1、 年第 期 某型节流制冷系统与某型斯特林制冷系统的对比分析陆艺升江苏金陵机械制造总厂， 江苏 南京 摘要近年来， 红外技术的迅速发展推动了制冷技术的进步。空军对某型飞机光电雷达的制冷系统进行改装， 用某型斯特林制冷系统替代原有的某型节流制冷系统。从两种制冷方式的工作原理出发， 对比分析两种制冷系统在性能参数、 故障模式和维修保障等方面的优缺点。关键词斯特林制冷系统； 节流制冷系统； 性能参数； 故障模式； 维修保障中图分类号 引言某型飞机光电雷达所用探测器为光子探测器， 它是利用红外线中的光子流照射到探测器， 激发半导体探测材料（ ） 中的束缚电子， 产生一个电动势， 以此来探测红外线。由于常
2、温下热激发也会引起大量自由载流子，形成热噪声， 为了使热激发的电子减到最少， 通常是要使探测器工作在低温状态下， 即对探测器制冷。当温度降至 ， 半导体探测材料（ ） 探测率将达到理论的极限值。在军用低温制冷技术中， 节流制冷较为常见。近年来， 随着红外技术的迅速发展， 制冷技术也取得了长足的发展。空军对某型飞机光电雷达进行试改装， 用某型斯特林制冷系统替代原有的某型节流制冷系统。对以上两种制冷系统进行对比分析， 将更加有利于产品的维修与保障。工作原理某型节流制冷系统某型节流制冷系统主要由气源组件、 过滤器、 节流制冷器和导管组成。某型节流制冷系统利用 和 的混合气体作为制冷剂按闭路循环的方式
3、制冷。在制冷循环中， 制冷剂进入气源组件经过气源组件的三级压缩， 增压至不小于 的高压气体， 经过滤器过滤干燥后，流入节流制冷器， 在节流制冷器的毛细管中冷却， 随后流到节流阀， 因为节流阀的节流口直径小于毛细管， 最终在此处形成节流效应， 制冷剂膨胀吸热。膨胀后的低温低压的制冷剂流经节流制冷器外围毛细管并在此处进行热交换以冷却来时的高温高压的制冷剂。最后冷却完后的制冷剂流回气源组件（ 见图） 。气源组件是某型节流制冷系统的核心组件， 由气源电机、 摇杆机构和气路组件组成。摇杆机构将气源电机的转动转化为三个活塞的往复简谐运动， 活塞在汽缸内压缩制冷剂， 形成高压气体， 并在气路组件中过滤、 调
4、压后流出气源组件。某型斯特林制冷系统某型斯特林制冷系统主要由驱动控制器、 斯特林制冷机和耦合器组成。驱动控制器将 直流信号转换为 正弦波信号， 为斯特林制冷机提供动力。耦合器通过弹性连接结构将斯特林制冷机冷端的制冷量以热传导方式传送至探测器内腔底部。斯特林制冷机由压缩机和膨胀机两部分通过分置管连接而成（ 见图） ， 以氦气作为制冷剂， 按斯特林循环制冷的方式制冷。该循环由等温压缩、 定容放热、 等温膨胀和定容吸热四个过程组成（ 见图） 。图某型节流制冷系统工作原理图斯特林制冷机结构图 正弦波信号通过压缩机内直线电机动圈时， 由于洛伦兹力的作用， 动圈带动压缩活塞在汽缸内作往复简谐运动， 同时压
5、缩汽缸内制冷剂做功。一部分功以热形式通过压缩机表面和散热器散失； 另一部分则以交变机电设备与仪器仪表自动化应用收稿日期： 年第 期压力波形式通过分置管输送至膨胀机。膨胀机内活塞在交变压力波及弹簧的共同作用下， 于其行程的中间位置作往复简谐运动， 使热量不断从冷腔输送至室温端。图斯特林制冷循环性能参数某型节流制冷系统与某型斯特林制冷系统在光电雷达中起到的作用一样， 但性能参数有一定差异。在制冷深度方面， 两种制冷系统一样， 均可以达到 的制冷深度。某型节流制冷系统制冷量更大， 制冷速度更快， 但其输入功率大， 制冷效率低； 而某型节流制冷系统正好相反。其主要技术参数详见表。表两种制冷系统性能参数
