李凌霄，張　鎧，曲家闖，汪　洋

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州　730000）

斯特林制冷機(jī)污染失效研究進(jìn)展

李凌霄，張鎧，曲家闖，汪洋

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000）

斯特林制冷機(jī)內(nèi)部放氣造成的失效嚴(yán)重影響制冷機(jī)壽命。制冷機(jī)內(nèi)部放氣氣體會(huì)在回?zé)崞骼涠思芭蛎浨坏蜏乇砻婺Y(jié)，降低回?zé)崞鞯幕責(zé)嵝屎屠漕^換熱面?zhèn)鳠崮芰?，并加大制冷工質(zhì)流動(dòng)阻力。主要介紹了斯特林制冷機(jī)加速壽命試驗(yàn)和污染放氣模擬數(shù)值計(jì)算方法等，提出了制冷機(jī)污染失效研究發(fā)展方向。對今后主要研究方向進(jìn)行了展望。

斯特林制冷機(jī)；回?zé)崞?；污染失?/p>

0　引言

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，許多儀器的運(yùn)行和發(fā)展都離不開低溫制冷技術(shù)，例如紅外探測器件、低溫電子元器件、低溫冷凝真空泵、超導(dǎo)磁體和核磁共振成像儀等都需要符合要求的低溫制冷機(jī)來提供低溫工作條件［1］。應(yīng)用于空間的低溫制冷機(jī)需要有適宜的制冷溫度、足夠的制冷量、長壽命、高可靠、較低的制造成本和運(yùn)行成本，以及最大程度降低振動(dòng)、噪聲和電磁干擾的影響。經(jīng)過大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究及長期的競爭開發(fā)和評估，斯特林制冷機(jī)成為眾多空間機(jī)械制冷機(jī)中的代表，已成為可應(yīng)用于空間天文科學(xué)、對地觀測遙感及導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)中最緊湊、效率最高的空間制冷設(shè)備。

空間制冷設(shè)備要求具有很高的可靠性和3年以上的工作壽命。對于空間低溫制冷機(jī)來說維修是不現(xiàn)實(shí)的，因此空間制冷機(jī)的MTBF（平均無故障壽命）必須滿足航天器工作任務(wù)壽命指標(biāo)要求，可靠性指標(biāo)需達(dá)到0.99以上［2］?，F(xiàn)在空間應(yīng)用的牛津型斯特林制冷機(jī)均采用柔性板彈簧支撐結(jié)構(gòu)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)和間隙密封技術(shù)等技術(shù)，并采用全焊接結(jié)構(gòu)，隨著材料與工藝的改進(jìn)，使得制冷機(jī)的疲勞、磨損和泄漏引起的失效可以降低到最小，引起斯特林制冷機(jī)失效的主要因素是制冷工質(zhì)的污染；低溫制冷機(jī)內(nèi)部污染源可分為自由氣體污染和約束氣體污染兩大類［3］。

1　斯特林制冷機(jī)失效機(jī)理與壽命試驗(yàn)研究

斯特林制冷機(jī)由污染氣體在低溫表面沉積引起的失效是制約其性能提高的重要因素。目前對斯特林制冷機(jī)失效機(jī)理的研究主要從污染氣體分子擴(kuò)散過程計(jì)算、非金屬材料放氣特性、物理建模數(shù)值仿真等方面展開，試驗(yàn)主要以加速壽命試驗(yàn)、在線性能監(jiān)測診斷為主要試驗(yàn)方法。

