斯特林制冷机污染失效研究进展

李凌霄，张　铠，曲家闯，汪　洋

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州　730000）

斯特林制冷机污染失效研究进展

李凌霄，张铠，曲家闯，汪洋

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

斯特林制冷机内部放气造成的失效严重影响制冷机寿命。制冷机内部放气气体会在回热器冷端及膨胀腔低温表面凝结，降低回热器的回热效率和冷头换热面传热能力，并加大制冷工质流动阻力。主要介绍了斯特林制冷机加速寿命试验和污染放气模拟数值计算方法等，提出了制冷机污染失效研究发展方向。对今后主要研究方向进行了展望。

斯特林制冷机；回热器；污染失效

0　引言

现代科学技术中，许多仪器的运行和发展都离不开低温制冷技术，例如红外探测器件、低温电子元器件、低温冷凝真空泵、超导磁体和核磁共振成像仪等都需要符合要求的低温制冷机来提供低温工作条件［1］。应用于空间的低温制冷机需要有适宜的制冷温度、足够的制冷量、长寿命、高可靠、较低的制造成本和运行成本，以及最大程度降低振动、噪声和电磁干扰的影响。经过大量的理论与实验研究及长期的竞争开发和评估，斯特林制冷机成为众多空间机械制冷机中的代表，已成为可应用于空间天文科学、对地观测遥感及导弹制导系统中最紧凑、效率最高的空间制冷设备。

空间制冷设备要求具有很高的可靠性和3年以上的工作寿命。对于空间低温制冷机来说维修是不现实的，因此空间制冷机的MTBF（平均无故障寿命）必须满足航天器工作任务寿命指标要求，可靠性指标需达到0.99以上［2］。现在空间应用的牛津型斯特林制冷机均采用柔性板弹簧支撑结构、直线电机驱动和间隙密封技术等技术，并采用全焊接结构，随着材料与工艺的改进，使得制冷机的疲劳、磨损和泄漏引起的失效可以降低到最小，引起斯特林制冷机失效的主要因素是制冷工质的污染；低温制冷机内部污染源可分为自由气体污染和约束气体污染两大类［3］。

1　斯特林制冷机失效机理与寿命试验研究

斯特林制冷机由污染气体在低温表面沉积引起的失效是制约其性能提高的重要因素。目前对斯特林制冷机失效机理的研究主要从污染气体分子扩散过程计算、非金属材料放气特性、物理建模数值仿真等方面展开，试验主要以加速寿命试验、在线性能监测诊断为主要试验方法。

1.1国外斯特林制冷机污染失效研究

目前国外对斯特林制冷机污染的研究主要从寿命加速试验、制冷机内部放气机理等方面开展工作。乌克兰国家低温物理实验室的Getmanetz等［4］基于Bae公司制造的斯特林型制冷机针对低温污染物沉积造成的回热器堵塞问题进行了寿命加速试验，通过2台不同工作频率（1台标准频率，1台高频）斯特林制冷机，利用Helium Complex Stand成套设备及质谱仪、温控箱等设备，采用在线向制冷机工质气体内添加预定量的水蒸气、CO、CO2等污染气体，加速模拟制冷机在污染工质工况下对功耗、制冷量、振动等方面的影响，通过相关理论进行分析，以此为依据最终预测实际运行10年时间的斯特林制冷机中污染气体对其影响。

实验采用2台牛津型斯特林制冷机，1套HCS设备，质谱计，2台热控箱，1套蒸气发生器，污染沉积收集单元及相关配套阀门与管路。

试验开始首先利用蒸气发生器向制冷机内充入定量水蒸气。将制冷机抽真空，并利用热控箱降温至-40～-20℃；通过蒸气容器的压降监视充入的水蒸气量；利用一个容器混合定量污染气体和纯净氦气，对污染气体的分压进行监视并计算使其满足实验要求；将混合有污染气体的“污染”工质充入制冷机并达到工作压力，之后使制冷机在污染工况下运行，并记录制冷温度、能耗、振动等相关数据并进行分析，获得制冷机长寿命运行下污染对其影响的相关结论。本试验未给出污染对于斯特林制冷机失效的理论分析。

BAE公司的Yuan等［5-6］针对斯特林制冷机运行内部放气机理进行了研究。发现随着斯特林制冷机运行时间的增加，制冷机内污染物浓度也会随之增加，但是浓度增加不是随时间线性增加，浓度曲线呈指数形式，并且与温度有关，并给出了制冷机内污染物浓度随时间与温度变化的函数：

