隨著碲鎘汞（MCT）材料制備工藝的改進和提升，芯片組件的暗電流得到一定程度的抑制，紅外探測器芯片組工作溫度上升成為發展趨勢。高工作溫度器件的發展推動著小型低溫斯特林制冷機向更小尺寸、更小重量、更低功耗、更低成本、更好性能的方向發展。

據麥姆斯咨詢報道，近期，昆明物理研究所研究團隊在《紅外技術》期刊上發表了以“HOT器件用旋轉式斯特林制冷機研究進展”為主題的文章。該文章第一作者為趙文麗工程師，主要從事旋轉式斯特林低溫制冷機的研發與生產的研究工作；通訊作者為孫皓研究員級高級工程師，主要從事低溫斯特林制冷機的研發與生產的研究工作。

該文章介紹了HOT器件用斯特林制冷機的SWaP3設計理念，薄壁管短冷指、高效小尺寸控制器、綜合熱管理、可靠性預測等設計技術，總結了近年國內外HOT器件用旋轉式斯特林制冷機的研制進展。

HOT器件用制冷機的設計理念

HOT器件用小型低溫斯特林制冷機的設計遵循SWaP3準則，SWaP3是1999年由唐納德·里高等人提出的高性能、低成本的思想基礎上發展而來，即更小的尺寸、更小的重量、更低的功耗、更低的成本、更好的性能，主要的性能指標包括制冷量、功耗和降溫時間。

用于HOT器件的微型旋轉式斯特林制冷機由于工作溫度升高，制冷機熱力學效率提升，對制冷量的需求相對降低。制冷機的制冷系數COP定義為制冷量Qc與凈輸入功Qe之比。制冷機的整體效率不僅取決于斯特林循環的效率，還取決于其他子系統，其效率由熱循環效率、機械效率、電機效率、控制器效率組成。

器件的工作溫度升高以后，斯特林循環的制冷系數和蓄冷器填料的比熱容會有所提升，故熱力學循環的效率會隨之提升；冷頭溫度升高，其漏熱損失會降低，沿杜瓦軸向的溫度梯度減小，軸向導熱損失、穿梭損失等熱損失都會降低，制冷機的效率會整體提升。

HOT器件用制冷機設計技術

在上述設計理念指導下，相比于常規液氮溫區制冷機，除了制冷量需求降低引起的壓縮副尺寸減小等變化以外，當前HOT器件用斯特林制冷機技術的發展有以下幾個重要的方面。

薄壁管短冷指設計技術

HOT器件用制冷機通常匹配專門的冷指，通過對冷指材料、幾何形狀和制造工藝進行優化，以減小冷指的尺寸、壁厚及冷端厚度，在保證冷指剛度的同時減少其漏熱。常規冷指與短冷指的主要差異包括：（1）冷指長度不同，HOT器件用制冷機通常匹配短冷指；（2）冷指壁厚不同，冷指漏熱主要來源是杜瓦瓶與外界環境的熱傳導、熱對流和熱輻射。與冷指進行匹配的杜瓦瓶內部抽真空，對流換熱導致的熱損失忽略不計，拋光冷指外表面可大量減少熱輻射，因此主要漏熱來源于熱傳導。傳導漏熱與杜瓦材料導熱系數和材料厚度有關。

傳熱速率Q是厚度t的線性函數，因此減小厚度會降低整個冷指管的傳導散熱。如圖1所示為RICOR公司不同材料及壁厚的冷指在95 K工作溫度時的漏熱大小，可見管壁厚度增加會導致漏熱增加。圖2為RICOR公司HOT器件用冷指漏熱隨壁厚變化及RICOR公司冷指壁厚的設計范圍。對于冷指的設計，在尺寸要求占主導地位的應用中，可縮短冷指及對蓄冷器進行優化，在功耗要求占主導地位的應用中，冷指壁厚可從80~100 μm的范圍減小到50~60 μm。

圖1 不同材料的冷指管從300 K到95 K的熱負載大小

圖2 不同材料的冷指管從300 K到150 K的熱負載大小

高效小尺寸控制器技術

與常規控制器相比，HOT器件用小型緊湊制冷機匹配的高效輕質控制器，應具有更小的尺寸重量，更高的控溫精度以及更高的效率。HOT器件制冷機配置的控制器，在以下幾個方面取得了一定進展：（1）控制器采用雙PCB構，以減小外部尺寸；（2）采用數字化控制器，控制精度和效率都有所提升，同時減小了驅動控制電路的尺寸與重量。（3）以“電壓控制電路”原理控制電機，從而實現轉速的電機調控，能一定程度上改善PWM波調制對控制器效率的影響，提高控制器的效率。（4）比起常規制冷機控制器，驅動電壓范圍更寬泛。同時，用于HOT器件的制冷機配置的控制器還有以下提升方向：無傳感器調控方案或ADUC處理器控制無刷直流電機的有傳感器調控方案；用戶自主可調控溫點等。常規液氮溫區制冷機配置的控制器、RICOR在2019年報道的用于HOT器件的K580制冷機所用控制器及HOT器件用制冷機控制器設計指標如表1所示，可以看到RICOR控制器效率的提升和尺寸重量的減小。

