微型斯特林制冷机可靠性现状及趋势

陈晓屏

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

1 引言

微型斯特林制冷机具有效率高、体积小、质量轻、启动较快、振动低、工作温度宽等优点，广泛应用于车载、机载、舰载军事红外系统。随着红外探测器的快速发展，热像系统对制冷机的性能及可靠性提出了更高要求，各国制冷机制造商都在努力提高其产品可靠性水平。作者首先阐述了可靠性的一些基本知识，之后介绍了RICOR、Thales Cryogenics和BAE等几家公司对斯特林制冷机可靠性预测方法。同时还详细介绍了从上个世纪50年代至今国内外军用微型制冷机可靠性水平的增长情况及其发展趋势。最后介绍了一些制冷机常用的可靠性加速方法。对于高成本、高可靠性的航天用微型斯特林制冷机本文不予讨论。

2 微型斯特林制冷机可靠性基本概念

2.1 基本概念

可靠性的技术指标主要有置信度、失效率、平均无故障工作时间、平均失效前时间、有效度等。考核斯特林制冷机可靠性最基本指标就是MTBF（Mean Time Between Failures平均无故障工作时间）或MTTF（Mean Time To Failure平均失效前时间）。MTBF是针对可修复系统而言的，而MTTF主要针对不可修复系统。对应于浴盆曲线，MTBF描述偶然失效区的失效，而MTTF描述耗损区的失效情况。

在1983年以前，一般以MTBF来描述制冷机的可靠性，认为制冷机的失效属于随机失效模式。随着制冷机可靠性水平的提高和现场数据的积累，发现制冷机的主要失效机理如制冷机污染和部件老化磨损等都与时间有关，属于耗损失效模式，所以目前通用MTTF来描述制冷机的可靠性。在近期文献上还出现以MTTFF（Mean Time To First Failure）评价制冷机可靠性，它在数值上等于MTTF，但进一步强调制冷机的非维修性质，对于军用装备来说，这样的定义更为严格和实用[1]。

2.2 制冷机可靠性常用计算方法

目前世界上比较先进的制冷机公司在斯特林制冷机产品设计后都会对其可靠性进行预估，每个公司对其产品所采用的预估方法都不一样。

2.2.1 RICOR公司

RICOR公司对整体集成式斯特林制冷机采用Weibul（l威布尔）概率分布来预估制冷机的寿命，采用威布尔分布预估寿命需要基于相近的制冷机测试寿命[2]。如该公司对K560制冷机预估寿命方法为：

1）假设该威布尔分布的形状参数β≌7.5。

2）假设该威布尔分布的比例参数α=5 780 h。

由以上2个参数可以得到预估的K560制冷机可靠性为5 430 h。

2.2.2 Thales Cryogenics公司

Thales Cryogenics公司也采用Weibul（l威布尔）概率分布来预估制冷机的寿命[3]。Thales Cryogenics公司认为在制冷机中要想获得所有零部件的可靠性是比较困难的。如有该部件的失效数据，则MTTF=∑（运行时间）/失效的数目；如没有该部件的失效数据，则MTTF=∑（运行时间）。如对RM2/01制冷机的可靠性，Thales Cryogenics公司计算了轴承失效时间、制冷机密封失效时间、驱动控制器失效时间、气体污染失效时间和活塞磨损失效时间。各部件的失效比例依据Thales Cryogenics的经验获得。最后就可计算得到RM2/01制冷机的可靠性。

2.2.3 BAE System公司

BAE System公司采用功率时间法来预估制冷机的寿命[4]。根据这个方法，一台制冷机的总耗能（比如制冷机的平均输入功耗和总运行时间的乘积）是一定的。在实际的制冷机测试过程中，作为随时间变化的制冷机输入功率将被提高，由此可通过积分计算寿命测试曲线得到制冷机的总耗能。采用这种方法计算制冷机寿命的缺点，在于它需要知道制冷机的寿命测试功率曲线。

3 国外斯特林制冷机可靠性发展情况

国外长寿命制冷机可靠性由20世纪60年代几千小时发展到现在的100 000 h。目前国内长寿命制冷机也取得了长足的进步，预计寿命也能达到30 000 h。微型斯特林制冷机随着军用红外技术的发展而不断改进，其可靠性逐步提高，大致经历了上世纪50年代至80年代、上世纪90年代和2000年之后3个主要的发展阶段。

