微型斯特林制冷機(jī)可靠性現(xiàn)狀及趨勢(shì)

陳曉屏

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

1 引言

微型斯特林制冷機(jī)具有效率高、體積小、質(zhì)量輕、啟動(dòng)較快、振動(dòng)低、工作溫度寬等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于車(chē)載、機(jī)載、艦載軍事紅外系統(tǒng)。隨著紅外探測(cè)器的快速發(fā)展，熱像系統(tǒng)對(duì)制冷機(jī)的性能及可靠性提出了更高要求，各國(guó)制冷機(jī)制造商都在努力提高其產(chǎn)品可靠性水平。作者首先闡述了可靠性的一些基本知識(shí)，之后介紹了RICOR、Thales Cryogenics和BAE等幾家公司對(duì)斯特林制冷機(jī)可靠性預(yù)測(cè)方法。同時(shí)還詳細(xì)介紹了從上個(gè)世紀(jì)50年代至今國(guó)內(nèi)外軍用微型制冷機(jī)可靠性水平的增長(zhǎng)情況及其發(fā)展趨勢(shì)。最后介紹了一些制冷機(jī)常用的可靠性加速方法。對(duì)于高成本、高可靠性的航天用微型斯特林制冷機(jī)本文不予討論。

2 微型斯特林制冷機(jī)可靠性基本概念

2.1 基本概念

可靠性的技術(shù)指標(biāo)主要有置信度、失效率、平均無(wú)故障工作時(shí)間、平均失效前時(shí)間、有效度等?？己怂固亓种评錂C(jī)可靠性最基本指標(biāo)就是MTBF（Mean Time Between Failures平均無(wú)故障工作時(shí)間）或MTTF（Mean Time To Failure平均失效前時(shí)間）。MTBF是針對(duì)可修復(fù)系統(tǒng)而言的，而MTTF主要針對(duì)不可修復(fù)系統(tǒng)。對(duì)應(yīng)于浴盆曲線，MTBF描述偶然失效區(qū)的失效，而MTTF描述耗損區(qū)的失效情況。

在1983年以前，一般以MTBF來(lái)描述制冷機(jī)的可靠性，認(rèn)為制冷機(jī)的失效屬于隨機(jī)失效模式。隨著制冷機(jī)可靠性水平的提高和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的積累，發(fā)現(xiàn)制冷機(jī)的主要失效機(jī)理如制冷機(jī)污染和部件老化磨損等都與時(shí)間有關(guān)，屬于耗損失效模式，所以目前通用MTTF來(lái)描述制冷機(jī)的可靠性。在近期文獻(xiàn)上還出現(xiàn)以MTTFF（Mean Time To First Failure）評(píng)價(jià)制冷機(jī)可靠性，它在數(shù)值上等于MTTF，但進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)制冷機(jī)的非維修性質(zhì)，對(duì)于軍用裝備來(lái)說(shuō)，這樣的定義更為嚴(yán)格和實(shí)用[1]。

2.2 制冷機(jī)可靠性常用計(jì)算方法

目前世界上比較先進(jìn)的制冷機(jī)公司在斯特林制冷機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)后都會(huì)對(duì)其可靠性進(jìn)行預(yù)估，每個(gè)公司對(duì)其產(chǎn)品所采用的預(yù)估方法都不一樣。

2.2.1 RICOR公司

RICOR公司對(duì)整體集成式斯特林制冷機(jī)采用Weibul（l威布爾）概率分布來(lái)預(yù)估制冷機(jī)的壽命，采用威布爾分布預(yù)估壽命需要基于相近的制冷機(jī)測(cè)試壽命[2]。如該公司對(duì)K560制冷機(jī)預(yù)估壽命方法為：

