斯特林制冷機污染失效研究進展

李凌霄，張　鎧，曲家闖，汪　洋

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州　730000）

斯特林制冷機污染失效研究進展

李凌霄，張鎧，曲家闖，汪洋

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

斯特林制冷機內部放氣造成的失效嚴重影響制冷機壽命。制冷機內部放氣氣體會在回熱器冷端及膨脹腔低溫表面凝結，降低回熱器的回熱效率和冷頭換熱面?zhèn)鳠崮芰Γ⒓哟笾评涔べ|流動阻力。主要介紹了斯特林制冷機加速壽命試驗和污染放氣模擬數值計算方法等，提出了制冷機污染失效研究發(fā)展方向。對今后主要研究方向進行了展望。

斯特林制冷機；回熱器；污染失效

0　引言

現代科學技術中，許多儀器的運行和發(fā)展都離不開低溫制冷技術，例如紅外探測器件、低溫電子元器件、低溫冷凝真空泵、超導磁體和核磁共振成像儀等都需要符合要求的低溫制冷機來提供低溫工作條件［1］。應用于空間的低溫制冷機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行成本，以及最大程度降低振動、噪聲和電磁干擾的影響。經過大量的理論與實驗研究及長期的競爭開發(fā)和評估，斯特林制冷機成為眾多空間機械制冷機中的代表，已成為可應用于空間天文科學、對地觀測遙感及導彈制導系統(tǒng)中最緊湊、效率最高的空間制冷設備。

空間制冷設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來說維修是不現實的，因此空間制冷機的MTBF（平均無故障壽命）必須滿足航天器工作任務壽命指標要求，可靠性指標需達到0.99以上［2］?，F在空間應用的牛津型斯特林制冷機均采用柔性板彈簧支撐結構、直線電機驅動和間隙密封技術等技術，并采用全焊接結構，隨著材料與工藝的改進，使得制冷機的疲勞、磨損和泄漏引起的失效可以降低到最小，引起斯特林制冷機失效的主要因素是制冷工質的污染；低溫制冷機內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　斯特林制冷機失效機理與壽命試驗研究

斯特林制冷機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失效機理的研究主要從污染氣體分子擴散過程計算、非金屬材料放氣特性、物理建模數值仿真等方面展開，試驗主要以加速壽命試驗、在線性能監(jiān)測診斷為主要試驗方法。

1.1國外斯特林制冷機污染失效研究

目前國外對斯特林制冷機污染的研究主要從壽命加速試驗、制冷機內部放氣機理等方面開展工作。烏克蘭國家低溫物理實驗室的Getmanetz等［4］基于Bae公司制造的斯特林型制冷機針對低溫污染物沉積造成的回熱器堵塞問題進行了壽命加速試驗，通過2臺不同工作頻率（1臺標準頻率，1臺高頻）斯特林制冷機，利用Helium Complex Stand成套設備及質譜儀、溫控箱等設備，采用在線向制冷機工質氣體內添加預定量的水蒸氣、CO、CO2等污染氣體，加速模擬制冷機在污染工質工況下對功耗、制冷量、振動等方面的影響，通過相關理論進行分析，以此為依據最終預測實際運行10年時間的斯特林制冷機中污染氣體對其影響。

實驗采用2臺牛津型斯特林制冷機，1套HCS設備，質譜計，2臺熱控箱，1套蒸氣發(fā)生器，污染沉積收集單元及相關配套閥門與管路。

試驗開始首先利用蒸氣發(fā)生器向制冷機內充入定量水蒸氣。將制冷機抽真空，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；利用一個容器混合定量污染氣體和純凈氦氣，對污染氣體的分壓進行監(jiān)視并計算使其滿足實驗要求；將混合有污染氣體的“污染”工質充入制冷機并達到工作壓力，之后使制冷機在污染工況下運行，并記錄制冷溫度、能耗、振動等相關數據并進行分析，獲得制冷機長壽命運行下污染對其影響的相關結論。本試驗未給出污染對于斯特林制冷機失效的理論分析。