表1 HOT器件用制冷機控制器主要特性

制冷機綜合熱管理技術

制冷機是集成度較高的機電產品，同時內部含有壓縮機進行熱力學循環，導致機體發熱較明顯。制冷機的表面溫度會直接影響其性能，系統的熱管理對于低溫制冷機的功耗和冷卻能力至關重要。優化熱力學過程、改進熱管理，是提高溫度環境適應性的重要措施。制冷機的主要發熱源為壓縮機部件、電機部件、控制器部件。壓縮機部件發熱源于熱力學循環中壓縮過程產熱及冷指端換熱，電機部件發熱來源于繞阻焦耳熱，控制器部件發熱源于電子元器件發熱。不加散熱夾具時，散熱面主要集中在制冷機安裝基準面（約占40%）、壓縮機缸蓋（約占30%）、電機表面（約占30%），一般要求機體表面溫度不高于環境溫度10 ℃。HOT器件用制冷機由于功耗更低，散熱要求更低一些，設計應充分考慮散熱條件，全溫區內機體表面溫度與環境溫度的溫差越小越有利于制冷機性能的釋放。考慮到制冷機散熱設計中由于機體與環境溫差較小，同時整體內部空間相對密閉，輻射散熱與對流散熱作用都較弱，設計過程應充分強化制冷機幾個主要散熱面與光學平臺之間的熱傳導進行散熱，條件允許時增加熱沉強化散熱。RICOR為滿足高環境溫度及機載戰斗機的嚴酷振動水平開發了K544旋轉集成式斯特林制冷機，并在制冷機層面強化了散熱設計，主要包含3個方面：（1）電機和壓縮機外殼之間要有足夠的熱耦合；（2）PCB內部設計專門散熱路徑；（3）冷指法蘭和低溫制冷機安裝表面之間有足夠的熱耦合。該機型可在102 ℃環境溫度、95 K工作溫度下輸出1.3 W的制冷量，溫度環境適應性提升顯著。

可靠性預測

旋轉式低溫制冷機主要故障機制是運動部件的機械磨損，影響制冷機內部機械部件磨損的一個重要因素制冷機的轉速，轉速直接影響活塞/氣缸部件的線速度和制冷機中不同軸承的轉速，從而直接影響這些部件的磨損。旋轉制冷機常規的壽命終止模式是磨損導致的軸承故障，消除或減緩磨損可以提高制冷機可靠性。常規旋轉制冷機活塞耐磨技術是依靠鍍層對活塞實施保護。DLC和TiN硬質鍍層微觀結構致密，硬度高、摩擦系數低，可以較好地保護活塞，提高耐磨壽命。

關于制冷機可靠性的預測，RICOR報道過他們的一般預測方法，此后沒有太大變化。預測模型是一個乘法模型，在規定工作條件下給定制冷機的實際MTTF（θPR）是通過將來自壽命測試或現場數據的基線MTTF值（θb）乘以一系列轉換因子（π）得到的。

MTTFbase_RM為制冷機在典型條件（標準工作溫度為77 K，環境溫度為20℃）下的基線MTTF，MTTFA20 test Weibull是Thales在A20剖面測得的加速壽命試驗的結果，RPMA20是Thales的制冷機在A20加速壽命測試中制冷機的轉速，RPM20℃是典型條件下制冷機的轉速。Thales的研究表明，HOT器件用制冷機工作溫度從110 K到150 K時，制冷機的負載整體降低，轉速會降低約30%。在110 K制冷溫度和+20℃環境溫度下，若制冷溫度升高導致轉速降低30%。制冷溫度的升高對制冷機的可靠性有重要影響。制冷機轉速降低30%時（相當于制冷溫度從110 K到150 K），預計制冷機的MTTF可增加70%。