式中：B、A为常数。

图1是制冷机内部污染物丙酮浓度在不同温度下随时间变化的曲线。由图可以看出，随着制冷机运行时间的增加，污染物浓度呈指数形式上升，并且随着温度的升高，污染物浓度增加速率会变大。

图1　制冷机内部污染物丙酮浓度在不同温度下随时间变化的曲线图

美国JPL实验室的Ross等［7］对斯特林制冷机工质在长时间运行中污染气体对制冷机性能影响进行了一系列实验和研究，阐述了长寿命制冷机中由于冷凝和放气造成污染使得制冷机低温表面辐射率上升引起热损失。在ISAMS飞行试验中采用2台牛津型斯特林制冷机，将红外探测器温度维持在80 K左右。在制冷机运行中发现，探测器温度会以每3周5 K的幅度上升。此温度上升的原因为污染物沉积在膨胀机冷端表面，导致制冷温度上升。随着时间推移，污染沉积速率会逐渐放缓。在制冷机运行1年后，需要2～3个月才会产生5 K的温升。为了进一步研究，开展了另外两个试验：MOPITT飞行试验和TRW斯特林制冷机长寿命试验。在MOPITT飞行试验中，使用了2台BAe生产的50～80 K斯特林制冷机冷却红外探测器。

图2为MOPITT飞行试验中，2台BAe生产50～80 K斯特林制冷机活塞行程、输入功率、冷指负载及冷端温度关系图。由图可以看出，2台制冷机在运行150天之后，活塞行程由6.4 mm上升至6.9 mm，并且#1制冷机负载上升了130 mW（8%），#2制冷机负载上升了230 mW（15%）。

图2　BAe斯特林制冷机活塞行程、输入功率、冷指负载以及冷端温度关系图

第三项试验是在TRW制冷机寿命试验中，利用一个真空罐对1台BAE研制的80 K斯特林制冷机进行了170天的寿命试验。试验发现制冷机冷端温度呈现一个稳定5.48 K/年上升的趋势。制冷机性能的下降可以归结为污染物在低温表面沉积的结果，这个结果同ISAMS和MOPITT所得到的结果相类似。根据计算给出了辐射率变化规律［8］：

Ross等［9］指出尽管试验数据样本较小，但仍然可以预计在轨斯特林制冷机由于污染物在低温表面的沉积而引起负载10%～20%的上升。现行有效的对应方法是将低温表面加热至室温以使沉积的污染物逸出，但是这种强度的热力循环会造成探测器及其他制冷机组件机械疲劳损伤。为了应对污染物在低温表面沉积造成的制冷机失效，制冷机在设计时应考虑在运行中负载10%～20%上升的余量，以避免污染物沉积导致制冷机失效。

1.2国内斯特林制冷机污染研究

杨宝玉等［10］利用在线向制冷机内添加定量污染物的方法，进行了斯特林制冷机寿命加速试验，得到了一系列污染与制冷性能衰变关系的量化规律，并对实验结果进行分析：（1）加入污染后，制冷性能首先稍微增强，然后在很大一段范围内性能下降不明显，污染增加到一定程度后出现致命衰减；（2）酒精对制冷机破坏力最强，在3l mg时使制冷性能出现了40%以上衰减，水蒸气与丙酮分别在7 mg与114 mg时使制冷性能出现类似衰减；（3）加入污染后制冷机的降温速率出现了延迟。还利用蒙特卡罗方法对污染气体在制冷机内复杂的传质扩散过程进行模拟计算，分析了污染气体在回热器中的凝结对制冷机性能的影响。杨少华等［11］通过建立冷头温升的时间关系，提出了参数退化的物理模型如式（3）：

式中：TC为冷头温度；TC0为初始制冷温度；TCE为冷头温度的最终退化量；A为冷头退化温度的时间特征常数；t为工作时间。并通过60℃高温加速寿命试验所得数据进行拟合，得到式（4）：

