記憶合金在節(jié)流制冷器中的應(yīng)用

徐慶松，崔 戈

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

紅外導(dǎo)引系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中，其核心元件——紅外探測(cè)器芯片，通過(guò)敏感目標(biāo)的紅外輻射能量來(lái)探測(cè)、跟蹤目標(biāo)。為了提高探測(cè)器的探測(cè)能力和工作波長(zhǎng)，工作在中紅外和遠(yuǎn)紅外的探測(cè)器均需要制冷，使其工作在特定的低溫條件下。微型節(jié)流制冷器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事紅外熱成像系統(tǒng)中，它是目前最成熟的一種微型制冷器。

微型節(jié)流制冷器根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，通常分為自調(diào)式和快速啟動(dòng)兩大類。在自調(diào)式制冷器中，波紋管型自調(diào)制冷器是目前最常采用的一種，如圖1所示。無(wú)論是波紋管內(nèi)充氣還是波紋管外充氣，其工作原理基本一樣，在封閉腔內(nèi)充以一定壓力的氣體，工作時(shí)，封閉腔內(nèi)的氣體壓力隨外界溫度的變化而變化，從而帶動(dòng)針閥機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)制冷流量的調(diào)節(jié)。這種制冷器目前在技術(shù)上比較成熟，應(yīng)用也比較廣泛。但是，目前這種制冷器還存在兩大問(wèn)題難以克服。第一，穩(wěn)定性問(wèn)題。制冷器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為波紋管，由于波紋管本身是彈性元件，在制冷器經(jīng)過(guò)多次測(cè)試及外界環(huán)境的變化，自身長(zhǎng)度及剛度均易發(fā)生變化。統(tǒng)計(jì)表明，該類型制冷器在使用及存放過(guò)程中經(jīng)常有產(chǎn)品流量參數(shù)超差現(xiàn)象，嚴(yán)重影響用戶的使用。第二，壽命問(wèn)題。按照設(shè)計(jì)原理，壽命期內(nèi)波紋管調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)氣體泄漏量必須小于規(guī)定值，充氣量必須滿足要求，由于在裝配過(guò)程中無(wú)法做到對(duì)每一支制冷器進(jìn)行精確控制，再加上波紋管本身長(zhǎng)時(shí)間氣密性也很難保證，必然有產(chǎn)品存在漏氣現(xiàn)象從而喪失自調(diào)功能。

近年來(lái)，形狀記憶合金作為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主要零件材料，成為眾多研究方向中最矚目的一個(gè)。它實(shí)際上是利用了該種材料隨溫度變化而表現(xiàn)出來(lái)的形狀記憶效應(yīng)，從而達(dá)到對(duì)制冷器針閥機(jī)構(gòu)開(kāi)度的控制，實(shí)現(xiàn)制冷器流量的調(diào)節(jié)。?

圖1 波紋管型自調(diào)制冷器Fig.1 self－ regulated cryocooler with bellow

2 形狀記憶合金自調(diào)裝置調(diào)節(jié)原理

2.1 記憶合金機(jī)理

形狀記憶合金作為一種新型功能材料為人們所認(rèn)知始于1963年，美國(guó)的海軍武器實(shí)驗(yàn)室在一次偶然的情況下發(fā)現(xiàn)TiNi合金具有良好的形狀記憶效應(yīng)。到目前，從國(guó)外的研究成果來(lái)看，具有形狀記憶效應(yīng)的材料體系約有50多種。

一般金屬材料受到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達(dá)到屈服點(diǎn)，金屬就產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力消除后就留下永久變形，有些金屬材料，在發(fā)生塑性變形后，經(jīng)過(guò)加熱到某一溫度之上，能夠恢復(fù)到變形前的形狀，這種現(xiàn)象叫形狀記憶效應(yīng)，如圖2所示。具有形狀記憶效應(yīng)的金屬通常是兩種以上金屬元素組成的合金，這種合金就是形狀記憶合金［1］。

