CN101393083A - 一种微型斯特林制冷机的加速寿命评价试验装置 - Google Patents

一种微型斯特林制冷机的加速寿命评价试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微型斯特林制冷机的加速寿命评价试验装置。该装置包括主电源、电控箱、制冷机、示波器、真空泵、电磁阀、制冷负载、加热电源、高低温试验箱、功率计、数据采集仪、自编数据采集软件和计算机。主电源连接到电控箱、制冷机上，示波器连接到电控箱的行程波形输出端，制冷机置于高低温试验箱中，制冷机的冷头真空室通过金属管波纹阀与真空泵和电磁阀连接，制冷负载与加热电源和制冷机连接，功率计与制冷机和计算机连接，数据采集仪与制冷负载、制冷机和计算机连接。通过本发明节省了试验样机数量，节省了试验时间，确保了研制和任务应用的周期，使空间遥感技术更快地为社会服务，具有重大的经济效益及社会效益。

Description

一种微型斯特林制冷机的加速寿命评价试验装置
技术领域
本发明涉及针对微型斯特林制冷机的一种加速寿命评价试验装置。
背景技术
近几十年来，基于红外焦平面超导滤波等的空间红外遥感探测技术在地球资源调查、环境监测气象分析、天文观测灾害监测与预报、通信等应用领域发挥着重要作用。斯特林制冷机因具有工作温度范围宽、制冷量大、效率高、体积小、质量轻、寿命长和可靠性高等特点，作为最佳冷源能满足多元红外焦平面列阵超导设备所需要的低温工作环境，已大量成功地应用于宇航探测。对于空间应用，长寿命和长期可靠性是其必需解决的关键技术之一。
微型机械制冷机的寿命直接影响到遥感探测设备的使用年限，它是用户最关注的问题目前自研制制冷机经过二十年的发展，已经取得了一些突破性的成果，随着柔性弹簧直线电机间隙密封技术在微型斯特林制冷机中的成功应用，机器的各性能指标已可满足应用要求但受基础条件、精密加工、装配工艺及试验投入等方面的限制，自研制制冷机的产量非常少，产品不够成熟，可靠性尚不能完全保证，尚缺乏可满足任务要求的寿命基础数据
因此，寿命评价工作急需开展但是传统的基于常规应力条件的统计寿命评价试验方法由于在时间经济方面均不太现实，难以接受。因此，需要一种可行的加速寿命评价方法。空间用微型斯特林制冷机的目前存在的主要失效模式有四种：弹性疲劳、泄漏、磨损、工质泄漏，目前前三种失效模式已得到较好控制，而污染制约制冷机长寿命最主要的污染失效模式，且控制困难根据污染的失效机理，制冷机性能与工质气体的污染物总量以及材料放气时的温度存在对应的联系。工作温度越高，放气越严重，污染物总量越多，因此性能退化越快。因此，高温运行的加速寿命评价方法是可行的
开展加速寿命评价，其试验方法及试验装置应满足以下几个要求：1)常规寿命试验周期太长而不切实际，提供制冷机运行适合的加速应力，其应力类型和条件是关键；2)模拟制冷机实际运行的制冷负载条件；3)监测试验运行数据，以便准确分析制冷机在加速应力条件下的性能退化趋势，外推其寿命参数；4)如有可能，实行计算机自动控制和试验数据采集基于上述要求，目前还没有适合的试验方法条件及试验装置来开展加速寿命评价
目前自研制空间用斯特林制冷机由于产量较少，只开展了少量验证试验，尚缺乏可满足任务要求的寿命基础数据目前国内在制冷评价方法研究较少，仅开展了少量的寿命验证试验，缺乏适合的加速寿命评价方法常规的验证试验即在常温条件下运行，以及开展统计试验，获得产品的寿命区间这对于研制和应用而言，都是不切实际的
因此需要对试验数据进行仔细监测，已发现其运行过程出现的可靠性及寿命特征另一方面，由于传统的寿命试验即常规条件下运行，这在时间上对于研制和应用都是不切实际的，急需一套科学可行的加速寿命试验方法本专利针对制约制冷机长寿命的污染失效机理，采取了高温运行的加速试验方法和条件，以及一种基于计算机控制的全自动的实时监测和记录空间用微型斯特林制冷机的运行特征参数的试验装置。获得高温条件获得的寿命数据，根据制冷机污染失效的物理机理，可外推制冷机在常规条件下的运行寿命
发明内容
本发明公开了一种微型斯特林制冷机的加速寿命评价试验装置，它是针对制约空间制冷机最主要的污染失效机理，利用制冷机工质污染物含量与制冷机内部材料放气量随温度的变化规律，采取了高温加速运行的评价方法。
制冷机的加速寿命评价试验装置包括主电源电控箱、制冷机、示波器真空泵电磁阀、制冷负载加热电源高低温试验箱功率计、数据采集仪自编数据采集软件和计算机主电源连接到电控箱、制冷机上，示波器连接到电控箱的行程波形输出端，制冷机置于高低温试验箱中，制冷机的冷头真空室通过金属管波纹阀与真空泵和电磁阀连接，制冷负载与加热电源和制冷机连接，功率计与制冷机和计算机连接，数据采集仪与制冷负载、制冷机和计算机连接
所述制冷负载采用陶瓷加热电阻，并由加热电源施加恒定的制冷量；所述自编数据采集软件加载与计算机内，自编数据采集软件完成对数据采集仪和功率计所检测参数的记录、保存、画图和打印；所述数据采集仪和功率计检测的参数包括压缩机功耗、功率因数、制冷量、冷头温度、膨胀机和压缩机的行程波形、制冷机各部位点的温度以及每次开机时的降温时间和最低制冷温度
本发明的有益效果：针对制约空间用微型斯特林制冷机寿命的最主要的污染失效机理，采取高温运行加速寿命评价的方法及试验装置，解决了其加速寿命评价无从下手的难题本发明在方法上科学可行，也节省了试验样机数量时间，节省了试验时间，确保了研制和任务应用的周期，使空间遥感技术更快地为社会服务，具有重大的经济效益及社会效益
附图说明
图1为制冷机的加速寿命评价试验装置的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步阐述。
如图1所示，制冷机的加速寿命评价试验装置包括主电源1、电控箱2、制冷机3、示波器4、真空泵5、电磁阀6、制冷负载7加热电源8、高低温试验箱9、功率计10、数据采集仪11、数据采集软件13和计算机12。其中，主电源1是28V大功率直流电源，为电控箱2和制冷机3供电；示波器4是用于监测由制冷机电控箱2输出的压缩机和膨胀机行程波形的情况；真空泵5(含电磁阀6)是为制冷机冷头提供真空环境，防止冷量传热损失，电磁阀的作用是防止系统停电时真空泵返油污染真空室，它是通过标准快拆法兰接口的金属波纹管连接的；制冷负载7即一个陶瓷加热电阻，它紧贴在制冷机3冷头的紫铜块上，加热电源8为可编程直流恒压源，它提供额定功率的制冷量负载，；高低温试验箱9是为制冷机3提供高温加速应力，即为制冷机3提供一定的环境温度，比如60℃；功率计10是用于测量制冷机压缩机的电压、电流、功耗、功率因数等，它通过RS232串口线与制冷机3相连接，将数据返回计算机12；数据采集仪11与制冷负载7制冷机3(含机身不同部位的温度传感器)、功率计10的作用是采集制冷机的运行参数如冷头温度、制冷量、制冷机不同部位的温度等；数据采集仪11所采集的运行参数通过RS232串口线连接到计算机12；采集软件13将所有输入到计算机的数据完成实时自动记录、保存、画图、打印等功能，具体操作如下：a)(10)检测的参数有：压缩机功耗功率因数，(11)检测的参数有：冷头温度制冷量、压缩机壳温膨胀机壳温底座温度压缩机支架温度、膨胀机支架温度；b)定时采集，采集时间间隔可选(20秒，30秒，1分钟，5分钟，等)，采集后的数据保存为txt文件；c)(13)与(11)的采用RS232串口通信接口，波特率可调，有6.8k bit/s 9.6k bit/s 12.8k bit/s19.2k bit/s等几种；d)(13)可消除采集引线串联电阻的影响；e)(13)分别画图显示温度—时间功率—时间曲线，曲线坐标可以缩放；f)软件具有保护功能，可设定保护温度，当采集到的冷头温度大于保护温度时，软件自动关闭加热电源(8)，防止冷头加热电阻被烧毁
主电源1为电控箱2和制冷机3供电；示波器4接电控箱的行程波形输出端；制冷机3置于高低温箱9中，制冷机3的冷头真空室通过金属管波纹阀与电磁阀6、真空泵5连接，为冷头提供动态真空；制冷负载7与加热电源相连，并由加热电源8为制冷负载供电；功率计10与制冷机3相连，其测量结果通过RS232接口输入到计算机12；最后数据采集仪将制冷机3不同部位的温度传感器、制冷负载7的信号连接数据采集仪11，再通过RS232接口输入到计算机12；全部信号集中由采集软件13处理，完成实时记录、保存、画图打印等功能
连接好加速寿命试验系统后，具体实施方法和过程如下：1)打开真空泵5，先抽真空约30分钟；2)打开示波器4功率计10、数据采集仪11、计算机12，开启采集软件13等；3)打开主电源1，制冷机开始工作，同时开始采集数据；4)制冷机工作稳定后，开启加热电源8，为制冷机提供制冷负载，同时设定高低温箱9的温度，施加一定加速应力，加速寿命试验开始运行
通过本专利的高温运行的加速寿命评价方法及试验装置，开展了80K/2W的空间用微型斯特林制冷机的加速寿命试验试验，试验时间近5000小时，已观测到明显的退化，经分析该退化主要是由工质污染导致的，证实了本发明的加速寿命评价方法及试验装置可行可用