因上述模型是高温运行条件下的退化公式，需要外推常温下的冷端温度退化量。根据斯特林制冷机内部不同温度出气式（5）［12］：

可推出60℃环境下制冷机内部最终出气量是23℃时的6.65倍。

何雅玲［13］教授对小型斯特林制冷机污染失效进行了数值计算分析。分析了水蒸气在回热器内低温表面的结晶生长过程，定量分析了结晶生长期的孔隙率和密度变化与时间的关系，并提出了三种水蒸气在低温表面沉积的理想模型：均匀分布、线性分布1、线性分布2。三种模型假定水蒸气低温沉积层沿回热器径向分布。均匀分布模型中水蒸气沉积在回热器中呈均匀分布状态，厚度在回热器径向无变化；线性分布1模型中水蒸气沉积层厚度在回热器径向呈递增状态；线性分布2模型中水蒸气沉积层厚度在回热器径向呈递减状态，如图3、4所示。根据三种分布模型进行数值计算分析［14］，指出斯特林制冷机在连续工作时，低温水蒸气凝结层若为均匀分布，则制冷机在631 h失效；若凝结层为线性分布，则不会失效；斯特林制冷机关机再启动，制冷机回热器内水蒸气低温沉积方式为均匀分布，当凝结质量为7.05 mg，制冷量下降10%；当凝结质量达到41.2 mg，制冷机失去制冷能力，如图5所示。

图3　凝结层孔隙率（△ε）与密度随时间变化关系图

2　斯特林制冷机污染失效研究展望

随着斯特林制冷机工作寿命要求的不断提高，国内外对斯特林制冷机性能衰减的研究也进行了大量工作。如今斯特林制冷机内部放气污染造成的性能衰减乃至失效是制约斯特林制冷机寿命提高的最关键因素。实际工程中对于斯特林制冷机的污染失效防治手段还处于经验摸索阶段，大多致力于高精密高洁净度的装配工艺、材料选择、器件隔离、源气提纯、高温烘烤除气等前期处理手段［15］只能令斯特林制冷机污染失效得到一定程度上的延缓，还无法达到长寿命斯特林制冷机的要求。通过调研文献研究国内外对于污染失效的研究进展，提出三个方面对斯特林制冷机污染失效的深入研究。

图4　不同低温沉积模型下制冷机连续运行制冷量随时间变化关系

图5　关机再启斯特林制冷机制冷量与水蒸气沉积量关系

2.1斯特林制冷机非金属材料放气分析

国内外已有大量关于制冷机内部放气种类的定性分析［16］，主要种类为水蒸气、丙酮、酒精、二氧化碳等。但目前的研究仅限于对气体种类的分析，并没有特定材料析出气体的定量分析研究。在制冷机工艺趋于成熟结构和模块化的今天，对于制冷机内部析出气体的定量分析显得尤为重要［17］。对于同一型号的制冷机，内部结构变化并不显著，通过对内部放气研究，得到制冷机所使用单类非金属材料关于时间的放气量函数m0=f｛T，t，B｝（m0放气量；T为温度；t为时间；B为非金属材料相关系数），就可以对制冷机放气源对于寿命影响进行定量分析，从而在不影响制冷机性能情况下，通过改进非金属材料用量和种类提高制冷机寿命。

2.2污染气体传输、扩散、低温表面凝结吸附机理研究

污染气体在制冷机内部析出扩散直至在冷表面冷凝吸附，增大流阻降低传热引起制冷机性能衰减是一个非常复杂的过程［18］，尤其是污染气体分子在高压氦工质内的传输扩散和在低温表面的吸附结晶过程目前没有明确的理论计算模型，现有方法直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法［19］来计算污染气体的扩散过程计算量过大，并带来很大信噪比。对污染气体在制冷机内部产生、扩散直到在回热器内凝结吸附的整个动态过程和物理模型计算仍然需要大量工作。

2.3污染失效物理计算模型与仿真研究

利用商业有限元仿真软件如Fluent、Ansys等建立简单物理模型，对污染造成的制冷机制冷性能衰减过程进行仿真计算也是一个研究重点。传统试验只能看到污染所造成的性能衰减结果，有限元仿真计算能够考虑到具体系统的局部结构问题，计算模型能够更加接近真实情况，内部流场分析也更加清楚。利用斯特林制冷机圆筒形结构特点，建立模型时简化为二维平面模型，减少计算量。计算时可以采用有限体积法FVM［20］，但制冷机内部流动复杂，需要定义流固边界传热方程、气体运动方程、流动阻力等参数才可以得到比较精确的结果。

3　结束语

随着斯特林制冷机工作寿命要求的不断提高，国内外对斯特林制冷机性能衰减的研究也进行了大量工作。如今斯特林制冷机内部放气污染造成的性能衰减乃至失效是制约斯特林制冷机寿命提高的最关键因素。随着技术的不断发展和科研人员的不断攻坚，斯特林制冷机内部污染气体的传输机理与低温表面吸附凝结机理、污染失效物理计算模型、非金属材料放气分析等方面必将取得长足进展，为我国空间制冷技术的发展解决一些关键难题。

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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，甘肃白银人，硕士研究生，主要从事空间制冷技术研究。E-mail：llxatgd@163.com。