为制冷机热端温度，K；TCold为制冷机冷端温度，K；L为长度，m。冷指管的传热方程为式(4)：

式中：R是管的外径；r是管的内径；t是管的厚度，由于厚度远小于半径，可以简写为式(5)：

从式(7)中我们可以看到传热速率Q是厚度t的线性函数，因此减小厚度会降低整个冷指管的传导散热。如图1 所示为RICOR 公司不同材料及壁厚的冷指在95 K 工作温度时的漏热大小[9]，可见管壁厚度增加会导致漏热增加。图2 为RICOR 公司HOT器件用冷指漏热随壁厚变化及RICOR 公司冷指壁厚的设计范围[10]。对于冷指的设计，在尺寸要求占主导地位的应用中，可缩短冷指及对蓄冷器进行优化，在功耗要求占主导地位的应用中，冷指壁厚可从80～100 μm 的范围减小到50～60 μm。

图1 不同材料的冷指管从300 K 到95 K 的热负载大小Fig.1 Cold finger heat load from 300 K to 95 K derived from different tube materials

图2 不同材料的冷指管从300 K 到150 K 的热负载大小Fig.2 Cold finger heat load from 300 K to 150 K derived from different tube materials

2.2 高效小尺寸控制器技术

与常规控制器相比，HOT 器件用小型紧凑制冷机匹配的高效轻质控制器，应具有更小的尺寸重量，更高的控温精度以及更高的效率。HOT 器件制冷机配置的控制器，在以下几个方面取得了一定进展：①控制器采用双PCB（printed circuit board）)构，以减小外部尺寸；②采用数字化控制器，控制精度和效率都有所提升，同时减小了驱动控制电路的尺寸与重量。③以“电压控制电路”原理控制电机，从而实现转速的电机调控，能一定程度上改善PWM（pulse width modulation）波调制对控制器效率的影响，提高控制器的效率。④比起常规制冷机控制器，驱动电压范围更宽泛。同时，用于HOT 器件的制冷机配置的控制器还有以下提升方向：无传感器调控方案或ADUC 处理器控制无刷直流电机的有传感器调控方案；用户自主可调控温点等[11]。常规液氮温区制冷机配置的控制器、RICOR 在2019 年报道的用于HOT 器件的K580制冷机[11]所用控制器及HOT 器件用制冷机控制器设计指标如表1 所示，可以看到RICOR 控制器效率的提升和尺寸重量的减小。

表1 HOT 器件用制冷机控制器主要特性Table 1 Main characteristics of the cryocooler controller of HOT detector

2.3 制冷机综合热管理技术

制冷机是集成度较高的机电产品，同时内部含有压缩机进行热力学循环，导致机体发热较明显。制冷机的表面温度会直接影响其性能，系统的热管理对于低温制冷机的功耗和冷却能力至关重要。优化热力学过程、改进热管理，是提高温度环境适应性的重要措施[2]。制冷机的主要发热源为压缩机部件、电机部件、控制器部件。压缩机部件发热源于热力学循环中压缩过程产热及冷指端换热，电机部件发热来源于绕阻焦耳热，控制器部件发热源于电子元器件发热。不加散热夹具时，散热面主要集中在制冷机安装基准面（约占40%）、压缩机缸盖（约占30%）、电机表面（约占30%），一般要求机体表面温度不高于环境温度10℃。HOT 器件用制冷机由于功耗更低，散热要求更低一些，设计应充分考虑散热条件，全温区内机体表面温度与环境温度的温差越小越有利于制冷机性能的释放。考虑到制冷机散热设计中由于机体与环境温差较小，同时整体内部空间相对密闭，辐射散热与对流散热作用都较弱，设计过程应充分强化制冷机几个主要散热面与光学平台之间的热传导进行散热，条件允许时增加热沉强化散热。RICOR 为满足高环境温度及机载战斗机的严酷振动水平开发了K544 旋转集成式斯特林制冷机，并在制冷机层面强化了散热设计，主要包含3 个方面：①电机和压缩机外壳之间要有足够的热耦合；②PCB 内部设计专门散热路径；③冷指法兰和低温制冷机安装表面之间有足够的热耦合。该机型可在102℃环境温度、95 K 工作温度下输出1.3 W 的制冷量，温度环境适应性提升显著[12]。