1）假設(shè)該威布爾分布的形狀參數(shù)β≌7.5。

2）假設(shè)該威布爾分布的比例參數(shù)α=5 780 h。

由以上2個(gè)參數(shù)可以得到預(yù)估的K560制冷機(jī)可靠性為5 430 h。

2.2.2 Thales Cryogenics公司

Thales Cryogenics公司也采用Weibul（l威布爾）概率分布來(lái)預(yù)估制冷機(jī)的壽命[3]。Thales Cryogenics公司認(rèn)為在制冷機(jī)中要想獲得所有零部件的可靠性是比較困難的。如有該部件的失效數(shù)據(jù)，則MTTF=∑（運(yùn)行時(shí)間）/失效的數(shù)目；如沒(méi)有該部件的失效數(shù)據(jù)，則MTTF=∑（運(yùn)行時(shí)間）。如對(duì)RM2/01制冷機(jī)的可靠性，Thales Cryogenics公司計(jì)算了軸承失效時(shí)間、制冷機(jī)密封失效時(shí)間、驅(qū)動(dòng)控制器失效時(shí)間、氣體污染失效時(shí)間和活塞磨損失效時(shí)間。各部件的失效比例依據(jù)Thales Cryogenics的經(jīng)驗(yàn)獲得。最后就可計(jì)算得到RM2/01制冷機(jī)的可靠性。

2.2.3 BAE System公司

BAE System公司采用功率時(shí)間法來(lái)預(yù)估制冷機(jī)的壽命[4]。根據(jù)這個(gè)方法，一臺(tái)制冷機(jī)的總耗能（比如制冷機(jī)的平均輸入功耗和總運(yùn)行時(shí)間的乘積）是一定的。在實(shí)際的制冷機(jī)測(cè)試過(guò)程中，作為隨時(shí)間變化的制冷機(jī)輸入功率將被提高，由此可通過(guò)積分計(jì)算壽命測(cè)試曲線得到制冷機(jī)的總耗能。采用這種方法計(jì)算制冷機(jī)壽命的缺點(diǎn)，在于它需要知道制冷機(jī)的壽命測(cè)試功率曲線。

3 國(guó)外斯特林制冷機(jī)可靠性發(fā)展情況

國(guó)外長(zhǎng)壽命制冷機(jī)可靠性由20世紀(jì)60年代幾千小時(shí)發(fā)展到現(xiàn)在的100 000 h。目前國(guó)內(nèi)長(zhǎng)壽命制冷機(jī)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，預(yù)計(jì)壽命也能達(dá)到30 000 h。微型斯特林制冷機(jī)隨著軍用紅外技術(shù)的發(fā)展而不斷改進(jìn)，其可靠性逐步提高，大致經(jīng)歷了上世紀(jì)50年代至80年代、上世紀(jì)90年代和2000年之后3個(gè)主要的發(fā)展階段。

3.1 上世紀(jì)50年代至80年代

上世紀(jì)50年代后期，美國(guó)研制出最早的軍用斯特林制冷機(jī)，并應(yīng)用于高空偵察機(jī)的紅外照相機(jī)，工作壽命只有幾百小時(shí)。1976年，荷蘭菲利普公司研制出最早的直線諧振制冷機(jī)，制冷機(jī)的可靠性有了進(jìn)一步的提高。1983年，荷蘭菲利普公司研制出直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的分置式斯特林制冷機(jī)，工作壽命達(dá)到近千小時(shí)。上世紀(jì)80年代末期，在發(fā)達(dá)國(guó)家出現(xiàn)了眾多的雙直線電機(jī)雙活塞對(duì)壓減振的分置式制冷機(jī)。此類(lèi)制冷機(jī)體積小、質(zhì)量輕、壽命多在3 000 h以上，是一種高水平的軍用制冷機(jī)。與此同時(shí)，80年代末還出現(xiàn)了所謂“集成探測(cè)器、杜瓦、制冷機(jī)組件（IDDCA）”技術(shù)，大幅度降低制冷機(jī)的功耗、振動(dòng)和磨損等，延長(zhǎng)了使用壽命。在此基礎(chǔ)上，RICOR公司研制出K506（K508的前身）集成整體式斯特林制冷機(jī)，該制冷機(jī)壽命在3 000 h左右。國(guó)外80年代制冷機(jī)可靠性參數(shù)見(jiàn)表1所列。

3.2 上世紀(jì)90年代

上世紀(jì)90年代，為滿足二代紅外焦平面探測(cè)器組件發(fā)展需求，美國(guó)國(guó)防部制定了SADA系列（Standard Advanced Dewar Assembly）標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)包括了一系列的線性斯特林制冷機(jī)。這個(gè)系列制冷機(jī)的主要特點(diǎn)是成本低（低于10 000美元），可靠性水平一般（MTTF在4 000～8 000 h之間），降溫時(shí)間快（常溫環(huán)境降溫到80 K時(shí)小于15 min）。其制冷量從0.15～1.75 W。同期的旋轉(zhuǎn)電機(jī)制冷機(jī)MTTF也上升到6 000～8 000 h。國(guó)外90年代制冷機(jī)可靠性參數(shù)見(jiàn)表2所列。