1.1國外斯特林制冷機(jī)污染失效研究

目前國外對斯特林制冷機(jī)污染的研究主要從壽命加速試驗(yàn)、制冷機(jī)內(nèi)部放氣機(jī)理等方面開展工作。烏克蘭國家低溫物理實(shí)驗(yàn)室的Getmanetz等［4］基于Bae公司制造的斯特林型制冷機(jī)針對低溫污染物沉積造成的回?zé)崞鞫氯麊栴}進(jìn)行了壽命加速試驗(yàn)，通過2臺(tái)不同工作頻率（1臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)頻率，1臺(tái)高頻）斯特林制冷機(jī)，利用Helium Complex Stand成套設(shè)備及質(zhì)譜儀、溫控箱等設(shè)備，采用在線向制冷機(jī)工質(zhì)氣體內(nèi)添加預(yù)定量的水蒸氣、CO、CO2等污染氣體，加速模擬制冷機(jī)在污染工質(zhì)工況下對功耗、制冷量、振動(dòng)等方面的影響，通過相關(guān)理論進(jìn)行分析，以此為依據(jù)最終預(yù)測實(shí)際運(yùn)行10年時(shí)間的斯特林制冷機(jī)中污染氣體對其影響。

實(shí)驗(yàn)采用2臺(tái)牛津型斯特林制冷機(jī)，1套HCS設(shè)備，質(zhì)譜計(jì)，2臺(tái)熱控箱，1套蒸氣發(fā)生器，污染沉積收集單元及相關(guān)配套閥門與管路。

試驗(yàn)開始首先利用蒸氣發(fā)生器向制冷機(jī)內(nèi)充入定量水蒸氣。將制冷機(jī)抽真空，并利用熱控箱降溫至-40～-20℃；通過蒸氣容器的壓降監(jiān)視充入的水蒸氣量；利用一個(gè)容器混合定量污染氣體和純凈氦氣，對污染氣體的分壓進(jìn)行監(jiān)視并計(jì)算使其滿足實(shí)驗(yàn)要求；將混合有污染氣體的“污染”工質(zhì)充入制冷機(jī)并達(dá)到工作壓力，之后使制冷機(jī)在污染工況下運(yùn)行，并記錄制冷溫度、能耗、振動(dòng)等相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，獲得制冷機(jī)長壽命運(yùn)行下污染對其影響的相關(guān)結(jié)論。本試驗(yàn)未給出污染對于斯特林制冷機(jī)失效的理論分析。

BAE公司的Yuan等［5-6］針對斯特林制冷機(jī)運(yùn)行內(nèi)部放氣機(jī)理進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)隨著斯特林制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增加，制冷機(jī)內(nèi)污染物濃度也會(huì)隨之增加，但是濃度增加不是隨時(shí)間線性增加，濃度曲線呈指數(shù)形式，并且與溫度有關(guān)，并給出了制冷機(jī)內(nèi)污染物濃度隨時(shí)間與溫度變化的函數(shù)：

式中：B、A為常數(shù)。

圖1是制冷機(jī)內(nèi)部污染物丙酮濃度在不同溫度下隨時(shí)間變化的曲線。由圖可以看出，隨著制冷機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增加，污染物濃度呈指數(shù)形式上升，并且隨著溫度的升高，污染物濃度增加速率會(huì)變大。

圖1　制冷機(jī)內(nèi)部污染物丙酮濃度在不同溫度下隨時(shí)間變化的曲線圖

美國JPL實(shí)驗(yàn)室的Ross等［7］對斯特林制冷機(jī)工質(zhì)在長時(shí)間運(yùn)行中污染氣體對制冷機(jī)性能影響進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)和研究，闡述了長壽命制冷機(jī)中由于冷凝和放氣造成污染使得制冷機(jī)低溫表面輻射率上升引起熱損失。在ISAMS飛行試驗(yàn)中采用2臺(tái)牛津型斯特林制冷機(jī)，將紅外探測器溫度維持在80 K左右。在制冷機(jī)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，探測器溫度會(huì)以每3周5 K的幅度上升。此溫度上升的原因?yàn)槲廴疚锍练e在膨脹機(jī)冷端表面，導(dǎo)致制冷溫度上升。隨著時(shí)間推移，污染沉積速率會(huì)逐漸放緩。在制冷機(jī)運(yùn)行1年后，需要2～3個(gè)月才會(huì)產(chǎn)生5 K的溫升。為了進(jìn)一步研究，開展了另外兩個(gè)試驗(yàn)：MOPITT飛行試驗(yàn)和TRW斯特林制冷機(jī)長壽命試驗(yàn)。在MOPITT飛行試驗(yàn)中，使用了2臺(tái)BAe生產(chǎn)的50～80 K斯特林制冷機(jī)冷卻紅外探測器。