Claims (4)

1、一种微型斯特林制冷机的加速寿命评价试验装置，其特征在于，它包括主电源(1)、电控箱(2)、制冷机(3)、示波器(4)、真空泵(5)、电磁阀(6)、制冷负载(7)、加热电源(8)、高低温试验箱(9)、功率计(10)、数据采集仪(11)和计算机(12)，(1)连接到(2)和(3)上，为(2)和(3)供电；(4)连接到(2)的行程波形输出端；(3)置于(9)中，(3)的冷头真空室通过金属管波纹阀与(5)和(6)连接；(7)与(8)和(3)连接；(10)与(3)和(12)连接；(11)与(7)、(3)和(12)连接
2根据权利要求1所述的微型斯特林制冷机的加速寿命评价试验装置，其特征在于，所述制冷负载(7)采用陶瓷加热电阻，并由加热电源(8)施加恒定的制冷量。
3、根据权利要求1所述的微型斯特林制冷机的加速寿命评价试验装置，其特征在于，所述计算机(12)内加载一种自编数据采集软件(13)，(13)完成对(11)和(10)所检测参数的记录保存画图和打印。
4根据权利要求3所述的微型斯特林制冷机的加速寿命评价试验装置，其特征在于，所述(11)和(10)检测的参数包括压缩机功耗功率因数制冷量冷头温度膨胀机和压缩机的行程波形制冷机各部位点的温度以及每次开机时的降温时间和最低制冷温度
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