2.4 可靠性预测

旋转式低温制冷机主要故障机制是运动部件的机械磨损，影响制冷机内部机械部件磨损的一个重要因素制冷机的转速，转速直接影响活塞/气缸部件的线速度和制冷机中不同轴承的转速，从而直接影响这些部件的磨损[13]。旋转制冷机常规的寿命终止模式是磨损导致的轴承故障[14]，消除或减缓磨损可以提高制冷机可靠性。常规旋转制冷机活塞耐磨技术是依靠镀层对活塞实施保护。DLC 和TiN 硬质镀层微观结构致密，硬度高、摩擦系数低，可以较好地保护活塞，提高耐磨寿命[2]。

关于制冷机可靠性的预测，RICOR 报道过他们的一般预测方法[15]，此后没有太大变化。预测模型是一个乘法模型，在规定工作条件下给定制冷机的实际MTTF（mean time to failure）)（θPR）是通过将来自寿命测试或现场数据的基线MTTF 值（θb）乘以一系列转换因子（π）得到的。这些因素量化了基线MTTF 从参考条件到实际运行条件对环境变换的修正[9]。预测模型为式(6)：

式中：θPR为预测MTTF；θb为基线MTTF；πE为环境因子；πT为环境温度因子；πSi为应力i转换因子，工作应力转换因子包括制冷机工质压力P和工作频率H，它由热负载和FPA 温度等参数得出，故：

因子πP、πH根据逆幂律计算如式(8)：

式中：b 和PR 分别代表参考点和实际工作点的工作条件。RICOR 通过加速寿命实验的测试结果，对K580的基线寿命进行了预测[11]。

Thales 也做了大量寿命测试、可靠性分析来提高制冷机的可靠性，Thales 的可靠性研究建立了能够计算制冷机MTTF 的表达式如式(9)[16]：

MTTFbase_RM为制冷机在典型条件（标准工作温度为77 K，环境温度为20℃）下的基线MTTF，MTTFA20test Weibull 是Thales 在A20 剖面测得的加速寿命试验的结果，RPMA20是Thales 的制冷机在A20 加速寿命测试中制冷机的转速，RPM20℃是典型条件下制冷机的转速。Thales 的研究表明[13]，HOT 器件用制冷机工作温度从110 K 到150 K时，制冷机的负载整 体降低，转速会降低约30%。在110 K 制冷温度和＋20℃环境温度下，若制冷温度升高导致转速降低30%，则对制冷机可靠性的影响可由式(10)计算：

可见，制冷温度的升高对制冷机的可靠性有重要影响。制冷机转速降低30%时（相当于制冷温度从110 K 到150 K），预计制冷机的MTTF 可增加70%。

3 国内外HOT 器件用旋转式斯特林制冷机

旋转式斯特林制冷机由旋转电机驱动，具有结构紧凑、效率高、启动快等特点，但是整机结构较复杂、振动噪音较大，尤其是运动部件的相互磨损、制冷工质的污染和泄漏使得制冷机的工作寿命受到一定的限制。传统用于红外探测器的旋转式斯特林制冷机工作温度在70～80 K，重量多在250～1000 g 范围。用于HOT 器件的微型旋转式斯特林制冷机主要设计改进为：①使用更高效率和性能的控制器电机；②冷指材料、结构改进以减小冷指尺寸和热损失；③降低充气压力。典型结构与性能参数为：①重量在200 g 以下；②室温下稳态功耗低于2 W；③降温时间在3 min以内；④工作电压在6～7 V；⑤控制器效率提高到90%以上；⑥MTTF＞15000 h。以色列RICOR、法国Thales 等公司都在持续不断地做微型旋转式斯特林制冷机的研制。