圖2為MOPITT飛行試驗(yàn)中，2臺(tái)BAe生產(chǎn)50～80 K斯特林制冷機(jī)活塞行程、輸入功率、冷指負(fù)載及冷端溫度關(guān)系圖。由圖可以看出，2臺(tái)制冷機(jī)在運(yùn)行150天之后，活塞行程由6.4 mm上升至6.9 mm，并且#1制冷機(jī)負(fù)載上升了130 mW（8%），#2制冷機(jī)負(fù)載上升了230 mW（15%）。

圖2　BAe斯特林制冷機(jī)活塞行程、輸入功率、冷指負(fù)載以及冷端溫度關(guān)系圖

第三項(xiàng)試驗(yàn)是在TRW制冷機(jī)壽命試驗(yàn)中，利用一個(gè)真空罐對1臺(tái)BAE研制的80 K斯特林制冷機(jī)進(jìn)行了170天的壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)制冷機(jī)冷端溫度呈現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定5.48 K/年上升的趨勢。制冷機(jī)性能的下降可以歸結(jié)為污染物在低溫表面沉積的結(jié)果，這個(gè)結(jié)果同ISAMS和MOPITT所得到的結(jié)果相類似。根據(jù)計(jì)算給出了輻射率變化規(guī)律［8］：

Ross等［9］指出盡管試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本較小，但仍然可以預(yù)計(jì)在軌斯特林制冷機(jī)由于污染物在低溫表面的沉積而引起負(fù)載10%～20%的上升。現(xiàn)行有效的對應(yīng)方法是將低溫表面加熱至室溫以使沉積的污染物逸出，但是這種強(qiáng)度的熱力循環(huán)會(huì)造成探測器及其他制冷機(jī)組件機(jī)械疲勞損傷。為了應(yīng)對污染物在低溫表面沉積造成的制冷機(jī)失效，制冷機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮在運(yùn)行中負(fù)載10%～20%上升的余量，以避免污染物沉積導(dǎo)致制冷機(jī)失效。

1.2國內(nèi)斯特林制冷機(jī)污染研究

楊寶玉等［10］利用在線向制冷機(jī)內(nèi)添加定量污染物的方法，進(jìn)行了斯特林制冷機(jī)壽命加速試驗(yàn)，得到了一系列污染與制冷性能衰變關(guān)系的量化規(guī)律，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析：（1）加入污染后，制冷性能首先稍微增強(qiáng)，然后在很大一段范圍內(nèi)性能下降不明顯，污染增加到一定程度后出現(xiàn)致命衰減；（2）酒精對制冷機(jī)破壞力最強(qiáng)，在3l mg時(shí)使制冷性能出現(xiàn)了40%以上衰減，水蒸氣與丙酮分別在7 mg與114 mg時(shí)使制冷性能出現(xiàn)類似衰減；（3）加入污染后制冷機(jī)的降溫速率出現(xiàn)了延遲。還利用蒙特卡羅方法對污染氣體在制冷機(jī)內(nèi)復(fù)雜的傳質(zhì)擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬計(jì)算，分析了污染氣體在回?zé)崞髦械哪Y(jié)對制冷機(jī)性能的影響。楊少華等［11］通過建立冷頭溫升的時(shí)間關(guān)系，提出了參數(shù)退化的物理模型如式（3）：

式中：TC為冷頭溫度；TC0為初始制冷溫度；TCE為冷頭溫度的最終退化量；A為冷頭退化溫度的時(shí)間特征常數(shù)；t為工作時(shí)間。并通過60℃高溫加速壽命試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到式（4）：