6、对比制冷系统制冷深度制冷时间 制冷量输入功率质量 制冷效率某型节流制冷系统 某型斯特林制冷系统 故障模式某型节流制冷系统故障模式某型节流制冷系统因其结构复杂、 零件多、 接口多、功率大的原因， 故障率相对较高， 故障模式较复杂， 平均无故障时间（ ） 。其主要故障模式和原因分析如下。活塞环磨损失效活塞环安装在气源组件的活塞杆上， 与汽缸配合。活塞杆在汽缸内作往复运动， 压缩制冷剂， 活塞环在压缩制冷剂 的 过 程 中 起 密 封 作 用。活 塞 环 是 由 （）、 、 等化合物在高温、 高压条件下烧结而成。长期与汽缸摩擦造成活塞环磨损， 当活塞环磨损失效后， 无法密封制冷剂， 气源组件出气压力
7、降低， 某型节流制冷系统的制冷深度达不到要求。膜盒式分离器泄漏膜盒式分离器安装在气源组件的底座上， 两端分别连接摇杆机构和活塞杆。气源组件工作时膜盒式分离器将摇杆机构的动力传递到活塞杆上， 同时分隔油路和气路， 防止油路中的油液进入气路。膜盒式分离器由 片膜片、 硬芯和焊接环焊接而成。工作过程中焊接点受到交变应力， 长时间工作造成焊接点开裂， 膜盒式分离器分隔油路和气路的功能失效。油液泄漏到气路中， 造成气路堵塞， 气源组件负载增大， 气源电机烧坏， 某型节流制冷系统不制冷。导管漏气导管安装在某型节流制冷系统的气路中， 用于传输制冷剂。导管由管体和管接头焊接而成， 焊料为银基焊料。导管长时间暴
8、露在空气中， 焊料中的银缓慢氧化为氧化银， 造成导管焊接处漏气， 使某型节流制冷系统中制冷剂不足， 制冷效果下降。弹性零件断裂某型节流制冷系统中应用了大量的弹性零件， 例如支撑活塞环的径向涨圈和波形弹性垫片， 支撑活门阀体的各型弹簧等。这些弹性零件以每分钟 次做往复简谐运动。长时间受到交变应力造成弹性零件断裂， 气源组件不工作， 某型节流制冷系统不制冷。气路堵塞某型节流制冷系统设计了多处过滤装置， 有过滤油气的滤油器， 有过滤 和 的过滤器， 有过滤机械颗粒的各种滤网。长时间工作造成过滤孔堵塞， 气路不畅通， 制冷剂的流量偏低， 制冷效果下降。气源电机主轴断裂气源电机启动时由于瞬时力矩较大，
9、电机主轴安装平键的位置受到较大的冲击力， 当电机主轴材料存在晶相缺陷时， 容易产生裂纹， 反复启动造成裂纹扩大， 最终电机主轴断裂。电机主轴断裂后无法将动力传递到下级传动， 气源组件不工作， 某型节流制冷系统不制冷。某型斯特林制冷系统故障模式某型斯特林制冷系统结构简单、 功率小， 故障率相对较低， 平均无故障时间（ ） 。其主要故障模式和原因分析如下。排出器涂层磨损排出器是斯特林制冷机中的重要组件。排出器的表面涂覆了一层涂层， 该涂层在排出器工作时既起到密封作用， 又起到润滑作用。排出器的涂层是通过热喷涂的方式加工的， 基材是（）， 加入了适量的 、 铜粉和聚苯硫醚以提高润滑性、 耐磨性和粘接
10、性。排出器涂层长期与汽缸摩擦造成涂层磨损， 排出器和汽缸之间的间隙增大， 密封性下降， 膨胀机工作效率下降， 某型斯特林制冷系统的制冷量不足， 制冷深度达不到要求。弹簧断裂某型斯特林制冷系统的弹簧有两种： 一种安装在压缩机中起减震的作用； 另一种安装在膨胀机中与压力波共同作用在排出器上。安装在膨胀机中的弹簧受到交变应力， 长时间工作容易断裂。弹簧断裂后排出器仅受压力波的作用， 此时排出器的行程和相序发生改变， 冷端不仅不制冷， 还会出现制热的现象。由于膨胀机安装在光电探测器杜瓦里（ 见图） ， 杜瓦有良好的保温性能， 因此杜瓦内的温度会持续上升。半导体探测材料（ ） 通过低温胶粘贴在杜瓦金属内
11、壁的顶端， 正常情况下， 整体组件工作时， 斯特林制冷机中膨胀机的顶端温度小于 ， 冷量通过杜瓦金属内壁传递到半导体探测材料（ ） ， 保证其正常工作时的环境温度。粘贴半导体探测材料（ ） 的低温胶在高温时发生热膨胀现象， 造成半导体探测材料（ ） 受到应自动化应用机电设备与仪器仪表 年第 期 力， 当应力超过抗拉强度时元件内部断裂， 光电探测器无信号输出。图杜瓦内部示意图故障模式对比分析某型节流制冷系统故障率高， 故障模式多样， 故障点不集中， 平均无故障时间短， 但无论发生什么故障， 最终导致的是某型节流制冷系统不工作， 不会损坏系统外其他元器件。某型斯特林制冷系统故障率低， 故障模式少，
