記憶合金在節流制冷器中的應用

徐慶松，崔 戈

(華北光電技術研究所，北京100015)

1 引言

紅外導引系統廣泛應用于導彈武器系統中，其核心元件——紅外探測器芯片，通過敏感目標的紅外輻射能量來探測、跟蹤目標。為了提高探測器的探測能力和工作波長，工作在中紅外和遠紅外的探測器均需要制冷，使其工作在特定的低溫條件下。微型節流制冷器具有結構緊湊、體積小、重量輕、啟動快等優點，廣泛應用于軍事紅外熱成像系統中，它是目前最成熟的一種微型制冷器。

微型節流制冷器根據應用場合的不同，通常分為自調式和快速啟動兩大類。在自調式制冷器中，波紋管型自調制冷器是目前最常采用的一種，如圖1所示。無論是波紋管內充氣還是波紋管外充氣，其工作原理基本一樣，在封閉腔內充以一定壓力的氣體，工作時，封閉腔內的氣體壓力隨外界溫度的變化而變化，從而帶動針閥機構實現制冷流量的調節。這種制冷器目前在技術上比較成熟，應用也比較廣泛。但是，目前這種制冷器還存在兩大問題難以克服。第一，穩定性問題。制冷器調節機構為波紋管，由于波紋管本身是彈性元件，在制冷器經過多次測試及外界環境的變化，自身長度及剛度均易發生變化。統計表明，該類型制冷器在使用及存放過程中經常有產品流量參數超差現象，嚴重影響用戶的使用。第二，壽命問題。按照設計原理，壽命期內波紋管調節機構氣體泄漏量必須小于規定值，充氣量必須滿足要求，由于在裝配過程中無法做到對每一支制冷器進行精確控制，再加上波紋管本身長時間氣密性也很難保證，必然有產品存在漏氣現象從而喪失自調功能。

近年來，形狀記憶合金作為調節機構的主要零件材料，成為眾多研究方向中最矚目的一個。它實際上是利用了該種材料隨溫度變化而表現出來的形狀記憶效應，從而達到對制冷器針閥機構開度的控制，實現制冷器流量的調節。?

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

2 形狀記憶合金自調裝置調節原理

2.1 記憶合金機理

形狀記憶合金作為一種新型功能材料為人們所認知始于1963年，美國的海軍武器實驗室在一次偶然的情況下發現TiNi合金具有良好的形狀記憶效應。到目前，從國外的研究成果來看，具有形狀記憶效應的材料體系約有50多種。

一般金屬材料受到外力作用后，首先發生彈性變形，達到屈服點，金屬就產生塑性變形，應力消除后就留下永久變形，有些金屬材料，在發生塑性變形后，經過加熱到某一溫度之上，能夠恢復到變形前的形狀，這種現象叫形狀記憶效應，如圖2所示。具有形狀記憶效應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Fig.2 shape memory effect

2.2 形狀記憶合金彈簧自動調節原理

利用記憶合金材料做成的自動調節機構原理如下:一個普通的偏壓彈簧和一個記憶合金感溫彈簧串聯成為一個彈簧機構，兩端固定，整個機構預先受壓，如圖3所示。控制針閥開度的閥針固定在彈簧機構上，可以隨彈簧機構的運動在一定范圍內動作。在本文中敘述的自調機構的工作過程可以簡單描述為:高溫(常溫)時閥是開啟的，制冷工質通過節流閥制冷，當到達一定的低溫時，記憶合金感溫彈簧的金相組織發生變化，感溫彈簧的彈性系數變小，而偏壓彈簧沒有顯著變化，于是彈簧機構打破平衡狀態，偏壓彈簧伸長，感溫彈簧受壓縮，直到達到新的平衡狀態。在此過程中閥針隨彈簧機構一起動作，節流閥的開度減小。如果制冷工質流量過小造成溫度上升，則感溫彈簧的彈性系數變大，驅動整個機構復原，節流閥開度增大，工質流量增大。如此反復工作，將節流閥的開度控制在一個合適的范圍內，制冷溫度也達到穩定。

圖3 形狀記憶合金彈簧自動調節裝置示意圖Fig.3 sketch of self－ regulated device with SMA

從記憶合金彈簧調節裝置的工作原理中可以看出該種調節方式具有結構緊湊，工作可靠性高等優點。與其他調節方式相比較，可調節范圍大，尺寸可以設計得非常小，易于微型化，對溫度十分敏感，產生的調節變形力大。