BAE公司的Yuan等［5-6］針對斯特林制冷機運行內部放氣機理進行了研究。發(fā)現隨著斯特林制冷機運行時間的增加，制冷機內污染物濃度也會隨之增加，但是濃度增加不是隨時間線性增加，濃度曲線呈指數形式，并且與溫度有關，并給出了制冷機內污染物濃度隨時間與溫度變化的函數：

式中：B、A為常數。

圖1是制冷機內部污染物丙酮濃度在不同溫度下隨時間變化的曲線。由圖可以看出，隨著制冷機運行時間的增加，污染物濃度呈指數形式上升，并且隨著溫度的升高，污染物濃度增加速率會變大。

圖1　制冷機內部污染物丙酮濃度在不同溫度下隨時間變化的曲線圖

美國JPL實驗室的Ross等［7］對斯特林制冷機工質在長時間運行中污染氣體對制冷機性能影響進行了一系列實驗和研究，闡述了長壽命制冷機中由于冷凝和放氣造成污染使得制冷機低溫表面輻射率上升引起熱損失。在ISAMS飛行試驗中采用2臺牛津型斯特林制冷機，將紅外探測器溫度維持在80 K左右。在制冷機運行中發(fā)現，探測器溫度會以每3周5 K的幅度上升。此溫度上升的原因為污染物沉積在膨脹機冷端表面，導致制冷溫度上升。隨著時間推移，污染沉積速率會逐漸放緩。在制冷機運行1年后，需要2～3個月才會產生5 K的溫升。為了進一步研究，開展了另外兩個試驗：MOPITT飛行試驗和TRW斯特林制冷機長壽命試驗。在MOPITT飛行試驗中，使用了2臺BAe生產的50～80 K斯特林制冷機冷卻紅外探測器。

圖2為MOPITT飛行試驗中，2臺BAe生產50～80 K斯特林制冷機活塞行程、輸入功率、冷指負載及冷端溫度關系圖。由圖可以看出，2臺制冷機在運行150天之后，活塞行程由6.4 mm上升至6.9 mm，并且#1制冷機負載上升了130 mW（8%），#2制冷機負載上升了230 mW（15%）。

圖2　BAe斯特林制冷機活塞行程、輸入功率、冷指負載以及冷端溫度關系圖

第三項試驗是在TRW制冷機壽命試驗中，利用一個真空罐對1臺BAE研制的80 K斯特林制冷機進行了170天的壽命試驗。試驗發(fā)現制冷機冷端溫度呈現一個穩(wěn)定5.48 K/年上升的趨勢。制冷機性能的下降可以歸結為污染物在低溫表面沉積的結果，這個結果同ISAMS和MOPITT所得到的結果相類似。根據計算給出了輻射率變化規(guī)律［8］：

Ross等［9］指出盡管試驗數據樣本較小，但仍然可以預計在軌斯特林制冷機由于污染物在低溫表面的沉積而引起負載10%～20%的上升?，F行有效的對應方法是將低溫表面加熱至室溫以使沉積的污染物逸出，但是這種強度的熱力循環(huán)會造成探測器及其他制冷機組件機械疲勞損傷。為了應對污染物在低溫表面沉積造成的制冷機失效，制冷機在設計時應考慮在運行中負載10%～20%上升的余量，以避免污染物沉積導致制冷機失效。

1.2國內斯特林制冷機污染研究

楊寶玉等［10］利用在線向制冷機內添加定量污染物的方法，進行了斯特林制冷機壽命加速試驗，得到了一系列污染與制冷性能衰變關系的量化規(guī)律，并對實驗結果進行分析：（1）加入污染后，制冷性能首先稍微增強，然后在很大一段范圍內性能下降不明顯，污染增加到一定程度后出現致命衰減；（2）酒精對制冷機破壞力最強，在3l mg時使制冷性能出現了40%以上衰減，水蒸氣與丙酮分別在7 mg與114 mg時使制冷性能出現類似衰減；（3）加入污染后制冷機的降溫速率出現了延遲。還利用蒙特卡羅方法對污染氣體在制冷機內復雜的傳質擴散過程進行模擬計算，分析了污染氣體在回熱器中的凝結對制冷機性能的影響。楊少華等［11］通過建立冷頭溫升的時間關系，提出了參數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間特征常數；t為工作時間。并通過60℃高溫加速壽命試驗所得數據進行擬合，得到式（4）：