12、平均无故障时间是某型节流制冷系统的倍， 但是发生故障时有造成其他贵重元器件损坏的风险。维修保障某型节流制冷系统维修保障某型节流制冷系统回气管路中安装了气体压力传感器。当某型节流制冷系统工作时， 可以通过测量回气管路中制冷剂的压力判断进气管路是否堵塞； 当某型节流制冷系统不工作时， 可以监测制冷剂的气体压力是否满足要求， 为用户后期维护提供方便。节流制冷器的顶端安装了铂热电阻（ 、 ） 作为温度传感器， 用于监测节流制冷器节流口附近的温度。某型节流制冷系统正常工作时， 铂热电阻的阻值应保持在 以下。光电雷达的红外探测功能异常时， 可通过测量铂热电阻的阻值迅速判断是否为某型节流制冷系统故障， 便于
13、外场故障定位。某型节流制冷系统中气源组件、 过滤器、 节流制冷器均由导管通过螺母连接， 连接处用紫铜垫片密封， 拆卸时仅需用专用工装卡住管接头并拧松螺母即可， 方便快捷。更换器件时仅需拆下器件两端的导管接头， 无须更换整个某型节流制冷系统， 便于外场维修。某型斯特林制冷系统维修保障某型斯特林制冷系统未安装压力传感器， 因此无法监测系统内部气体压力， 用户使用过程中无法正常补气。当出现制冷剂压力偏低导致光电雷达无法正常工作的情况时， 无 法 在 外 场 排 除 故 障， 只 能 将 产 品 送 到 修 理 厂修理。某型斯特林制冷系统未安装温度传感器， 因此无法监测光电探测器内腔温度。当光电雷达的
14、红外探测功能异常时， 无法直接判断某型斯特林制冷系统是否出现故障， 只能在确定光机组件、 激光测距器、 电子部件等器件无故障的情况下才能判断。对维修保障时故障定位造成麻烦。某型斯特林制冷系统大量采用焊接工艺。压缩机壳体、 导管接头处均用氩弧焊焊接而成。如产品出现故障，需通过机械加工， 先将焊接部位切割开， 更换失效器件后再焊接上。由于切割与焊接的特性， 决定该系统不可进行反复维修， 而装配、 调试时均要求在壳体焊接后进行，一旦装调失败， 该产品将不可再进行修复， 维修难度较大。同时外场排故时由于没有机械加工和焊接的条件，只能更换整个某型斯特林制冷系统， 排故工作量大。维修保障对比分析某型节流制
15、冷系统在维修保障方面明显优于某型斯特林制冷系统。某型节流制冷系统仅需更换少量必换件就可以反复分解、 修理、 装配， 在维修方面更便捷。光电雷达在外场发生故障时， 某型节流制冷系统可以迅速定位故障点， 并通过准确更换故障器件恢复制冷效果， 快速排除光电雷达故障， 保障部队装备需求。某型斯特林制冷系统在维修保障方面较差， 尤其在外场发生故障时， 排故比较困难。结语某型节流制冷系统有着制冷量大， 降温时间短， 维修保障便捷等非常明显的优点， 但是其有故障模式复杂、 故障率高、 可靠性低、 能耗高等致命弱点， 最终导致其在光电雷达制冷系统项目中被改装、 替代。某型斯特林制冷系统有着制冷效率高、 故障模式单一、 故障率低， 平均无故障时间（ ） 长的优势， 但是其制冷时间慢、 制冷量小、 维修保障困难造成其无法完全取代某型节流制冷系统， 节流制冷系统在红外导弹中的统治地位一直无法撼动。因此， 对于一个具体的制冷问题， 用什么样的制冷方式， 不仅取决于制冷系统的选择， 而且还要考虑产品的总体设计、 使用环境、 维修保障等因素。参考文献中国人民解放军第五三一一工厂 某 型 气 源 组 件 大 修 指南 中国电子科技集团公司第十六研究所某型分置式斯特林制冷机使用说明书机电设备与仪器仪表自动化应用
