張 巍,耿利紅,饒啟超,溫建國,張永壯,盧旭辰

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

斯特林制冷機作為紅外探測器組件的重要組成部分,可為紅外探測器提供必需的低溫工作環(huán)境,確保紅外探測器正常工作[1]。理想的斯特林制冷循環(huán)是由兩個等溫過程和兩個等容過程組成的閉式熱力學(xué)循環(huán)[2-3]。工質(zhì)在斯特林制冷機的壓縮腔內(nèi)被等溫壓縮,產(chǎn)生的壓縮熱通過壓縮端蓋、曲軸箱等傳遞到周圍環(huán)境,斯特林制冷機的驅(qū)動元器件和電機定子,也會因自身電阻產(chǎn)生熱量,受制冷機結(jié)構(gòu)的限制,產(chǎn)生的熱量不能及時散出會引發(fā)熱量聚集,引起的溫升對驅(qū)動元器件的可靠性、控溫穩(wěn)定性、機械零部件的可靠性等都有很大影響[4-5],因此,有效的斯特林制冷機散熱設(shè)計,可提高斯特林制冷機和紅外探測器的工作性能。

空間應(yīng)用的斯特林制冷機,主要通過傳導(dǎo)和輻射換熱進行散熱,沒有對流換熱,制冷機散熱條件較為惡劣[6]。高曉明等[4]對星載斯特林制冷機的熱控制方案進行了分析,發(fā)現(xiàn)在局部強化傳熱、隔熱設(shè)計等熱控措施基礎(chǔ)上,采用熱管、冷板和熱輻射器集成的熱控制方案,可有效實現(xiàn)制冷機溫度的控制。許國太[5]等對空間應(yīng)用的斯特林制冷機安裝支架進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計,發(fā)現(xiàn)通過提高安裝支架及制冷機與安裝支架耦合界面間材料的導(dǎo)熱性能,可提高斯特林制冷機的散熱性能。辛光磊[7]等利用Ansys有限元軟件對斯特林制冷機電機外殼進行了熱仿真優(yōu)化,經(jīng)過優(yōu)化計算后,制冷機整體溫度可降低約4 ℃。目前對斯特林制冷機和紅外探測器組件的熱控制,集中于紅外探測器組件安裝工裝和制冷機電機外殼部位,鮮有對熱流密度較高的制冷機驅(qū)動元器件散熱控制方面的研究。

本文根據(jù)空間應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機的實際工作情況,基于Ansys有限元軟件,對旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機的驅(qū)動蓋板結(jié)構(gòu)進行了散熱優(yōu)化設(shè)計,以使斯特林制冷機探測器組件自身溫升維持在一個較低的范圍內(nèi),提高斯特林制冷機探測器組件的工作性能。

2 熱仿真模型

2.1 幾何模型

利用Inventor軟件建立了斯特林制冷機探測器組件的三維簡化模型,如圖1所示,斯特林制冷機探測器組件模型主要由紅外探測器芯片、杜瓦組件和斯特林制冷機組成,斯特林制冷機主要由曲軸箱、驅(qū)動板、驅(qū)動元器件、驅(qū)動蓋板、電機外殼、電機轉(zhuǎn)子保護套、電機定子、壓縮端蓋等部分組成。

圖1 斯特林制冷機探測器組件三維簡化模型

斯特林制冷機探測器組件內(nèi)驅(qū)動元器件的熱流密度高,產(chǎn)生的熱量主要通過傳導(dǎo)換熱將熱量傳遞至驅(qū)動蓋板和電機外殼,然后通過傳導(dǎo)和輻射換熱將熱量傳遞至周圍環(huán)境。為了探索驅(qū)動蓋板結(jié)構(gòu)對斯特林制冷機探測器組件散熱性能的影響,研究了四種不同結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的驅(qū)動蓋板,如圖2所示,分別為鋁合金材質(zhì)的平板式驅(qū)動蓋板結(jié)構(gòu)(圖2(a))、鋁合金材質(zhì)的凸臺式驅(qū)動蓋板結(jié)構(gòu)(圖2(b))、紫銅材質(zhì)的凸臺式驅(qū)動蓋板結(jié)構(gòu)(尺寸1)(圖2(c))、紫銅材質(zhì)的凸臺式驅(qū)動蓋板結(jié)構(gòu)(尺寸2)(圖2(d))。平板式和凸臺式驅(qū)動蓋板與驅(qū)動板的裝配示意圖如圖3所示,驅(qū)動蓋板與驅(qū)動板之間通過導(dǎo)熱墊連接,根據(jù)驅(qū)動蓋板結(jié)構(gòu)的差異,驅(qū)動蓋板與驅(qū)動板之間的導(dǎo)熱墊尺寸不同。將不同結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的驅(qū)動蓋板與導(dǎo)熱墊、驅(qū)動板等斯特林制冷機探測器組件進行裝配,考察了四種斯特林制冷機探測器組件的熱分布規(guī)律,具體裝配的驅(qū)動蓋板及對應(yīng)的導(dǎo)熱墊狀態(tài)如表1所示。

