陳曉屏

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

1 引言

微型斯特林制冷機具有效率高、體積小、質(zhì)量輕、啟動較快、振動低、工作溫度寬等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于車載、機載、艦載軍事紅外系統(tǒng)。隨著紅外探測器的快速發(fā)展，熱像系統(tǒng)對制冷機的性能及可靠性提出了更高要求，各國制冷機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，之后介紹了RICOR、Thales Cryogenics和BAE等幾家公司對斯特林制冷機可靠性預(yù)測方法。同時還詳細介紹了從上個世紀50年代至今國內(nèi)外軍用微型制冷機可靠性水平的增長情況及其發(fā)展趨勢。最后介紹了一些制冷機常用的可靠性加速方法。對于高成本、高可靠性的航天用微型斯特林制冷機本文不予討論。

2 微型斯特林制冷機可靠性基本概念

2.1 基本概念

可靠性的技術(shù)指標主要有置信度、失效率、平均無故障工作時間、平均失效前時間、有效度等。考核斯特林制冷機可靠性最基本指標就是MTBF（Mean Time Between Failures平均無故障工作時間）或MTTF（Mean Time To Failure平均失效前時間）。MTBF是針對可修復(fù)系統(tǒng)而言的，而MTTF主要針對不可修復(fù)系統(tǒng)。對應(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來描述制冷機的可靠性，認為制冷機的失效屬于隨機失效模式。隨著制冷機可靠性水平的提高和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的積累，發(fā)現(xiàn)制冷機的主要失效機理如制冷機污染和部件老化磨損等都與時間有關(guān)，屬于耗損失效模式，所以目前通用MTTF來描述制冷機的可靠性。在近期文獻上還出現(xiàn)以MTTFF（Mean Time To First Failure）評價制冷機可靠性，它在數(shù)值上等于MTTF，但進一步強調(diào)制冷機的非維修性質(zhì)，對于軍用裝備來說，這樣的定義更為嚴格和實用[1]。

2.2 制冷機可靠性常用計算方法

目前世界上比較先進的制冷機公司在斯特林制冷機產(chǎn)品設(shè)計后都會對其可靠性進行預(yù)估，每個公司對其產(chǎn)品所采用的預(yù)估方法都不一樣。

2.2.1 RICOR公司

RICOR公司對整體集成式斯特林制冷機采用Weibul（l威布爾）概率分布來預(yù)估制冷機的壽命，采用威布爾分布預(yù)估壽命需要基于相近的制冷機測試壽命[2]。如該公司對K560制冷機預(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個參數(shù)可以得到預(yù)估的K560制冷機可靠性為5 430 h。

2.2.2 Thales Cryogenics公司

Thales Cryogenics公司也采用Weibul（l威布爾）概率分布來預(yù)估制冷機的壽命[3]。Thales Cryogenics公司認為在制冷機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=∑（運行時間）/失效的數(shù)目；如沒有該部件的失效數(shù)據(jù)，則MTTF=∑（運行時間）。如對RM2/01制冷機的可靠性，Thales Cryogenics公司計算了軸承失效時間、制冷機密封失效時間、驅(qū)動控制器失效時間、氣體污染失效時間和活塞磨損失效時間。各部件的失效比例依據(jù)Thales Cryogenics的經(jīng)驗獲得。最后就可計算得到RM2/01制冷機的可靠性。

2.2.3 BAE System公司

BAE System公司采用功率時間法來預(yù)估制冷機的壽命[4]。根據(jù)這個方法，一臺制冷機的總耗能（比如制冷機的平均輸入功耗和總運行時間的乘積）是一定的。在實際的制冷機測試過程中，作為隨時間變化的制冷機輸入功率將被提高，由此可通過積分計算壽命測試曲線得到制冷機的總耗能。采用這種方法計算制冷機壽命的缺點，在于它需要知道制冷機的壽命測試功率曲線。

3 國外斯特林制冷機可靠性發(fā)展情況

國外長壽命制冷機可靠性由20世紀60年代幾千小時發(fā)展到現(xiàn)在的100 000 h。目前國內(nèi)長壽命制冷機也取得了長足的進步，預(yù)計壽命也能達到30 000 h。微型斯特林制冷機隨著軍用紅外技術(shù)的發(fā)展而不斷改進，其可靠性逐步提高，大致經(jīng)歷了上世紀50年代至80年代、上世紀90年代和2000年之后3個主要的發(fā)展階段。