3.1 上世纪50年代至80年代

上世纪50年代后期，美国研制出最早的军用斯特林制冷机，并应用于高空侦察机的红外照相机，工作寿命只有几百小时。1976年，荷兰菲利普公司研制出最早的直线谐振制冷机，制冷机的可靠性有了进一步的提高。1983年，荷兰菲利普公司研制出直线电机驱动的分置式斯特林制冷机，工作寿命达到近千小时。上世纪80年代末期，在发达国家出现了众多的双直线电机双活塞对压减振的分置式制冷机。此类制冷机体积小、质量轻、寿命多在3 000 h以上，是一种高水平的军用制冷机。与此同时，80年代末还出现了所谓“集成探测器、杜瓦、制冷机组件（IDDCA）”技术，大幅度降低制冷机的功耗、振动和磨损等，延长了使用寿命。在此基础上，RICOR公司研制出K506（K508的前身）集成整体式斯特林制冷机，该制冷机寿命在3 000 h左右。国外80年代制冷机可靠性参数见表1所列。

3.2 上世纪90年代

上世纪90年代，为满足二代红外焦平面探测器组件发展需求，美国国防部制定了SADA系列（Standard Advanced Dewar Assembly）标准。该标准包括了一系列的线性斯特林制冷机。这个系列制冷机的主要特点是成本低（低于10 000美元），可靠性水平一般（MTTF在4 000～8 000 h之间），降温时间快（常温环境降温到80 K时小于15 min）。其制冷量从0.15～1.75 W。同期的旋转电机制冷机MTTF也上升到6 000～8 000 h。国外90年代制冷机可靠性参数见表2所列。

表1 80年代国外典型军用斯特林制冷机可靠性参数

表2 90年代国外典型军用斯特林制冷机可靠性参数

3.3 2000年

2000年之后，不论是旋转式斯特林制冷机还是线性斯特林制冷机的可靠性都有了更进一步的提升。目前这2种制冷机的可靠性都超过了20 000 h。表3是新世纪国外典型军用斯特林制冷机可靠性参数。

表3 新世纪国外典型军用斯特林制冷机可靠性参数

3.3.1 线性斯特林制冷机的发展

进入2l世纪，线性斯特林制冷机主要以动磁式斯特林制冷机为主[5，6]。法国Thales Cryogenics公司和德国的AIM公司都重点发展了这种类型的斯特林制冷机。该制冷机的主要特点是电机采用动磁式线性电机，支撑结构采用板弹簧支撑，使微型斯特林制冷机的可靠性提高到20 000 h以上。

同时，在美国DOD（Department of Defense）的支持下，DRS公司对SADA系列斯特林进行了改进[7]。改进的最大特点是将支撑动圈振子的螺圈弹簧改成板弹簧，使得SADA系列的制冷机可靠性提高到15 000 h以上。

2010年，Thales Cryogenics公司公布了一款超小型斯特林制冷机UP8497，这种制冷机的质量只有600 g，可靠性达到15 000 h。UP8497通过改进活塞耐磨材料和减轻动圈质量来提高制冷机可靠性。需要指出，Thales Cryogenics公司通过改进活塞耐磨材料，其所有动圈式线性斯特林制冷机的可靠性都已提升到15 000 h。目前Thales Cryogenics正在开展一个分离摩擦程序，通过这个程序Thales Cryogenics公司期望找到制冷机在热像仪中的最佳安装位置，以便减小制冷机活塞的实际磨损率，提高制冷机的可靠性[8]。此外Thales Cryogenics采用DSP（Digital Signal Processing）技术对其控制器进行了改进，经过改进后的控制器效率从80%提高到90%以上[9]。由于控制器效率的提高，Thales Cyogenics的线性斯特林制冷机产品的制冷量普遍有了0.3 W以上的提高。由于制冷机性能的提高，必然会减小制冷机实际运行时的功耗，从而提升制冷机的可靠性。

3.3.2 旋转式斯特林制冷机的发展

传统观念认为，旋转式斯特林制冷机的可靠性要想超过10 000 h是非常困难的。但随着一些新的工艺技术应用，其可靠性也能突破10 000 h，甚至预计可以达到20 000 h。

Thales Cryogenics公司对其旋转式斯特林制冷机的最大改进是采用了新型轴承（Super Duplex bearing）。这种轴承的最大特点是将来自活塞的径向压力分解了一部分到轴向，同时其双列滚珠能够承受更大的负载。通过这个改进，Thales Cryogenics公司的旋转式斯特林制冷机的可靠性已经接近10 000 h。