圖2 斯特林制冷機驅(qū)動蓋板結(jié)構(gòu)及材質(zhì)

圖3 驅(qū)動蓋板、導(dǎo)熱墊和驅(qū)動板的裝配示意圖

表1 驅(qū)動蓋板及對應(yīng)的導(dǎo)熱墊狀態(tài)

2.2 仿真模型

將斯特林制冷機探測器組件三維簡化模型導(dǎo)入Ansys有限元軟件中Steady-state Thermal模塊進行穩(wěn)態(tài)熱仿真,材料物性參數(shù)依據(jù)真實物性參數(shù)進行選取,采用Ansys自帶的協(xié)調(diào)分片算法進行自動網(wǎng)格劃分。計算過程中忽略制冷機內(nèi)部氣體的對流換熱,忽略制冷機內(nèi)部的摩擦損失及其他耗散損失。

根據(jù)空間應(yīng)用的斯特林制冷機探測器組件的工作特點和實際情況,斯特林制冷機探測器組件與周圍環(huán)境通過傳導(dǎo)和輻射換熱,沒有對流換熱,斯特林制冷機探測器表面發(fā)射率依據(jù)材料表面法向發(fā)射率進行設(shè)定。制冷機內(nèi)驅(qū)動元器件、電機定子和壓縮過程是探測器組件的主要發(fā)熱源,通過附加熱載荷形式模擬實際發(fā)熱過程。計算過程中具體設(shè)定的邊界條件為:

(1)根據(jù)斯特林制冷機探測器組件的實際工作情況,設(shè)定環(huán)境溫度為65 ℃,制冷機的控溫溫度為-196.15 ℃；

(2)鋁合金的發(fā)射率取為0.2,銅的發(fā)射率取為0.6[8]；

(3)驅(qū)動元器件發(fā)熱量q1為0.029 W/mm3、電機定子發(fā)熱量q2為2.03×10-4W/mm3和壓縮端發(fā)熱量q3為1.71×10-4W/mm3,其計算公式分別為[7]:

(1)

(2)

(3)

式中,Q1為驅(qū)動元器件的實際熱功耗;V1為驅(qū)動元器件實際體積;U為工作電壓;R為等效電阻;Q2為電機的實際功耗;η為電機的效率;V2為電機定子的實際體積;Q3為制冷機壓縮端的理論放熱量;V3為壓縮端的實際體積。

根據(jù)以上邊界條件及熱載荷設(shè)置,求解得到穩(wěn)態(tài)條件下斯特林制冷機探測器組件各個部分的溫度分布。

3 結(jié)果與討論

3.1 實驗驗證

為驗證所建立仿真模型的正確性,將編號為Case4的斯特林制冷機探測器組件進行熱真空實驗,實驗過程中,斯特林制冷機探測器組件通過曲軸箱的底部固定于導(dǎo)熱底板上,然后放置于實驗真空罐內(nèi),真空罐內(nèi)真空度為1.3×10-3Pa,采用熱電偶監(jiān)測驅(qū)動蓋板外表面、電機外殼上表面和壓機端蓋外表面的溫度,通過調(diào)節(jié)真空罐浴油溫度實現(xiàn)實驗真空罐內(nèi)環(huán)境溫度的調(diào)控,考慮導(dǎo)熱底板的導(dǎo)熱熱阻和導(dǎo)熱底板與真空罐及斯特林制冷機探測器組件之間的接觸熱阻等,根據(jù)實測實驗數(shù)據(jù),設(shè)置計算過程中曲軸箱底部與真空罐浴油溫度的溫差為6 ℃。將斯特林制冷機探測器組件的熱仿真計算結(jié)果與熱真空實驗結(jié)果進行對比分析,結(jié)果如表2所示。