3 記憶合金型自調制冷器特點

記憶合金材料本身具有伸縮的記憶效應，為了增加該記憶效應的效果，可以適當加大材料的長度。經過多年來國內外學者的實驗與研究，根據節流制冷器結構尺寸的不同，開發出多種形狀的記憶合金調節機構，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Air Liquide公司為Sofradir公司開發并應用的。圖4是采用此墊圈的扁平結構的制冷器［2］，圖5是采用此墊圈的圓柱形制冷器，圖6中的自調機構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構Fig.6 sketch of device with spring SMA

從上面的介紹中，可以看出，與傳統波紋管自調式制冷器相比，記憶合金具有結構簡單、裝調方便、通用性好等特點，特別是沒有類似于波紋管結構的封閉腔室，不存在泄漏問題，制冷器存放壽命長，特別適合空空導彈。記憶合金結構還具有結構小巧、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)全系列圓柱結構制冷器、塔形制冷器、扁平制冷器等各種制冷器，拓寬了節流制冷器在紅外領域的應用，大大降低了節流制冷器的開發成本。原始零件的制造和裝配程序都要簡單得多，在裝配之前，在專用結構上對記憶合金元件進行簡單的檢驗而不用進行復雜的檢漏程序。

通過調研國內外相關文獻資料，記憶合金型制冷器有很多種不同規格的尺寸，一般來說所達到的技術指標歸納如下表1［4］。

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

4 國內低溫記憶合金的研究現狀

近年來形狀記憶合金研究所取得的進展主要體現在以NiTi、Cu基和Fe基形狀記憶合金開發應用所進行的基礎研究及新型合金特別是高溫形狀記憶合金的探索上。國內外形狀記憶合金的研究均已進入應用研究階段。Ni－Ti基記憶合金性能優異，但價格昂貴;鐵基記憶合金雖價格低廉，但存在恢復力低，應力松弛等問題，應用可靠性有待提高。與Ni－Ti基記憶合金相比，銅基記憶合金價格低廉，導熱性能好，記憶應變與恢復力也很高，并且它容易加工。但銅基形狀記憶合金也存在一些問題，主要是晶粒粗大、熱穩定性差、塑性低、熱循環及長期時效后會發生馬氏體穩定化現象，從而使合金由馬氏體到母相的逆相變溫度升高，形狀記憶效應減小甚至喪失。

另外，形狀記憶合金雖然已經廣泛應用于航空、航天等各個領域，但其形狀記憶效應均發生在173～473 K范圍內。由于某些技術領域的需求，如紅外探測器所需的節流制冷器，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控制其高壓氣流，國內之前也幾乎沒有相關低溫領域下形狀記憶合金的應用研究，國外也只有少數幾個國家具備此項技術，而且限于保密，公開發表的很少。

為了克服這些困難，彌補低溫形狀記憶合金相關領域的空白，華北光電技術研究所和相關研究機構共同開發出一種塑性極好的特殊成分的Cu基形狀記憶合金，用來應用在深低溫領域。此Cu基合金有更好的記憶性能、耐蝕性能和抗拉強度，是一種有實際應用價值的記憶合金。目前相關文獻和公布的資料來看，普通Cu基合金的形狀記憶效應溫度一般在 173～473 K范圍內［5］。通過調節合金成分，能夠使該Cu基合金獲得低溫(100～120 K)形狀記憶效應［6］。到目前為止，應用在100 K左右的低溫形狀記憶合金已經初步研制出成品，正在進行進一步的研究。

5 結論與展望

節流制冷技術將是今后20年紅外探測器強有力的制冷方法，隨著可靠性和成本的要求提高，節流制冷器的作用、責任也隨之改變，新的應用如低成本高技術導彈系統和野外可維護的監視系統將繼續需要節流制冷器。低成本(＜500美元)制冷器將得到大量的國內應用需求;我們的發展方向要緊跟國際形勢，新結構制冷器如扁平結構、錐形結構等將發展以滿足快速啟動大直徑焦平面探測器的應用。

而形狀記憶合金自調式節流制冷器相對于其他自調式節流制冷器體積更為小巧，重量可以更為輕便，結構更為緊湊，可以實現短小及扁平化。記憶合金彈簧量產后，價格可以大大降低為幾十美元一個，整個節流制冷器的成本就會大大降低，非常符合未來制冷器發展的需要。

［1］ 楊杰.形狀記憶合金及其應用［M］.合肥:中國科學技術大學出版社，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.節流制冷器用記憶合金研究［J］.低溫技術，2009，37:7 －10.

［4］ SUN Weiguo.Air to air missile photo － detectors design［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2006.(in Chinese)孫維國.空空導彈光電探測器設計［M］.北京:國防工業出版社，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)李崇劍.Cu－Al－Mn系低溫形狀記憶合金的微結構研究［J］.有色金屬，2007，59:4 －7.