斯特林制冷机磨损和污染的特性分析
斯特林制冷机无油润滑间隙密封的设计与研究
斯特林制冷机无油润滑间隙密封的设计与研究李垒;张姗【摘要】传统的制冷机回热器常使用接触式滑动密封,存在磨损,限制了制冷机的使用寿命.间隙密封的应用则可以避免这些问题.斯特林制冷机的密封关键在于气缸与活塞的间隙密封,能否有效地将其密封直接影响了斯特林制冷机的性能与可靠性.斯特林制冷机回热器采用间隙密封,这种密封方式不仅可以达到密封的目的,同时可以消除因密封面接触而产生的磨损,以及因此而产生的磨损污染.但是,由于间隙内气体的泄漏,引起了冷量的损失,使制冷量减少.因此在间隙密封的设计中要合理设计间隙的大小以及间隙的偏心度,以确保密封的有效性及其使用寿命.【期刊名称】《枣庄学院学报》【年(卷),期】2013(030)002【总页数】4页(P102-105)【关键词】斯特林制冷机;间隙密封;冷量损失【作者】李垒;张姗【作者单位】枣庄学院机电工程学院,山东枣庄277160;枣庄学院机电工程学院,山东枣庄277160【正文语种】中文【中图分类】TB6630 引言目前，制冷机械的泄漏主要通过设置密封装置的方式来防止泄漏. 根据运动特性与工作状态的不同，常用的密封装置可分为动密封和静密封两大类，而动密封又根据接触方式的不同分为非接触式密封和接触式密封两种［1］. 两者虽然各有优缺点，但通常认为非接触式密封的性能更好，更适用于制冷机械.这主要是因为对于非接触式密封而言，其密封表面不相互接触，故接触面不存在机械摩擦，较之于接触式密封就节省了这部分功耗.同时，因无机械摩擦，故而在活塞与气缸之间也不会产生因磨损而产生的污染. 斯特林制冷机常采用的密封方式就是非接触密封中的间隙密封.间隙密封不仅可以使斯特林制冷机达到密封的目的，同时，可以消除因为密封而浪费的功耗，以及由此而产生的污染. 斯特林制冷机间隙密封的原理就是在密封间隙中注入被密封的工质(常为制冷剂)，通过降低间隙中工质的压力达到密封的目的.虽然间隙密封会存在一定的间隙而产生泄漏，但通常泄漏量较小，不会影响系统的正常工作. 泄漏量的大小主要由密封间隙和系统内外压力差所决定，密封间隙通常由制造工艺等确定，而系统内外压力差由系统内压力确定，系统外压力常为大气压. 泄漏的工作介质在通过密封间隙时，会产生节流作用.为了精确节流，减小工作介质的泄漏，会存在一个最小泄漏量，采用间隙密封的方式必然会存在一定量的泄漏(铁磁流体密封除外). 所以，在不影响制冷系统正常运行的情况下，可以求得该系统的最小泄漏量［2］.间隙密封设备中常采用活塞环来实现密封. 斯特林制冷机也存在有活塞与气缸，因此常采用活塞环进行密封.而活塞环属于易损件，因此限制了斯特林制冷机的工作使用时间.活塞与气缸本身的磨损，加上密封活塞环所带来的磨损，以及由于磨损而产生的污染，进一步减小了斯特林制冷机的使用寿命，增加了泄漏，为延长斯特林制冷机的使用寿命带来了困难.因此，为延长斯特林制冷机的使用寿命，必须研究其密封方式，取消密封环的使用而采用其他密封方式.目前，为延长斯特林制冷机的使用寿命，其密封普遍采用间隙密封的方式［3］.间隙密封在活塞部位的密封主要是通过活塞与气缸之间的微小径向间隙，并使其轴向具有一定长度，通过这部分空间内介质压力的变化来实现密封的一种密封形式.在孔轴处，间隙密封在装配时的要求是需通过定心装配，使孔轴部件间存在一定间隙值，达到无接触密封.因而，在这类斯特林制冷机运转时，在气缸与活塞、孔与轴之间的密封采用间隙密封，达到无摩擦无磨损密封的目的. 综上可知，高效、长寿命、高可靠性的斯特林制冷机的密封可采用间隙密封的密封方式.所谓“自润滑”，对斯特林制冷机来说就是采用无油润滑间隙密封，在不添加润滑剂的情况下就可自动润滑的密封方式.“自润滑”常因无需润滑油，特别适用于压缩介质不能接触油液，或者其他特殊场合，比如各种不能存在氧气或油液的场合. 