3.1 上世紀50年代至80年代

上世紀50年代后期，美國研制出最早的軍用斯特林制冷機，并應(yīng)用于高空偵察機的紅外照相機，工作壽命只有幾百小時。1976年，荷蘭菲利普公司研制出最早的直線諧振制冷機，制冷機的可靠性有了進一步的提高。1983年，荷蘭菲利普公司研制出直線電機驅(qū)動的分置式斯特林制冷機，工作壽命達到近千小時。上世紀80年代末期，在發(fā)達國家出現(xiàn)了眾多的雙直線電機雙活塞對壓減振的分置式制冷機。此類制冷機體積小、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。與此同時，80年代末還出現(xiàn)了所謂“集成探測器、杜瓦、制冷機組件（IDDCA）”技術(shù)，大幅度降低制冷機的功耗、振動和磨損等，延長了使用壽命。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，該制冷機壽命在3 000 h左右。國外80年代制冷機可靠性參數(shù)見表1所列。

3.2 上世紀90年代

上世紀90年代，為滿足二代紅外焦平面探測器組件發(fā)展需求，美國國防部制定了SADA系列（Standard Advanced Dewar Assembly）標準。該標準包括了一系列的線性斯特林制冷機。這個系列制冷機的主要特點是成本低（低于10 000美元），可靠性水平一般（MTTF在4 000～8 000 h之間），降溫時間快（常溫環(huán)境降溫到80 K時小于15 min）。其制冷量從0.15～1.75 W。同期的旋轉(zhuǎn)電機制冷機MTTF也上升到6 000～8 000 h。國外90年代制冷機可靠性參數(shù)見表2所列。

表1 80年代國外典型軍用斯特林制冷機可靠性參數(shù)

表2 90年代國外典型軍用斯特林制冷機可靠性參數(shù)

3.3 2000年

2000年之后，不論是旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機還是線性斯特林制冷機的可靠性都有了更進一步的提升。目前這2種制冷機的可靠性都超過了20 000 h。表3是新世紀國外典型軍用斯特林制冷機可靠性參數(shù)。

表3 新世紀國外典型軍用斯特林制冷機可靠性參數(shù)

3.3.1 線性斯特林制冷機的發(fā)展

進入2l世紀，線性斯特林制冷機主要以動磁式斯特林制冷機為主[5，6]。法國Thales Cryogenics公司和德國的AIM公司都重點發(fā)展了這種類型的斯特林制冷機。該制冷機的主要特點是電機采用動磁式線性電機，支撐結(jié)構(gòu)采用板彈簧支撐，使微型斯特林制冷機的可靠性提高到20 000 h以上。

同時，在美國DOD（Department of Defense）的支持下，DRS公司對SADA系列斯特林進行了改進[7]。改進的最大特點是將支撐動圈振子的螺圈彈簧改成板彈簧，使得SADA系列的制冷機可靠性提高到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UP8497，這種制冷機的質(zhì)量只有600 g，可靠性達到15 000 h。UP8497通過改進活塞耐磨材料和減輕動圈質(zhì)量來提高制冷機可靠性。需要指出，Thales Cryogenics公司通過改進活塞耐磨材料，其所有動圈式線性斯特林制冷機的可靠性都已提升到15 000 h。目前Thales Cryogenics正在開展一個分離摩擦程序，通過這個程序Thales Cryogenics公司期望找到制冷機在熱像儀中的最佳安裝位置，以便減小制冷機活塞的實際磨損率，提高制冷機的可靠性[8]。此外Thales Cryogenics采用DSP（Digital Signal Processing）技術(shù)對其控制器進行了改進，經(jīng)過改進后的控制器效率從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產(chǎn)品的制冷量普遍有了0.3 W以上的提高。由于制冷機性能的提高，必然會減小制冷機實際運行時的功耗，從而提升制冷機的可靠性。

3.3.2 旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機的發(fā)展

傳統(tǒng)觀念認為，旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機的可靠性要想超過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)計可以達到20 000 h。

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

K508旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機一直是以色列RICOR公司的主產(chǎn)品。最近RICOR公司對K508制冷機進行了改進，其目標是在保持制冷機原有的外形尺寸前提下，提高制冷機的可靠性。RICOR公司主要通過優(yōu)化軸承、改善潤滑脂、調(diào)整內(nèi)部零件分布和改善預(yù)安裝力來增加制冷機壽命。經(jīng)過這些改進K508N制冷機的壽命預(yù)計可以達到20 000 h。