圖2 形狀記憶效應(yīng)Fig.2 shape memory effect

2.2 形狀記憶合金彈簧自動(dòng)調(diào)節(jié)原理

利用記憶合金材料做成的自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理如下:一個(gè)普通的偏壓彈簧和一個(gè)記憶合金感溫彈簧串聯(lián)成為一個(gè)彈簧機(jī)構(gòu)，兩端固定，整個(gè)機(jī)構(gòu)預(yù)先受壓，如圖3所示?？刂漆橀y開(kāi)度的閥針固定在彈簧機(jī)構(gòu)上，可以隨彈簧機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)在一定范圍內(nèi)動(dòng)作。在本文中敘述的自調(diào)機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程可以簡(jiǎn)單描述為:高溫(常溫)時(shí)閥是開(kāi)啟的，制冷工質(zhì)通過(guò)節(jié)流閥制冷，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的低溫時(shí)，記憶合金感溫彈簧的金相組織發(fā)生變化，感溫彈簧的彈性系數(shù)變小，而偏壓彈簧沒(méi)有顯著變化，于是彈簧機(jī)構(gòu)打破平衡狀態(tài)，偏壓彈簧伸長(zhǎng)，感溫彈簧受壓縮，直到達(dá)到新的平衡狀態(tài)。在此過(guò)程中閥針隨彈簧機(jī)構(gòu)一起動(dòng)作，節(jié)流閥的開(kāi)度減小。如果制冷工質(zhì)流量過(guò)小造成溫度上升，則感溫彈簧的彈性系數(shù)變大，驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)復(fù)原，節(jié)流閥開(kāi)度增大，工質(zhì)流量增大。如此反復(fù)工作，將節(jié)流閥的開(kāi)度控制在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，制冷溫度也達(dá)到穩(wěn)定。

圖3 形狀記憶合金彈簧自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置示意圖Fig.3 sketch of self－ regulated device with SMA

從記憶合金彈簧調(diào)節(jié)裝置的工作原理中可以看出該種調(diào)節(jié)方式具有結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。與其他調(diào)節(jié)方式相比較，可調(diào)節(jié)范圍大，尺寸可以設(shè)計(jì)得非常小，易于微型化，對(duì)溫度十分敏感，產(chǎn)生的調(diào)節(jié)變形力大。

3 記憶合金型自調(diào)制冷器特點(diǎn)

記憶合金材料本身具有伸縮的記憶效應(yīng)，為了增加該記憶效應(yīng)的效果，可以適當(dāng)加大材料的長(zhǎng)度。經(jīng)過(guò)多年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的實(shí)驗(yàn)與研究，根據(jù)節(jié)流制冷器結(jié)構(gòu)尺寸的不同，開(kāi)發(fā)出多種形狀的記憶合金調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，例如碟形、S型、螺旋彈簧型等等。

蝶形記憶合金彈簧墊圈是法國(guó)Air Liquide公司為Sofradir公司開(kāi)發(fā)并應(yīng)用的。圖4是采用此墊圈的扁平結(jié)構(gòu)的制冷器［2］，圖5是采用此墊圈的圓柱形制冷器，圖6中的自調(diào)機(jī)構(gòu)所采用的記憶合金為螺旋彈簧狀，率先由俄羅斯采用并裝備應(yīng)用［3］。

圖4 扁平制冷器Fig.4 sketch of flat cooler with SMA

圖5 柱形制冷器Fig.5 sketch of cylinder cooler with SMA

圖6 螺旋彈簧記憶合金結(jié)構(gòu)Fig.6 sketch of device with spring SMA

從上面的介紹中，可以看出，與傳統(tǒng)波紋管自調(diào)式制冷器相比，記憶合金具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝調(diào)方便、通用性好等特點(diǎn)，特別是沒(méi)有類似于波紋管結(jié)構(gòu)的封閉腔室，不存在泄漏問(wèn)題，制冷器存放壽命長(zhǎng)，特別適合空空導(dǎo)彈。記憶合金結(jié)構(gòu)還具有結(jié)構(gòu)小巧、精度高、可適用于各種形狀的制冷器，例如4.2～11.2 mm(甚至更大)全系列圓柱結(jié)構(gòu)制冷器、塔形制冷器、扁平制冷器等各種制冷器，拓寬了節(jié)流制冷器在紅外領(lǐng)域的應(yīng)用，大大降低了節(jié)流制冷器的開(kāi)發(fā)成本。原始零件的制造和裝配程序都要簡(jiǎn)單得多，在裝配之前，在專用結(jié)構(gòu)上對(duì)記憶合金元件進(jìn)行簡(jiǎn)單的檢驗(yàn)而不用進(jìn)行復(fù)雜的檢漏程序。

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，記憶合金型制冷器有很多種不同規(guī)格的尺寸，一般來(lái)說(shuō)所達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)歸納如下表1［4］。