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

可推出60℃環(huán)境下制冷機內部最終出氣量是23℃時的6.65倍。

何雅玲［13］教授對小型斯特林制冷機污染失效進行了數值計算分析。分析了水蒸氣在回熱器內低溫表面的結晶生長過程，定量分析了結晶生長期的孔隙率和密度變化與時間的關系，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熱器徑向分布。均勻分布模型中水蒸氣沉積在回熱器中呈均勻分布狀態(tài)，厚度在回熱器徑向無變化；線性分布1模型中水蒸氣沉積層厚度在回熱器徑向呈遞增狀態(tài)；線性分布2模型中水蒸氣沉積層厚度在回熱器徑向呈遞減狀態(tài)，如圖3、4所示。根據三種分布模型進行數值計算分析［14］，指出斯特林制冷機在連續(xù)工作時，低溫水蒸氣凝結層若為均勻分布，則制冷機在631 h失效；若凝結層為線性分布，則不會失效；斯特林制冷機關機再啟動，制冷機回熱器內水蒸氣低溫沉積方式為均勻分布，當凝結質量為7.05 mg，制冷量下降10%；當凝結質量達到41.2 mg，制冷機失去制冷能力，如圖5所示。

圖3　凝結層孔隙率（△ε）與密度隨時間變化關系圖

2　斯特林制冷機污染失效研究展望

隨著斯特林制冷機工作壽命要求的不斷提高，國內外對斯特林制冷機性能衰減的研究也進行了大量工作。如今斯特林制冷機內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壽命提高的最關鍵因素。實際工程中對于斯特林制冷機的污染失效防治手段還處于經驗摸索階段，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污染失效得到一定程度上的延緩，還無法達到長壽命斯特林制冷機的要求。通過調研文獻研究國內外對于污染失效的研究進展，提出三個方面對斯特林制冷機污染失效的深入研究。

圖4　不同低溫沉積模型下制冷機連續(xù)運行制冷量隨時間變化關系

圖5　關機再啟斯特林制冷機制冷量與水蒸氣沉積量關系

2.1斯特林制冷機非金屬材料放氣分析

國內外已有大量關于制冷機內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。在制冷機工藝趨于成熟結構和模塊化的今天，對于制冷機內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，內部結構變化并不顯著，通過對內部放氣研究，得到制冷機所使用單類非金屬材料關于時間的放氣量函數m0=f｛T，t，B｝（m0放氣量；T為溫度；t為時間；B為非金屬材料相關系數），就可以對制冷機放氣源對于壽命影響進行定量分析，從而在不影響制冷機性能情況下，通過改進非金屬材料用量和種類提高制冷機壽命。

2.2污染氣體傳輸、擴散、低溫表面凝結吸附機理研究

污染氣體在制冷機內部析出擴散直至在冷表面冷凝吸附，增大流阻降低傳熱引起制冷機性能衰減是一個非常復雜的過程［18］，尤其是污染氣體分子在高壓氦工質內的傳輸擴散和在低溫表面的吸附結晶過程目前沒有明確的理論計算模型，現有方法直接模擬蒙特卡洛（DSMC）方法［19］來計算污染氣體的擴散過程計算量過大，并帶來很大信噪比。對污染氣體在制冷機內部產生、擴散直到在回熱器內凝結吸附的整個動態(tài)過程和物理模型計算仍然需要大量工作。

2.3污染失效物理計算模型與仿真研究

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制冷性能衰減過程進行仿真計算也是一個研究重點。傳統(tǒng)試驗只能看到污染所造成的性能衰減結果，有限元仿真計算能夠考慮到具體系統(tǒng)的局部結構問題，計算模型能夠更加接近真實情況，內部流場分析也更加清楚。利用斯特林制冷機圓筒形結構特點，建立模型時簡化為二維平面模型，減少計算量。計算時可以采用有限體積法FVM［20］，但制冷機內部流動復雜，需要定義流固邊界傳熱方程、氣體運動方程、流動阻力等參數才可以得到比較精確的結果。

