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航天中MEMS斯特林制冷机

发布时间:2016/09/02浏览次数:939

  斯特林制冷,一种现有的热控制理论,在理论上可以实现最大效率的制冷。作为最少的组成部分,一个斯特林制冷机有密封的容器和少量气体作为工作媒介。一个自由活塞的斯特林制冷机组利用活塞压缩内部气体,利用排出器将气体从冷的一边向热的一边移动,此时发生热损耗。

  斯特林制冷机已经应有在许多空间计划中。长寿命的斯特林制冷机,不论是单级还是双机工作,可用作制冷设备的探测器。在空间应用上,红外波长和亚毫米图像设备的发展,需要未来在振动、电磁干扰和温度稳定上有所进步。斯特林制冷机将用于许多其他NASA计划中,如地球科学、天文学、微重力研究、星际科学研究和人类探索计划。这些对流制冷机设计有很长的任务寿命,高可靠性,低振动,尺寸小,质量轻,并且效率高。典型的制冷机重大约15kg。

  当航天器尺寸减小,换热器的结垢问题变的突出,在小型航天器上解决大功率换热问题变的更加困难。半导体工艺的能力加速进步,特别是微型系统的封装,提供了制冷技术向MEMS领域发展的机遇。已经有些应用于微型航天器计划的基于MEMS的制冷系统被提出来。

  Nakajima和他的小组研制出一种微型斯特林循环发动机,具有很高的热效率,这个发动机填充少量气体,可以在任何热源下工作,并且反向驱动后作为有效的制冷系统。热力效应机械之心器通常需要重新迁移热能,使其回复到以前的条件。由于热损耗与冷却量直接相关,因此微结构的热循环发生要远比宏观结构快。

  与此同时,NASA的研究中心制造出一种主动冷却和温度控制的MEMS器件。该主动冷却器件目的是服务于未来纳米或微米卫星计划,预测效率比现有的热电制冷机都要好。GRC的MEMS器件使用斯特林热力学循环,直接在一个热载荷表面提供冷却和加热。改器件卡在冷却模式下严格控制温度,并能够在毫秒级进行冷却或加热模式的切换,精确控制温度。可将这种直走和装配技术应用到半导体加工行业中。这种MEMS制冷机优点包括:微米级别的可伸缩性,模块化以提供能力,低温的分辨,接口简单,减少错误模式和引动最小振动。

  JHU/APL对工作模式的MEMS制冷器件进行了组装和蓄热室性能测试。改蓄热室尺寸为1cmX1cm。有Polar Technologies Commercial为NASA制造。压电驱动器(非MEMS)用来驱动模的压缩和伸展,膜时该装置唯一可动部分。膜偏离蓄热室的区域,以正弦移相控制的方式生产斯特林循环。