因上述模型是高溫運(yùn)行條件下的退化公式，需要外推常溫下的冷端溫度退化量。根據(jù)斯特林制冷機(jī)內(nèi)部不同溫度出氣式（5）［12］：

可推出60℃環(huán)境下制冷機(jī)內(nèi)部最終出氣量是23℃時(shí)的6.65倍。

何雅玲［13］教授對小型斯特林制冷機(jī)污染失效進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析。分析了水蒸氣在回?zé)崞鲀?nèi)低溫表面的結(jié)晶生長過程，定量分析了結(jié)晶生長期的孔隙率和密度變化與時(shí)間的關(guān)系，并提出了三種水蒸氣在低溫表面沉積的理想模型：均勻分布、線性分布1、線性分布2。三種模型假定水蒸氣低溫沉積層沿回?zé)崞鲝较蚍植肌＞鶆蚍植寄Ｐ椭兴魵獬练e在回?zé)崞髦谐示鶆蚍植紶顟B(tài)，厚度在回?zé)崞鲝较驘o變化；線性分布1模型中水蒸氣沉積層厚度在回?zé)崞鲝较虺蔬f增狀態(tài)；線性分布2模型中水蒸氣沉積層厚度在回?zé)崞鲝较虺蔬f減狀態(tài)，如圖3、4所示。根據(jù)三種分布模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析［14］，指出斯特林制冷機(jī)在連續(xù)工作時(shí)，低溫水蒸氣凝結(jié)層若為均勻分布，則制冷機(jī)在631 h失效；若凝結(jié)層為線性分布，則不會(huì)失效；斯特林制冷機(jī)關(guān)機(jī)再啟動(dòng)，制冷機(jī)回?zé)崞鲀?nèi)水蒸氣低溫沉積方式為均勻分布，當(dāng)凝結(jié)質(zhì)量為7.05 mg，制冷量下降10%；當(dāng)凝結(jié)質(zhì)量達(dá)到41.2 mg，制冷機(jī)失去制冷能力，如圖5所示。

圖3　凝結(jié)層孔隙率（△ε）與密度隨時(shí)間變化關(guān)系圖

2　斯特林制冷機(jī)污染失效研究展望

隨著斯特林制冷機(jī)工作壽命要求的不斷提高，國內(nèi)外對斯特林制冷機(jī)性能衰減的研究也進(jìn)行了大量工作。如今斯特林制冷機(jī)內(nèi)部放氣污染造成的性能衰減乃至失效是制約斯特林制冷機(jī)壽命提高的最關(guān)鍵因素。實(shí)際工程中對于斯特林制冷機(jī)的污染失效防治手段還處于經(jīng)驗(yàn)摸索階段，大多致力于高精密高潔凈度的裝配工藝、材料選擇、器件隔離、源氣提純、高溫烘烤除氣等前期處理手段［15］只能令斯特林制冷機(jī)污染失效得到一定程度上的延緩，還無法達(dá)到長壽命斯特林制冷機(jī)的要求。通過調(diào)研文獻(xiàn)研究國內(nèi)外對于污染失效的研究進(jìn)展，提出三個(gè)方面對斯特林制冷機(jī)污染失效的深入研究。

圖4　不同低溫沉積模型下制冷機(jī)連續(xù)運(yùn)行制冷量隨時(shí)間變化關(guān)系

圖5　關(guān)機(jī)再啟斯特林制冷機(jī)制冷量與水蒸氣沉積量關(guān)系

2.1斯特林制冷機(jī)非金屬材料放氣分析

國內(nèi)外已有大量關(guān)于制冷機(jī)內(nèi)部放氣種類的定性分析［16］，主要種類為水蒸氣、丙酮、酒精、二氧化碳等。但目前的研究僅限于對氣體種類的分析，并沒有特定材料析出氣體的定量分析研究。在制冷機(jī)工藝趨于成熟結(jié)構(gòu)和模塊化的今天，對于制冷機(jī)內(nèi)部析出氣體的定量分析顯得尤為重要［17］。對于同一型號的制冷機(jī)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化并不顯著，通過對內(nèi)部放氣研究，得到制冷機(jī)所使用單類非金屬材料關(guān)于時(shí)間的放氣量函數(shù)m0=f｛T，t，B｝（m0放氣量；T為溫度；t為時(shí)間；B為非金屬材料相關(guān)系數(shù)），就可以對制冷機(jī)放氣源對于壽命影響進(jìn)行定量分析，從而在不影響制冷機(jī)性能情況下，通過改進(jìn)非金屬材料用量和種類提高制冷機(jī)壽命。