对于斯特林制冷机，如果密封材料选择不当，或者密封装置安装不合理，就会导致制冷系统频繁发生故障，制冷效率降低，甚至使制冷设备和相关配件的使用寿命大大缩短.1 间隙密封材料的选择最初的摩擦密封材料常选用金属材料，从1934 年开始，以石墨制造的密封元件登上历史舞台，在应用于第一台无油润滑往复式空气压缩机之后，人们逐渐认识到非金属材料作密封元件的优良特性.制冷压缩机活塞与压缩缸部位的无油润滑是通过采用具有自润滑性能的非金属材料制造密封元件来实现，同样，斯特林制冷机也是采用这种自润滑材料来实现无油润滑.制冷上常采用的材料主要为填充聚酰亚胺(PI)和填充聚四氟乙烯(PTFE)等.填充聚四氟乙烯作为密封元件的材料，其做法是在聚四氟乙烯基体中，加入特定比例的填充物(青铜粉、玻璃纤维、二硫化钼、石墨等)制作而成，以这种材料制造的密封元件具有优良的耐磨性能，是制造自润滑密封元件的首选材料之一. 但是，填充聚四氟乙烯材料在高温高压下会产生蠕变，从而引起密封元件的使用寿命缩短、耐磨性变差的问题.而以填充聚酰亚胺制造的自润滑密封元件可以克服这些问题，这在现在实验所用的密封材料中已有很好的体现. 目前，出现了一种新型材料:复合型填充聚四氟乙烯，它是由60%的高分子材料作为主体，同时对其填充一定量的的对羟基苯甲酸聚酯、玻璃纤维等材料，最后采用热压技术成型.以这种复合材料制造的密封元件，其表面硬度和导热系数均远高于普通填充聚四氟乙烯材料，同时具有优良的耐磨和自润滑性能，价格也远低于填充聚酰亚胺和填充聚四氟乙烯［4－7］.2 间隙密封泄漏量的理论分析90 年代以来，关于斯特林制冷机研究的热点，主要为如何提高其制冷效率和工作性能方面.而现阶段的斯特林制冷机，其工作性能的提高关键在于可靠性的提高，主要取决与提高其回热器的使用寿命［8］.常用的活塞式斯特林制冷机，其需要密封的部位主要有三处，分别为压缩机压缩缸与压缩活塞之间的密封1，动力活塞与压缩气缸之间的密封2，还有就是压缩缸与动力活塞之间的间隙密封3，具体结构如图1 所示.间隙密封由于间隙的存在，必然会造成一部分工作介质的泄漏，对于制冷系统来说，就会造成一部分制冷量的减少，以及制冷剂的损失.根据图1，结合斯特林制冷机的运行可知，这三处密封情况各不相同:间隙密封1 处因其两端制冷剂温度的不同而存在较大的温差，间隙密封2 处则会具有交替发生变化的压力差，间隙密封3 处则是上下两个密封表面都处在运作状态［9］.图1 密封间隙模型图Fig.1 Seal gap model diagram关于斯特林制冷机的间隙密封，其数学描述为:间隙中气体的基本控制方程为:上式中ρ、μ、p 分别为气体密度、动力粘度系数和压强分别表示气体所受力和速度矢量，t 则为时间.间隙中气体的状态方程为:上式中T 为气体温度，R 为常用质量气体常数.由于实际情况和计算的不同，以下计算基于如下假设［10］:(1)间隙中介质的厚度远小于它的宽度和长度(如非必要，部分计算中可忽略);(2)沿间隙中介质厚度方向上的压力变化可忽略，即为方便计算，假设空隙中没有旋转运动，间隙中介质的流动可看作一维流动;(4)忽略介质重力的影响;(5)假设介质的流动是准稳态的;(6)介质的流动较复杂，简单假设为层流流动;其控制边界条件为:y = h/2，u = up;y = － h/2，u = ud.式中h 为间隙密封的间隙高度，up、ud 分别为密封间隙流动上边界速度和下边界速度.如其间隙为环形，则其宽度为πDm，其中为名义直径，D1、D2 分别为此间隙的内直径和外直径.则关于此间隙的质量泄漏率G 可由下式计算:上式中的泄漏主要由三项组成:第一项和第二项的泄漏由速度边界层引起，第三项的泄漏由两端压差引起.3 偏心对间隙密封泄漏量的影响对于间隙密封来说，在孔轴设备装配的时候，由于装配误差的存在，使孔轴产生一定的偏心，因此，在孔轴的径向(圆周方向)，间隙密封的间隙大小不再是一常数，存在一定变化，符合下式:式中，为孔轴理想装配间隙为孔轴偏心度，e 为偏心量［11］.