表1 80年代國(guó)外典型軍用斯特林制冷機(jī)可靠性參數(shù)

表2 90年代國(guó)外典型軍用斯特林制冷機(jī)可靠性參數(shù)

3.3 2000年

2000年之后，不論是旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)還是線性斯特林制冷機(jī)的可靠性都有了更進(jìn)一步的提升。目前這2種制冷機(jī)的可靠性都超過(guò)了20 000 h。表3是新世紀(jì)國(guó)外典型軍用斯特林制冷機(jī)可靠性參數(shù)。

表3 新世紀(jì)國(guó)外典型軍用斯特林制冷機(jī)可靠性參數(shù)

3.3.1 線性斯特林制冷機(jī)的發(fā)展

進(jìn)入2l世紀(jì)，線性斯特林制冷機(jī)主要以動(dòng)磁式斯特林制冷機(jī)為主[5，6]。法國(guó)Thales Cryogenics公司和德國(guó)的AIM公司都重點(diǎn)發(fā)展了這種類(lèi)型的斯特林制冷機(jī)。該制冷機(jī)的主要特點(diǎn)是電機(jī)采用動(dòng)磁式線性電機(jī)，支撐結(jié)構(gòu)采用板彈簧支撐，使微型斯特林制冷機(jī)的可靠性提高到20 000 h以上。

同時(shí)，在美國(guó)DOD（Department of Defense）的支持下，DRS公司對(duì)SADA系列斯特林進(jìn)行了改進(jìn)[7]。改進(jìn)的最大特點(diǎn)是將支撐動(dòng)圈振子的螺圈彈簧改成板彈簧，使得SADA系列的制冷機(jī)可靠性提高到15 000 h以上。

2010年，Thales Cryogenics公司公布了一款超小型斯特林制冷機(jī)UP8497，這種制冷機(jī)的質(zhì)量只有600 g，可靠性達(dá)到15 000 h。UP8497通過(guò)改進(jìn)活塞耐磨材料和減輕動(dòng)圈質(zhì)量來(lái)提高制冷機(jī)可靠性。需要指出，Thales Cryogenics公司通過(guò)改進(jìn)活塞耐磨材料，其所有動(dòng)圈式線性斯特林制冷機(jī)的可靠性都已提升到15 000 h。目前Thales Cryogenics正在開(kāi)展一個(gè)分離摩擦程序，通過(guò)這個(gè)程序Thales Cryogenics公司期望找到制冷機(jī)在熱像儀中的最佳安裝位置，以便減小制冷機(jī)活塞的實(shí)際磨損率，提高制冷機(jī)的可靠性[8]。此外Thales Cryogenics采用DSP（Digital Signal Processing）技術(shù)對(duì)其控制器進(jìn)行了改進(jìn)，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的控制器效率從80%提高到90%以上[9]。由于控制器效率的提高，Thales Cyogenics的線性斯特林制冷機(jī)產(chǎn)品的制冷量普遍有了0.3 W以上的提高。由于制冷機(jī)性能的提高，必然會(huì)減小制冷機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的功耗，從而提升制冷機(jī)的可靠性。

3.3.2 旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)的發(fā)展

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)的可靠性要想超過(guò)10 000 h是非常困難的。但隨著一些新的工藝技術(shù)應(yīng)用，其可靠性也能突破10 000 h，甚至預(yù)計(jì)可以達(dá)到20 000 h。

Thales Cryogenics公司對(duì)其旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)的最大改進(jìn)是采用了新型軸承（Super Duplex bearing）。這種軸承的最大特點(diǎn)是將來(lái)自活塞的徑向壓力分解了一部分到軸向，同時(shí)其雙列滾珠能夠承受更大的負(fù)載。通過(guò)這個(gè)改進(jìn)，Thales Cryogenics公司的旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)的可靠性已經(jīng)接近10 000 h。

K508旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)一直是以色列RICOR公司的主產(chǎn)品。最近RICOR公司對(duì)K508制冷機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，其目標(biāo)是在保持制冷機(jī)原有的外形尺寸前提下，提高制冷機(jī)的可靠性。RICOR公司主要通過(guò)優(yōu)化軸承、改善潤(rùn)滑脂、調(diào)整內(nèi)部零件分布和改善預(yù)安裝力來(lái)增加制冷機(jī)壽命。經(jīng)過(guò)這些改進(jìn)K508N制冷機(jī)的壽命預(yù)計(jì)可以達(dá)到20 000 h。