K508旋转式斯特林制冷机一直是以色列RICOR公司的主产品。最近RICOR公司对K508制冷机进行了改进，其目标是在保持制冷机原有的外形尺寸前提下，提高制冷机的可靠性。RICOR公司主要通过优化轴承、改善润滑脂、调整内部零件分布和改善预安装力来增加制冷机寿命。经过这些改进K508N制冷机的寿命预计可以达到20 000 h。

3.4 国外斯特林制冷机发展趋势

图1 国外战术用微型斯特林可靠性发展趋势

以表1、表2和表3所列数据为依据可绘制出国外战术用斯特林制冷机可靠性发展趋势。如图1，从该图可看出制冷机的可靠性从上世纪90年代开始大幅提升。而从90年代开始，国外的红外焦平面探测器开始批量生产，正是由于红外探测器的发展对制冷机可靠性提出了更高要求。随着第三、第四代更大规模阵列和更高分辨率的红外探测器研制，可以预期制冷机可靠性会有以下几点发展趋势。

1）高分辨率探测器要求更大制冷量，更强的环境适应性，对制冷机提出更高可靠性要求。

2）更高工作温度的短、中波红外探测器的出现将极大提高制冷机可靠性。

3）长寿命制冷机的重新定义。传统理论认为因为旋转电机驱动制冷机存在曲轴连杆侧向力的瓶颈，长寿命制冷机只可能是线性制冷机。随着RICOR公司K508N可靠性20 000 h的突破，体积小、质量轻、功耗低的旋转电机驱动制冷机也加入长寿命大军，其可靠性可望有较大提高。

4 国内斯特林制冷机可靠性发展情况

国内的微型斯特林制冷机研制工作从上世纪80年代开始，90年代初制成原理样机，其工作寿命仅为数百小时。90年代末到新世纪初随着国内制冷机研制单位（如昆明物理研究所和电子部第十六所）引进国外的制冷机生产线，制冷机的可靠性水平大幅提升，寿命达到4 000 h。进入2000年之后，随着热像系统对制冷机可靠性要求越来越高，国内开始研制可靠性突破10 000 h的战术用微型斯特林制冷机。到“十一五”计划完成时，国内斯特林制冷机工作寿命有望达到几万小时。

5 可靠性加速试验

除单一失效机理的研究外，验证可靠性水平还需要进行大量整机工作寿命试验。由于可靠性试验耗时长久，国际通行方法是通过加速寿命试验，对可靠性进行评估。

加速寿命试验采用加大应力的方法促使样品在短期内失效，但不改变受试样品的失效分布，以此预测在正常工作条件或储存条件下的可靠性。加速寿命试验指导原则有：

1）加速应力水平的严酷程度不能超过制冷机设计的工作能力；

2）加速试验所表现的典型失效模式必须与常规试验一致，即不引入新的失效机理；

3）易于实现。

目前加速寿命应力类型大致有以下几种：

1）温度循环。采取温度循环作为加速应力、同时辅以开关机试验，可以模拟实际工作情况。每个制冷机制造公司选用的环境试验剖面不尽相同。

2）高温。高温连续开机运行可以加速制冷机的污染气体挥发，同时增加活塞系统磨损，达到加速试验的目的。根据Miskimins和Kuo提出的“功率-时间”函数，制冷机功耗与寿命负相关，功耗增大则制冷机寿命降低。随着环境温度增加，制冷机功耗增大。通过该函数可以衡量高温对制冷机寿命的加速效果。

3）加大活塞行程。该方法主要是针对线性制冷机。加大压缩机活塞的行程，加速活塞/气缸副的磨损，达到加速寿命老化的目的。

需要指出的是，加速寿命试验不能够直接显示制冷机可靠性。它需要将已知可靠性水平的制冷机进行加速试验，并与待验证可靠性制冷机的加速试验结果相比较，以此估算待验证制冷机可靠性。从这个意义上说，加速寿命试验得出的可靠性水平更接近一个序数概念。

6 结束语

从目前斯特林制冷机可靠性研究现状看，国内制冷机可靠性水平与国外尚有较大差距。国外军用微型制冷机MTTF已经达到20 000～30 000 h，而国内只有数千小时，相当于国外上世纪90年代末期水平，制冷机可靠性发展任重而道远。另外由于国外技术保密及建立可靠性增长模型需要大量试验基础沉淀，国内研究所对于可靠性影响机理及可靠性加速模型还有很多未知部分，有待进一步研究，从而加快制冷机可靠性水平的提高，以促进新产品的研发。

[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.

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