3　結束語

隨著斯特林制冷機工作壽命要求的不斷提高，國內外對斯特林制冷機性能衰減的研究也進行了大量工作。如今斯特林制冷機內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壽命提高的最關鍵因素。隨著技術的不斷發(fā)展和科研人員的不斷攻堅，斯特林制冷機內部污染氣體的傳輸機理與低溫表面吸附凝結機理、污染失效物理計算模型、非金屬材料放氣分析等方面必將取得長足進展，為我國空間制冷技術的發(fā)展解決一些關鍵難題。

［1］朱建炳，潘雁頻.星載斯特林制冷機技術研究發(fā)展［J］.真空與低溫，2005，10（3）：131-138.［2］張曉明，楊少華.空間用斯特林制冷機的壽命評價［J］.低溫工程，2007（4）：56-59.

［3］CastlesS，PriceKD，GlaisterDS，etal.Spacecryocoolercon?tamination lessons learned and recommended control proce?dures［M］//Cryocoolers11.SpringerUS，2002：649-657.

［4］Getmanits V.Methodology of Accelerated Life-Time Tests For Stirling-TypeBae-Co-Made Cryocoolers Against Displacer-Blockage by Cryo-Pollutant Deposits［R］.ukrainian academy of sciences kharkov inst for low temperature physics and engi?neering，2000.

［5］Yuan S W K，Kuo D T，Loc A S.Enhanced Performance of the BEI 0.5 Watt Mini-Linear Stirling Cooler［M］//Advances in cryogenicengineering.SpringerUS，1998：1847-1853.

［6］Yuan S W K，Kuo D T.Cryocooler contamination study：tem?peraturedependenceofoutgassing［M］//Cryocoolers11. SpringerUS，2002：659-664.

［7］RossRG，JohnsonDL，KotsuboVY.BAe 80 KStirlingcool?erperformancecharacterization［R］.JPLAIRSProjectReport，1992.

［8］Hall J L，Ross Jr R G.Gas contamination effects on pulse tube performance［M］.SpringerUS，2002：343-350.

［9］Mand G S.MOPITT cryocooler year 2000 operations summary datadistributed［R］.UnivofTorontoDeptofPhysics，Toronto，Canada，2001.

［10］楊寶玉，吳亦農，府華.污染對斯特林制冷機性能影響的實驗研究［J］.工程熱物理學報，2007（28）：199-201.

［11］楊少華，張曉明，劉心廣，等.牛津型斯特林制冷機的加速壽命試驗［J］.低溫工程，2008（4）：21-23.

［12］楊少華，張曉明，劉心廣，等.斯特林制冷機污染退化的加速模型［J］.紅外技術，2008，30（8）：462-464.

［13］何雅玲.斯特林循環(huán)制冷機熱力傳熱和流動過程的模擬分析［J］.西安交通大學學報，1990（2）：67-73.

［14］Lee K S，Kim W S，Lee T H.A one-dimensional model for frost formation on a cold flat surface［J］.International Journal ofHeatandMassTransfer，1997，40（18）：4359-4365.

［15］張曉明，楊少華.空間用斯特林制冷機的壽命評價［J］.低溫工程，2007（4）：56-59.

［16］Yuan S W K，Kuo D T.Cryocooler contamination study：tem?perature dependence of outgassing［M］//Cryocoolers11. SpringerUS，2002：659-664.

［17］RothA.Vacuumtechnology［M］.Elsevier，2012.

［18］楊寶玉，府華，吳亦農，等.回熱式機械制冷機污染機理與控制技術分析［J］.低溫工程，2005（6）：37-41.

［19］楊寶玉，吳亦農，府華，等.蒙特卡羅法用于機械制冷機污染傳輸特性的仿真計算.低溫與超導，2005，（11）：105-108

［20］Muralidhar K，Suzuki K.Analysis of flow and heat transfer in a regenerator mesh using a non-Darcy thermally non-equi?libriummodel［J］.Internationaljournalofheatandmasstrans?fer，2001，44（13）：2493-2504.

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研究。E-mail：llxatgd@163.com。