3.4 國(guó)外斯特林制冷機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

圖1 國(guó)外戰(zhàn)術(shù)用微型斯特林可靠性發(fā)展趨勢(shì)

以表1、表2和表3所列數(shù)據(jù)為依據(jù)可繪制出國(guó)外戰(zhàn)術(shù)用斯特林制冷機(jī)可靠性發(fā)展趨勢(shì)。如圖1，從該圖可看出制冷機(jī)的可靠性從上世紀(jì)90年代開(kāi)始大幅提升。而從90年代開(kāi)始，國(guó)外的紅外焦平面探測(cè)器開(kāi)始批量生產(chǎn)，正是由于紅外探測(cè)器的發(fā)展對(duì)制冷機(jī)可靠性提出了更高要求。隨著第三、第四代更大規(guī)模陣列和更高分辨率的紅外探測(cè)器研制，可以預(yù)期制冷機(jī)可靠性會(huì)有以下幾點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)。

1）高分辨率探測(cè)器要求更大制冷量，更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，對(duì)制冷機(jī)提出更高可靠性要求。

2）更高工作溫度的短、中波紅外探測(cè)器的出現(xiàn)將極大提高制冷機(jī)可靠性。

3）長(zhǎng)壽命制冷機(jī)的重新定義。傳統(tǒng)理論認(rèn)為因?yàn)樾D(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)存在曲軸連桿側(cè)向力的瓶頸，長(zhǎng)壽命制冷機(jī)只可能是線性制冷機(jī)。隨著RICOR公司K508N可靠性20 000 h的突破，體積小、質(zhì)量輕、功耗低的旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)也加入長(zhǎng)壽命大軍，其可靠性可望有較大提高。

4 國(guó)內(nèi)斯特林制冷機(jī)可靠性發(fā)展情況

國(guó)內(nèi)的微型斯特林制冷機(jī)研制工作從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，90年代初制成原理樣機(jī)，其工作壽命僅為數(shù)百小時(shí)。90年代末到新世紀(jì)初隨著國(guó)內(nèi)制冷機(jī)研制單位（如昆明物理研究所和電子部第十六所）引進(jìn)國(guó)外的制冷機(jī)生產(chǎn)線，制冷機(jī)的可靠性水平大幅提升，壽命達(dá)到4 000 h。進(jìn)入2000年之后，隨著熱像系統(tǒng)對(duì)制冷機(jī)可靠性要求越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)開(kāi)始研制可靠性突破10 000 h的戰(zhàn)術(shù)用微型斯特林制冷機(jī)。到“十一五”計(jì)劃完成時(shí)，國(guó)內(nèi)斯特林制冷機(jī)工作壽命有望達(dá)到幾萬(wàn)小時(shí)。

5 可靠性加速試驗(yàn)

除單一失效機(jī)理的研究外，驗(yàn)證可靠性水平還需要進(jìn)行大量整機(jī)工作壽命試驗(yàn)。由于可靠性試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)久，國(guó)際通行方法是通過(guò)加速壽命試驗(yàn)，對(duì)可靠性進(jìn)行評(píng)估。

加速壽命試驗(yàn)采用加大應(yīng)力的方法促使樣品在短期內(nèi)失效，但不改變受試樣品的失效分布，以此預(yù)測(cè)在正常工作條件或儲(chǔ)存條件下的可靠性。加速壽命試驗(yàn)指導(dǎo)原則有：

1）加速應(yīng)力水平的嚴(yán)酷程度不能超過(guò)制冷機(jī)設(shè)計(jì)的工作能力；

2）加速試驗(yàn)所表現(xiàn)的典型失效模式必須與常規(guī)試驗(yàn)一致，即不引入新的失效機(jī)理；

3）易于實(shí)現(xiàn)。

目前加速壽命應(yīng)力類(lèi)型大致有以下幾種：

1）溫度循環(huán)。采取溫度循環(huán)作為加速應(yīng)力、同時(shí)輔以開(kāi)關(guān)機(jī)試驗(yàn)，可以模擬實(shí)際工作情況。每個(gè)制冷機(jī)制造公司選用的環(huán)境試驗(yàn)剖面不盡相同。