表1 記憶合金型制冷器典型技術(shù)指標(biāo)Tab.1 typical indexes of the croycoolers with SMA

4 國(guó)內(nèi)低溫記憶合金的研究現(xiàn)狀

近年來(lái)形狀記憶合金研究所取得的進(jìn)展主要體現(xiàn)在以NiTi、Cu基和Fe基形狀記憶合金開(kāi)發(fā)應(yīng)用所進(jìn)行的基礎(chǔ)研究及新型合金特別是高溫形狀記憶合金的探索上。國(guó)內(nèi)外形狀記憶合金的研究均已進(jìn)入應(yīng)用研究階段。Ni－Ti基記憶合金性能優(yōu)異，但價(jià)格昂貴;鐵基記憶合金雖價(jià)格低廉，但存在恢復(fù)力低，應(yīng)力松弛等問(wèn)題，應(yīng)用可靠性有待提高。與Ni－Ti基記憶合金相比，銅基記憶合金價(jià)格低廉，導(dǎo)熱性能好，記憶應(yīng)變與恢復(fù)力也很高，并且它容易加工。但銅基形狀記憶合金也存在一些問(wèn)題，主要是晶粒粗大、熱穩(wěn)定性差、塑性低、熱循環(huán)及長(zhǎng)期時(shí)效后會(huì)發(fā)生馬氏體穩(wěn)定化現(xiàn)象，從而使合金由馬氏體到母相的逆相變溫度升高，形狀記憶效應(yīng)減小甚至喪失。

另外，形狀記憶合金雖然已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天等各個(gè)領(lǐng)域，但其形狀記憶效應(yīng)均發(fā)生在173～473 K范圍內(nèi)。由于某些技術(shù)領(lǐng)域的需求，如紅外探測(cè)器所需的節(jié)流制冷器，需要能夠工作在很低的溫度下(如100 K左右)的低溫形狀記憶合金元件來(lái)控制其高壓氣流，國(guó)內(nèi)之前也幾乎沒(méi)有相關(guān)低溫領(lǐng)域下形狀記憶合金的應(yīng)用研究，國(guó)外也只有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家具備此項(xiàng)技術(shù)，而且限于保密，公開(kāi)發(fā)表的很少。

為了克服這些困難，彌補(bǔ)低溫形狀記憶合金相關(guān)領(lǐng)域的空白，華北光電技術(shù)研究所和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)共同開(kāi)發(fā)出一種塑性極好的特殊成分的Cu基形狀記憶合金，用來(lái)應(yīng)用在深低溫領(lǐng)域。此Cu基合金有更好的記憶性能、耐蝕性能和抗拉強(qiáng)度，是一種有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的記憶合金。目前相關(guān)文獻(xiàn)和公布的資料來(lái)看，普通Cu基合金的形狀記憶效應(yīng)溫度一般在 173～473 K范圍內(nèi)［5］。通過(guò)調(diào)節(jié)合金成分，能夠使該Cu基合金獲得低溫(100～120 K)形狀記憶效應(yīng)［6］。到目前為止，應(yīng)用在100 K左右的低溫形狀記憶合金已經(jīng)初步研制出成品，正在進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)論與展望

節(jié)流制冷技術(shù)將是今后20年紅外探測(cè)器強(qiáng)有力的制冷方法，隨著可靠性和成本的要求提高，節(jié)流制冷器的作用、責(zé)任也隨之改變，新的應(yīng)用如低成本高技術(shù)導(dǎo)彈系統(tǒng)和野外可維護(hù)的監(jiān)視系統(tǒng)將繼續(xù)需要節(jié)流制冷器。低成本(＜500美元)制冷器將得到大量的國(guó)內(nèi)應(yīng)用需求;我們的發(fā)展方向要緊跟國(guó)際形勢(shì)，新結(jié)構(gòu)制冷器如扁平結(jié)構(gòu)、錐形結(jié)構(gòu)等將發(fā)展以滿足快速啟動(dòng)大直徑焦平面探測(cè)器的應(yīng)用。

而形狀記憶合金自調(diào)式節(jié)流制冷器相對(duì)于其他自調(diào)式節(jié)流制冷器體積更為小巧，重量可以更為輕便，結(jié)構(gòu)更為緊湊，可以實(shí)現(xiàn)短小及扁平化。記憶合金彈簧量產(chǎn)后，價(jià)格可以大大降低為幾十美元一個(gè)，整個(gè)節(jié)流制冷器的成本就會(huì)大大降低，非常符合未來(lái)制冷器發(fā)展的需要。

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