记忆合金在节流制冷器中的应用

徐庆松，崔 戈

(华北光电技术研究所，北京100015)

1 引言

红外导引系统广泛应用于导弹武器系统中，其核心元件——红外探测器芯片，通过敏感目标的红外辐射能量来探测、跟踪目标。为了提高探测器的探测能力和工作波长，工作在中红外和远红外的探测器均需要制冷，使其工作在特定的低温条件下。微型节流制冷器具有结构紧凑、体积小、重量轻、启动快等优点，广泛应用于军事红外热成像系统中，它是目前最成熟的一种微型制冷器。

微型节流制冷器根据应用场合的不同，通常分为自调式和快速启动两大类。在自调式制冷器中，波纹管型自调制冷器是目前最常采用的一种，如图1所示。无论是波纹管内充气还是波纹管外充气，其工作原理基本一样，在封闭腔内充以一定压力的气体，工作时，封闭腔内的气体压力随外界温度的变化而变化，从而带动针阀机构实现制冷流量的调节。这种制冷器目前在技术上比较成熟，应用也比较广泛。但是，目前这种制冷器还存在两大问题难以克服。第一，稳定性问题。制冷器调节机构为波纹管，由于波纹管本身是弹性元件，在制冷器经过多次测试及外界环境的变化，自身长度及刚度均易发生变化。统计表明，该类型制冷器在使用及存放过程中经常有产品流量参数超差现象，严重影响用户的使用。第二，寿命问题。按照设计原理，寿命期内波纹管调节机构气体泄漏量必须小于规定值，充气量必须满足要求，由于在装配过程中无法做到对每一支制冷器进行精确控制，再加上波纹管本身长时间气密性也很难保证，必然有产品存在漏气现象从而丧失自调功能。

近年来，形状记忆合金作为调节机构的主要零件材料，成为众多研究方向中最瞩目的一个。它实际上是利用了该种材料随温度变化而表现出来的形状记忆效应，从而达到对制冷器针阀机构开度的控制，实现制冷器流量的调节。?

图1 波纹管型自调制冷器Fig.1 self－ regulated cryocooler with bellow

2 形状记忆合金自调装置调节原理

2.1 记忆合金机理

形状记忆合金作为一种新型功能材料为人们所认知始于1963年，美国的海军武器实验室在一次偶然的情况下发现TiNi合金具有良好的形状记忆效应。到目前，从国外的研究成果来看，具有形状记忆效应的材料体系约有50多种。

一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，金属就产生塑性变形，应力消除后就留下永久变形，有些金属材料，在发生塑性变形后，经过加热到某一温度之上，能够恢复到变形前的形状，这种现象叫形状记忆效应，如图2所示。具有形状记忆效应的金属通常是两种以上金属元素组成的合金，这种合金就是形状记忆合金［1］。

图2 形状记忆效应Fig.2 shape memory effect

2.2 形状记忆合金弹簧自动调节原理

利用记忆合金材料做成的自动调节机构原理如下:一个普通的偏压弹簧和一个记忆合金感温弹簧串联成为一个弹簧机构，两端固定，整个机构预先受压，如图3所示。控制针阀开度的阀针固定在弹簧机构上，可以随弹簧机构的运动在一定范围内动作。在本文中叙述的自调机构的工作过程可以简单描述为:高温(常温)时阀是开启的，制冷工质通过节流阀制冷，当到达一定的低温时，记忆合金感温弹簧的金相组织发生变化，感温弹簧的弹性系数变小，而偏压弹簧没有显著变化，于是弹簧机构打破平衡状态，偏压弹簧伸长，感温弹簧受压缩，直到达到新的平衡状态。在此过程中阀针随弹簧机构一起动作，节流阀的开度减小。如果制冷工质流量过小造成温度上升，则感温弹簧的弹性系数变大，驱动整个机构复原，节流阀开度增大，工质流量增大。如此反复工作，将节流阀的开度控制在一个合适的范围内，制冷温度也达到稳定。

图3 形状记忆合金弹簧自动调节装置示意图Fig.3 sketch of self－ regulated device with SMA

从记忆合金弹簧调节装置的工作原理中可以看出该种调节方式具有结构紧凑，工作可靠性高等优点。与其他调节方式相比较，可调节范围大，尺寸可以设计得非常小，易于微型化，对温度十分敏感，产生的调节变形力大。

3 记忆合金型自调制冷器特点

记忆合金材料本身具有伸缩的记忆效应，为了增加该记忆效应的效果，可以适当加大材料的长度。经过多年来国内外学者的实验与研究，根据节流制冷器结构尺寸的不同，开发出多种形状的记忆合金调节机构，例如碟形、S型、螺旋弹簧型等等。

蝶形记忆合金弹簧垫圈是法国Air Liquide公司为Sofradir公司开发并应用的。图4是采用此垫圈的扁平结构的制冷器［2］，图5是采用此垫圈的圆柱形制冷器，图6中的自调机构所采用的记忆合金为螺旋弹簧状，率先由俄罗斯采用并装备应用［3］。