以色列RICOR 公司2012 年在SPIE 报道的K562S 型旋转式斯特林制冷机的改型，将冷指长度由原来的45 mm 降低到22.5 mm，工作温度在130～150 K，充气压力从20 Bar 降至16 Bar，该制冷机在23℃环境温度150 K 工作温度，热负载为160 mW 时稳态功耗为1.9 W。如图3、图4 为RICOR 公司K562S short &K562S 斯特林制冷机及其外型尺寸图。K562S short 制冷机的质量能做到135 g。若对功耗要求较高，冷指壁厚还可从80～100 μm 降到50～60 μm[9-10]。RICOR 另外的产品K563 型旋转式斯特林制冷机工作温度从77 K 升至130～150 K 之后，充气压力从18 Bar降低至6～8 Bar，室温下稳态功耗在1.55～1.64 W[9]。RICOR 将常规77 K 工作的常规旋转式斯特林制冷机K561 工作温度从77 K 升至150～200 K，充气压力从20 Bar 降低至10 Bar，在23℃环境温度@200 K 控温点，测得稳态功耗低于1.2 W[9]。在功耗、质量等方面均有了较大的提升。RICOR 公司2015 年报道的K562SI 是为HOT 探测器设计的旋转整体式低温制冷机，它基于K562 作了如下改进：①更高效率和性能的新型电机；②冷指更薄更短，以减小漏热。改进之后，热负载为190 mW时，在140 K 时的功耗低于2.5 W；降温时间少于3 min 30 s；71℃环境温度@150 K 控温点时的总制冷量为500 mW，重量低于185 g，如图5、图6 所示[17]。RICOR 公司开发的K580 型旋转集成式制冷机[11,18]，如图7 所示。RICOR 对其进行了较多性能测试及寿命测试，在150 K 控温点、150 mW 热负载、23℃环境温度下控温功耗约1.5 W，150 J 热负载下降温时间约3 min，在71℃环境温度、150 K 控温点下的最大制冷量为600 mW[11]。Thales 公司针对HOT 器件开发了RM1制冷机，如图8 所示，其性能测试结果显示，在常温下，工作温度每上升20 K，制冷机的降温时间加快约15%，稳态输入功耗约降低15%[13]。武汉高德红外公司基于RS046 旋转集成式斯特林制冷机开发的RS046H 旋转分置式斯特林制冷机，适配ϕ6.4 mm 的冷指，可在－45℃～＋85℃的环境温度范围下工作，比起其他公司的HOT 器件用制冷机，环境适应性有所提升，能在100 K 控温点@20℃环境温度下输出400 mW 冷量。表2 对比了几种用于HOT 器件的旋转式斯特林制冷机的主要参数。

表2 HOT 器件用旋转式斯特林制冷机Table 2 Micro-rotary Stirling cryocoolers for high operating temperature applications

图3 K562S short &K562S 制冷机Fig.3 K562S short &K562S cryocooler and controller image

图4 K562S short &K562S 制冷机外形图Fig.4 K562S short and K562S cryocooler profile

图5 K562SI 制冷机外形图Fig.5 K562SI cryocooler profile

图6 K562SI 制冷机实物Fig.6 K562SI cryocooler and controller image

图7 K580 制冷机外形图Fig.7 K580 cryocooler profile

图8 RM1 制冷机外形图Fig.8 RM1 cryocooler profile

4 结论

本文主要阐述了HOT 器件用旋转斯特林制冷机的SWaP3 设计理念、设计技术，总结了近年国内外HOT 器件用斯特林制冷机开发的进展。HOT 器件用小型低温斯特林制冷机的设计应遵循SWaP3 准则，以SWaP3 准则为指导发展薄壁管短冷指、高效小尺寸控制器、制冷机综合热管理、可靠性预测等设计技术。目前半导体理论体系基本上没有太多的变化，其工作温度需求的提升得益于材料器件制造工艺的提升。随着器件制造工艺的不断提升，在现有基础理论下探测器工作温度不断提高已经成为明确的发展方向，未来的制冷机市场也必将是HOT 制冷机的市场。