2.2污染氣體傳輸、擴(kuò)散、低溫表面凝結(jié)吸附機(jī)理研究

污染氣體在制冷機(jī)內(nèi)部析出擴(kuò)散直至在冷表面冷凝吸附，增大流阻降低傳熱引起制冷機(jī)性能衰減是一個(gè)非常復(fù)雜的過程［18］，尤其是污染氣體分子在高壓氦工質(zhì)內(nèi)的傳輸擴(kuò)散和在低溫表面的吸附結(jié)晶過程目前沒有明確的理論計(jì)算模型，現(xiàn)有方法直接模擬蒙特卡洛（DSMC）方法［19］來計(jì)算污染氣體的擴(kuò)散過程計(jì)算量過大，并帶來很大信噪比。對污染氣體在制冷機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生、擴(kuò)散直到在回?zé)崞鲀?nèi)凝結(jié)吸附的整個(gè)動(dòng)態(tài)過程和物理模型計(jì)算仍然需要大量工作。

2.3污染失效物理計(jì)算模型與仿真研究

利用商業(yè)有限元仿真軟件如Fluent、Ansys等建立簡單物理模型，對污染造成的制冷機(jī)制冷性能衰減過程進(jìn)行仿真計(jì)算也是一個(gè)研究重點(diǎn)。傳統(tǒng)試驗(yàn)只能看到污染所造成的性能衰減結(jié)果，有限元仿真計(jì)算能夠考慮到具體系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu)問題，計(jì)算模型能夠更加接近真實(shí)情況，內(nèi)部流場分析也更加清楚。利用斯特林制冷機(jī)圓筒形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立模型時(shí)簡化為二維平面模型，減少計(jì)算量。計(jì)算時(shí)可以采用有限體積法FVM［20］，但制冷機(jī)內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，需要定義流固邊界傳熱方程、氣體運(yùn)動(dòng)方程、流動(dòng)阻力等參數(shù)才可以得到比較精確的結(jié)果。

3　結(jié)束語

隨著斯特林制冷機(jī)工作壽命要求的不斷提高，國內(nèi)外對斯特林制冷機(jī)性能衰減的研究也進(jìn)行了大量工作。如今斯特林制冷機(jī)內(nèi)部放氣污染造成的性能衰減乃至失效是制約斯特林制冷機(jī)壽命提高的最關(guān)鍵因素。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和科研人員的不斷攻堅(jiān)，斯特林制冷機(jī)內(nèi)部污染氣體的傳輸機(jī)理與低溫表面吸附凝結(jié)機(jī)理、污染失效物理計(jì)算模型、非金屬材料放氣分析等方面必將取得長足進(jìn)展，為我國空間制冷技術(shù)的發(fā)展解決一些關(guān)鍵難題。

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STIRLING CRYOCOOLER CONTAMINATION FAILURE RESEARCH

LI Ling-xiao，ZHANG Kai，QU Jia-chuang，WANG Yang
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China）

Contamination caused by stirling cryocooler outgassing becomes a crucial factor that impacts cryocooler′s life.Concaminants in cryocooler will leads to the rubbing of mechanical parts or blockage of flow，which in turn reduces cooler life and/or degrades performance.Accelerated lifetime evaluation technique and numerical analytical methods were introduced.Some suggestions and techniques about cryoclooler contamination failure were discussed.

stirling cryocooler；displacer；contamination failure

TB66

A

1006-7086（2015）06-0311-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.06.001

2015-09-23

李凌霄（1988-），男，甘肅白銀人，碩士研究生，主要從事空間制冷技術(shù)研究。E-mail：llxatgd@163.com。