3.4 國外斯特林制冷機發(fā)展趨勢

圖1 國外戰(zhàn)術(shù)用微型斯特林可靠性發(fā)展趨勢

以表1、表2和表3所列數(shù)據(jù)為依據(jù)可繪制出國外戰(zhàn)術(shù)用斯特林制冷機可靠性發(fā)展趨勢。如圖1，從該圖可看出制冷機的可靠性從上世紀90年代開始大幅提升。而從90年代開始，國外的紅外焦平面探測器開始批量生產(chǎn)，正是由于紅外探測器的發(fā)展對制冷機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器研制，可以預(yù)期制冷機可靠性會有以下幾點發(fā)展趨勢。

1）高分辨率探測器要求更大制冷量，更強的環(huán)境適應(yīng)性，對制冷機提出更高可靠性要求。

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

3）長壽命制冷機的重新定義。傳統(tǒng)理論認為因為旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動制冷機存在曲軸連桿側(cè)向力的瓶頸，長壽命制冷機只可能是線性制冷機。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)電機驅(qū)動制冷機也加入長壽命大軍，其可靠性可望有較大提高。

4 國內(nèi)斯特林制冷機可靠性發(fā)展情況

國內(nèi)的微型斯特林制冷機研制工作從上世紀80年代開始，90年代初制成原理樣機，其工作壽命僅為數(shù)百小時。90年代末到新世紀初隨著國內(nèi)制冷機研制單位（如昆明物理研究所和電子部第十六所）引進國外的制冷機生產(chǎn)線，制冷機的可靠性水平大幅提升，壽命達到4 000 h。進入2000年之后，隨著熱像系統(tǒng)對制冷機可靠性要求越來越高，國內(nèi)開始研制可靠性突破10 000 h的戰(zhàn)術(shù)用微型斯特林制冷機。到“十一五”計劃完成時，國內(nèi)斯特林制冷機工作壽命有望達到幾萬小時。

5 可靠性加速試驗

除單一失效機理的研究外，驗證可靠性水平還需要進行大量整機工作壽命試驗。由于可靠性試驗耗時長久，國際通行方法是通過加速壽命試驗，對可靠性進行評估。

加速壽命試驗采用加大應(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)測在正常工作條件或儲存條件下的可靠性。加速壽命試驗指導(dǎo)原則有：

1）加速應(yīng)力水平的嚴酷程度不能超過制冷機設(shè)計的工作能力；

2）加速試驗所表現(xiàn)的典型失效模式必須與常規(guī)試驗一致，即不引入新的失效機理；

3）易于實現(xiàn)。

目前加速壽命應(yīng)力類型大致有以下幾種：

1）溫度循環(huán)。采取溫度循環(huán)作為加速應(yīng)力、同時輔以開關(guān)機試驗，可以模擬實際工作情況。每個制冷機制造公司選用的環(huán)境試驗剖面不盡相同。

2）高溫。高溫連續(xù)開機運行可以加速制冷機的污染氣體揮發(fā)，同時增加活塞系統(tǒng)磨損，達到加速試驗的目的。根據(jù)Miskimins和Kuo提出的“功率-時間”函數(shù)，制冷機功耗與壽命負相關(guān)，功耗增大則制冷機壽命降低。隨著環(huán)境溫度增加，制冷機功耗增大。通過該函數(shù)可以衡量高溫對制冷機壽命的加速效果。

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

需要指出的是，加速壽命試驗不能夠直接顯示制冷機可靠性。它需要將已知可靠性水平的制冷機進行加速試驗，并與待驗證可靠性制冷機的加速試驗結(jié)果相比較，以此估算待驗證制冷機可靠性。從這個意義上說，加速壽命試驗得出的可靠性水平更接近一個序數(shù)概念。

6 結(jié)束語

從目前斯特林制冷機可靠性研究現(xiàn)狀看，國內(nèi)制冷機可靠性水平與國外尚有較大差距。國外軍用微型制冷機MTTF已經(jīng)達到20 000～30 000 h，而國內(nèi)只有數(shù)千小時，相當于國外上世紀90年代末期水平，制冷機可靠性發(fā)展任重而道遠。另外由于國外技術(shù)保密及建立可靠性增長模型需要大量試驗基礎(chǔ)沉淀，國內(nèi)研究所對于可靠性影響機理及可靠性加速模型還有很多未知部分，有待進一步研究，從而加快制冷機可靠性水平的提高，以促進新產(chǎn)品的研發(fā)。

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