由表2可見,仿真得到的斯特林制冷機探測器組件的溫度分布與實驗結(jié)果基本一致,由于斯特林制冷機探測器組件通過曲軸箱底部與導(dǎo)熱底板接觸,傳導(dǎo)換熱主要通過曲軸箱底部實現(xiàn),因此壓機端蓋溫度最低,仿真計算的最大誤差位于驅(qū)動蓋板處,最大相對誤差為11.4 %,說明所建立的仿真模型可以有效計算斯特林制冷機探測器組件的溫度分布。仿真計算值與實驗結(jié)果誤差主要在于,仿真過程中未考慮斯特林制冷機探測器組件內(nèi)各零件之間的接觸熱阻及制冷機內(nèi)氣體換熱,而這些在斯特林制冷機探測器組件實際工作過程中是不可避免的。

3.2 仿真結(jié)果分析

圖4所示為四種斯特林制冷機探測器組件仿真計算獲得的溫度分布云圖,圖5所示為四種斯特林制冷機探測器組件內(nèi)制冷機驅(qū)動板的溫度分布云圖。

由圖4和圖5可見,編號為 Case1、Case2、Case3和Case4的斯特林制冷機探測器組件的最高溫度依次降低,制冷機驅(qū)動板和電機外殼的溫度較高,其最高溫度出現(xiàn)在驅(qū)動板的驅(qū)動元器件位置,說明熱量通過溫度較高的驅(qū)動元器件、電機外殼等向溫度較低的曲軸箱底部和探測器組件冷端傳遞。

圖5 斯特林制冷機驅(qū)動板溫度分布

編號為Case1的斯特林制冷機探測器組件裝配的是平板式驅(qū)動蓋板,驅(qū)動蓋板與驅(qū)動板之間主要通過導(dǎo)熱墊實現(xiàn)熱量傳遞,且導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)為0.8 W/(m·K),使驅(qū)動元器件的發(fā)熱熱量不能有效傳遞至驅(qū)動蓋板、電機外殼和周圍環(huán)境,造成驅(qū)動元器件及相應(yīng)的驅(qū)動蓋板和電機外殼溫度較高。將驅(qū)動蓋板從平板式結(jié)構(gòu)改為凸臺式結(jié)構(gòu)后,驅(qū)動元器件最高溫度明顯降低(100.1 ℃→94.4 ℃),這是因為采用凸臺式驅(qū)動蓋板結(jié)構(gòu),使驅(qū)動蓋板和驅(qū)動板之間的導(dǎo)熱墊厚度明顯減小(如表1所示),金屬的導(dǎo)熱系數(shù)遠大于導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù),使熱量從驅(qū)動元器件到驅(qū)動蓋板、電機外殼和周圍環(huán)境的熱量傳遞明顯改善。當(dāng)驅(qū)動蓋板從Case2的鋁合金材質(zhì)更改為Case3的紫銅材質(zhì)時,由于驅(qū)動蓋板導(dǎo)熱系數(shù)的提高(λ鋁合金=123 W/(m·K)→λ紫銅=386 W/(m·K)),驅(qū)動元器件最高溫度從94.4 ℃降低到93.3 ℃。進一步增大驅(qū)動蓋板凸臺高度(Case4),使驅(qū)動蓋板和驅(qū)動板之間的導(dǎo)熱墊厚度減小(如表1所示),斯特林制冷機探測器組件的散熱情況得到進一步改善,因此,在所考察的四種斯特林制冷機探測器組件中,探測器編號為Case4的驅(qū)動元器件溫度最低,與探測器編號為Case1的驅(qū)動元器件溫度相比,驅(qū)動元器件的最高溫度可減小8.5 %。

以上分析表明,在熱真空實驗環(huán)境條件下,通過改進斯特林制冷機驅(qū)動蓋板結(jié)構(gòu),提高斯特林制冷機驅(qū)動蓋板和導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù),可有效改善斯特林制冷機探測器組件的散熱性能,減少熱量局部聚集,降低斯特林制冷機探測器組件自身溫升,提高斯特林制冷機探測器組件的工作性能。

4 結(jié) 論

基于Ansys有限元軟件,對不同驅(qū)動蓋板結(jié)構(gòu)的斯特林制冷機探測器組件進行了熱仿真計算,并將計算值與熱真空實驗結(jié)果進行了對比分析,結(jié)果表明,斯特林制冷機探測器組件內(nèi)驅(qū)動板和電機外殼的溫度較高,其最高溫度出現(xiàn)在驅(qū)動板的驅(qū)動元器件位置,熱量通過溫度較高的驅(qū)動元器件、電機外殼等向溫度較低的曲軸箱底部和探測器組件冷端傳遞。斯特林制冷機驅(qū)動蓋板由平板式結(jié)構(gòu)改為凸臺式結(jié)構(gòu)、增大驅(qū)動蓋板和導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)可有效改善斯特林制冷機探測器組件的散熱性能,斯特林制冷機探測器組件的最高溫度可減小8.5 %。