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

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

图6 螺旋弹簧记忆合金结构Fig.6 sketch of device with spring SMA

从上面的介绍中，可以看出，与传统波纹管自调式制冷器相比，记忆合金具有结构简单、装调方便、通用性好等特点，特别是没有类似于波纹管结构的封闭腔室，不存在泄漏问题，制冷器存放寿命长，特别适合空空导弹。记忆合金结构还具有结构小巧、精度高、可适用于各种形状的制冷器，例如4.2～11.2 mm(甚至更大)全系列圆柱结构制冷器、塔形制冷器、扁平制冷器等各种制冷器，拓宽了节流制冷器在红外领域的应用，大大降低了节流制冷器的开发成本。原始零件的制造和装配程序都要简单得多，在装配之前，在专用结构上对记忆合金元件进行简单的检验而不用进行复杂的检漏程序。

通过调研国内外相关文献资料，记忆合金型制冷器有很多种不同规格的尺寸，一般来说所达到的技术指标归纳如下表1［4］。

表1 记忆合金型制冷器典型技术指标Tab.1 typical indexes of the croycoolers with SMA

4 国内低温记忆合金的研究现状

近年来形状记忆合金研究所取得的进展主要体现在以NiTi、Cu基和Fe基形状记忆合金开发应用所进行的基础研究及新型合金特别是高温形状记忆合金的探索上。国内外形状记忆合金的研究均已进入应用研究阶段。Ni－Ti基记忆合金性能优异，但价格昂贵;铁基记忆合金虽价格低廉，但存在恢复力低，应力松弛等问题，应用可靠性有待提高。与Ni－Ti基记忆合金相比，铜基记忆合金价格低廉，导热性能好，记忆应变与恢复力也很高，并且它容易加工。但铜基形状记忆合金也存在一些问题，主要是晶粒粗大、热稳定性差、塑性低、热循环及长期时效后会发生马氏体稳定化现象，从而使合金由马氏体到母相的逆相变温度升高，形状记忆效应减小甚至丧失。

另外，形状记忆合金虽然已经广泛应用于航空、航天等各个领域，但其形状记忆效应均发生在173～473 K范围内。由于某些技术领域的需求，如红外探测器所需的节流制冷器，需要能够工作在很低的温度下(如100 K左右)的低温形状记忆合金元件来控制其高压气流，国内之前也几乎没有相关低温领域下形状记忆合金的应用研究，国外也只有少数几个国家具备此项技术，而且限于保密，公开发表的很少。

为了克服这些困难，弥补低温形状记忆合金相关领域的空白，华北光电技术研究所和相关研究机构共同开发出一种塑性极好的特殊成分的Cu基形状记忆合金，用来应用在深低温领域。此Cu基合金有更好的记忆性能、耐蚀性能和抗拉强度，是一种有实际应用价值的记忆合金。目前相关文献和公布的资料来看，普通Cu基合金的形状记忆效应温度一般在 173～473 K范围内［5］。通过调节合金成分，能够使该Cu基合金获得低温(100～120 K)形状记忆效应［6］。到目前为止，应用在100 K左右的低温形状记忆合金已经初步研制出成品，正在进行进一步的研究。

5 结论与展望

节流制冷技术将是今后20年红外探测器强有力的制冷方法，随着可靠性和成本的要求提高，节流制冷器的作用、责任也随之改变，新的应用如低成本高技术导弹系统和野外可维护的监视系统将继续需要节流制冷器。低成本(＜500美元)制冷器将得到大量的国内应用需求;我们的发展方向要紧跟国际形势，新结构制冷器如扁平结构、锥形结构等将发展以满足快速启动大直径焦平面探测器的应用。

而形状记忆合金自调式节流制冷器相对于其他自调式节流制冷器体积更为小巧，重量可以更为轻便，结构更为紧凑，可以实现短小及扁平化。记忆合金弹簧量产后，价格可以大大降低为几十美元一个，整个节流制冷器的成本就会大大降低，非常符合未来制冷器发展的需要。

［1］ 杨杰.形状记忆合金及其应用［M］.合肥:中国科学技术大学出版社，1992.

［2］ Alain Cottereau，Marc David.New development in small cryocoolers［M］.SPIE，1996，2774:393 －402.

［3］ WANG Sanyu.Research on J － T cryocoolers made of SMA［J］.Cryogenics，2009，37:7 －10.(in Chinese)王三煜.节流制冷器用记忆合金研究［J］.低温技术，2009，37:7 －10.

［4］ SUN Weiguo.Air to air missile photo － detectors design［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2006.(in Chinese)孙维国.空空导弹光电探测器设计［M］.北京:国防工业出版社，2006.

［5］ Castillo C L D，Mellor B G，Blazpuez M Led.The influnce of composition and grain size on the martensitic transformation temperatures of Cu－Al－Mn shape memory alloys［J］.Scipta Mater，1987，21(11):1711 － 1716.

［6］ LI Chongjian.Microsructure of Cu － Al－ Mn alloy with shape memory effect at Low temperature［J］.Nonferrous Metals，2007，59:4 －7.(in Chinese)李崇剑.Cu－Al－Mn系低温形状记忆合金的微结构研究［J］.有色金属，2007，59:4 －7.