2）高溫。高溫連續(xù)開(kāi)機(jī)運(yùn)行可以加速制冷機(jī)的污染氣體揮發(fā)，同時(shí)增加活塞系統(tǒng)磨損，達(dá)到加速試驗(yàn)的目的。根據(jù)Miskimins和Kuo提出的“功率-時(shí)間”函數(shù)，制冷機(jī)功耗與壽命負(fù)相關(guān)，功耗增大則制冷機(jī)壽命降低。隨著環(huán)境溫度增加，制冷機(jī)功耗增大。通過(guò)該函數(shù)可以衡量高溫對(duì)制冷機(jī)壽命的加速效果。

3）加大活塞行程。該方法主要是針對(duì)線性制冷機(jī)。加大壓縮機(jī)活塞的行程，加速活塞/氣缸副的磨損，達(dá)到加速壽命老化的目的。

需要指出的是，加速壽命試驗(yàn)不能夠直接顯示制冷機(jī)可靠性。它需要將已知可靠性水平的制冷機(jī)進(jìn)行加速試驗(yàn)，并與待驗(yàn)證可靠性制冷機(jī)的加速試驗(yàn)結(jié)果相比較，以此估算待驗(yàn)證制冷機(jī)可靠性。從這個(gè)意義上說(shuō)，加速壽命試驗(yàn)得出的可靠性水平更接近一個(gè)序數(shù)概念。

6 結(jié)束語(yǔ)

從目前斯特林制冷機(jī)可靠性研究現(xiàn)狀看，國(guó)內(nèi)制冷機(jī)可靠性水平與國(guó)外尚有較大差距。國(guó)外軍用微型制冷機(jī)MTTF已經(jīng)達(dá)到20 000～30 000 h，而國(guó)內(nèi)只有數(shù)千小時(shí)，相當(dāng)于國(guó)外上世紀(jì)90年代末期水平，制冷機(jī)可靠性發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。另外由于國(guó)外技術(shù)保密及建立可靠性增長(zhǎng)模型需要大量試驗(yàn)基礎(chǔ)沉淀，國(guó)內(nèi)研究所對(duì)于可靠性影響機(jī)理及可靠性加速模型還有很多未知部分，有待進(jìn)一步研究，從而加快制冷機(jī)可靠性水平的提高，以促進(jìn)新產(chǎn)品的研發(fā)。

[1]BARAK M，AVISHAI F，NACHMAN P，et al.RICOR'S K508N HIGHLY RELIABLE INTEGRAL ROTARY CRYOGENIC COOLER[C].Proc of SPIE，2010.

[2]AVISHAI F，ZVI B H，NACHMAN P，et al.Micro Miniature Rotary Stirling Cryocooler for Compact，Lightweight and Low Power Thermal Imaging Systems[C].Proc of SPIE，2009.

[3]CAUQUILA J M，MARTIN J Y，BRUINS P，et al.MTTF Prediction in Design Phase on Thales Cryogenics Integral Coolers[A]，Cryocoolers 12[C]，New York:Springer Press，2002.87-94.

[4]KUO D T，LODY T D，YUAN S W K.BAE’s Life Test Results on Various Linear Coolers and Their Correlation with a First Order Life Estimation Method[C]，Cryocoolers 12，New York:Springer Press，2002.665～671.

[5]JEROEN M，W VD G，PETER B.Improvement of cooldown time of LSF 9599 flexure bearing sada cooler[C].Proc of SPIE，2006.

[6]MAI M.，RUEHLICH I，ROSENHAGEN C.et al.Development of the Miniature Flexure Bearing Cryocooler SF070[C].Cryocoolers15，Boulder:ICC Press，2009.133-138.

[7]RAWLINGS R M，MISKIMINS S.Flexure Springs Applied to Low-Cost Linear Drive Cryocoolers[C].Cryocoolers 11，New York:Springer Press，2001.103-110.

[8]WILLEM VAN DE G，JEROEN M.MARK TOPS，et al.High reliability linear cryocoolers and miniaturization developments at Thales Cryogenics[C].Proc of SPIE，2010.

[9]WILLEMS D，BENSCHOP T，GROEP W V D.Update on Thales Flexure bearing coolers and drive electronics[C].Proc of SPIE，2009.