國內外HOT器件用旋轉式斯特林制冷機

旋轉式斯特林制冷機由旋轉電機驅動，具有結構緊湊、效率高、啟動快等特點，但是整機結構較復雜、振動噪音較大，尤其是運動部件的相互磨損、制冷工質的污染和泄漏使得制冷機的工作壽命受到一定的限制。傳統用于紅外探測器的旋轉式斯特林制冷機工作溫度在70~80 K，重量多在250~1000 g范圍。用于HOT器件的微型旋轉式斯特林制冷機主要設計改進為：（1）使用更高效率和性能的控制器電機；（2）冷指材料、結構改進以減小冷指尺寸和熱損失；（3）降低充氣壓力。典型結構與性能參數為：（1）重量在200 g以下；（2）室溫下穩態功耗低于2 W；（3）降溫時間在3 min以內；（4）工作電壓在6~7 V；（5）控制器效率提高到90%以上；（6）MTTF＞15000 h。以色列RICOR、法國Thales等公司都在持續不斷地做微型旋轉式斯特林制冷機的研制。

以色列RICOR公司2012年在SPIE報道的K562S型旋轉式斯特林制冷機的改型，將冷指長度由原來的45 mm降低到22.5 mm，工作溫度在130~150 K，充氣壓力從20 Bar降至16 Bar，該制冷機在23℃環境溫度150 K工作溫度，熱負載為160 mW時穩態功耗為1.9 W。如圖3、圖4為RICOR公司K562S short & K562S斯特林制冷機及其外型尺寸圖。K562S short制冷機的質量能做到135 g。若對功耗要求較高，冷指壁厚還可從80~100 μm降到50~60 μm。RICOR另外的產品K563型旋轉式斯特林制冷機工作溫度從77 K升至130~150 K之后，充氣壓力從18 Bar降低至6~8 Bar，室溫下穩態功耗在1.55~1.64 W。RICOR將常規77 K工作的常規旋轉式斯特林制冷機K561工作溫度從77 K升至150~200 K，充氣壓力從20 Bar降低至10 Bar，在23℃環境溫度@200 K控溫點，測得穩態功耗低于1.2 W。在功耗、質量等方面均有了較大的提升。

圖3 K562S short & K562S制冷機

圖4 K562S short & K562S制冷機外形圖

RICOR公司2015年報道的K562SI是為HOT探測器設計的旋轉整體式低溫制冷機，它基于K562作了如下改進：（1）更高效率和性能的新型電機；（2）冷指更薄更短，以減小漏熱。改進之后，熱負載為190 mW時，在140 K時的功耗低于2.5 W；降溫時間少于3 min 30 s；71℃環境溫度@150 K控溫點時的總制冷量為500 mW，重量低于185 g，如圖5、圖6所示。

圖5 K562SI制冷機外形圖

圖6 K562SI制冷機實物

RICOR公司開發的K580型旋轉集成式制冷機，如圖7所示。RICOR對其進行了較多性能測試及壽命測試，在150 K控溫點、150 mW熱負載、23℃環境溫度下控溫功耗約1.5 W，150 J熱負載下降溫時間約3 min，在71℃環境溫度、150 K控溫點下的最大制冷量為600 mW。

圖7 K580制冷機外形圖

Thales公司針對HOT器件開發了RM1制冷機，如圖8所示，其性能測試結果顯示，在常溫下，工作溫度每上升20 K，制冷機的降溫時間加快約15%，穩態輸入功耗約降低15%。武漢高德紅外公司基于RS046旋轉集成式斯特林制冷機開發的RS046H旋轉分置式斯特林制冷機，適配φ6.4 mm的冷指，可在－45℃~+85℃的環境溫度范圍下工作，比起其他公司的HOT器件用制冷機，環境適應性有所提升，能在100 K控溫點@20℃環境溫度下輸出400 mW冷量。表2對比了幾種用于HOT器件的旋轉式斯特林制冷機的主要參數。

圖8 RM1制冷機外形圖

表2 HOT器件用旋轉式斯特林制冷機

結論

本文主要闡述了HOT器件用旋轉斯特林制冷機的SWaP3設計理念、設計技術，總結了近年國內外HOT器件用斯特林制冷機開發的進展。HOT器件用小型低溫斯特林制冷機的設計應遵循SWaP3準則，以SWaP3準則為指導發展薄壁管短冷指、高效小尺寸控制器、制冷機綜合熱管理、可靠性預測等設計技術。目前半導體理論體系基本上沒有太多的變化，其工作溫度需求的提升得益于材料器件制造工藝的提升。隨著器件制造工藝的不斷提升，在現有基礎理論下探測器工作溫度不斷提高已經成為明確的發展方向，未來的制冷機市場也必將是HOT制冷機的市場。

論文信息：

http://hwjs.nvir.cn/cn/article/id/cd979469-9204-48ee-9c6c-2545d0792d39

審核編輯 ：李倩