偏心环形密封间隙内介质的流动实际上是复杂的二元流，如要对其流动进行精确计算，则非常困难.根据前面的假设(1)可知，间隙中介质流动膜的厚度同它的宽度和长度相比较起来非常小，即间隙很小，则此处可将其简化为一元流动. 根据前面的介质速度公式，将介质按层流来处理，引入偏心，则可近似得到孔轴偏心时的泄漏量:由上式可见，装配偏心度与泄漏量的关系是成两次函数的关系，孔轴偏心度的增大会导致其密封处泄漏量的增加［12－13］. 装配偏心度的存在，对于斯特林制冷机的工作非常不利.对于间隙密封，密封元件的偏心还会使密封元件产生摩擦，以及由此而产生的磨损.磨损还会导致偏心度的进一步增大，密封间隙也随之增大，使泄漏量大大增加，降低了制冷机的制冷量.同时，磨损产生的污染也是很大的，碎屑会污染气缸或孔轴等部位，堵塞密封间隙，甚至严重降低制冷机的使用性能和可靠性，从而减小制冷机的寿命.4 结论从密封材料的性能选择上看，可知斯特林制冷机回热器的内壁材料可选用绝热性能良好或具有耐高温高压性能的材料，减小由于温度梯度过大而产生的泄漏量增大. 对于非金属自润滑密封材料可选用具有优良的自润滑和耐磨性的复合材料，如复合型填充聚四氟乙烯材料.影响间隙密封性能的因素除了材料以外，就是考虑间隙h 取值的大小问题. 在实际加工过程中，一般为了便于加工与安装，常将间隙h 取得稍大一些.但是间隙h过大，会使泄漏率增大，从而降低制冷效率，如斯特林制冷机活塞与压缩缸之间间隙密封内的泄漏与间隙h 成正比.所以，在保证活塞与压缩缸不会卡死的情况下，应尽可能的减小h 的取值，从而减少密封泄漏，提高系统效率，综合考虑间隙h 的选取. 另外，在对斯特林制冷机的装配过程中，应对间隙密封面进行合格检测，保证安装的精度和同轴度.参考文献［1］朱玉峰，董金华.无油润滑压缩机中开口型导向环的设计与研究［J］.润滑与密封，2009(6):49 －52.［2］杨绍侃.无润滑活塞密封的结构与设计［R］. 西安:西安交通大学科研处，1983.［3］朱玉峰，彭宝成.全无油润滑压缩机设计中参数选取的研究［J］.润滑与密封，2006 (6):71 － 73.［4］邓晓辉，郭方中.回热式制冷机间隙密封泄漏率的计算及实验研究［J］.低温工程，1995(1):42 － 50.［5］陈楠.大冷量斯特林制冷机用动磁式直线压缩机理论及实验研究［D］.上海:上海交通大学，2007.［6］李海生，陈英华.无油润滑涡旋压缩机轴向间隙密封的研究［J］.煤矿机械，2007(6)43 －46.［7］李海生，刘振全，彭斌.无油润滑涡旋压缩机齿端面密封的研究［J］.润滑与密封，2006(1):108 － 110.［8］陶丽，陈俊华.斯特林制冷机回热器间隙密封冷量损失分析(一)［J］.江苏工业学院学报，2004，16(3):18 － 20.［9］龚俊，田文静.斯特林发动机气缸与活塞间隙密封的泄漏量分析［J］.机械制造，2010，48(10):37 －39.［10］Jaime Reed.An investigation of certain thermodynamic losses in miniature cryocoolers［D］.Research report:NSN 7540 －01 －280 －5500，Cryogenics Group，Oxford University，2005:1 －29.［11］陶丽，陈俊华.斯特林制冷机回热器间隙密封冷量损失分析(二)［J］.江苏工业学院学报，2005，17(4):12 － 14.［12］吴迎.无油润滑压缩机的复合型填充PTFE 导向环活塞环［J］.化工装备技术，1997，18(4):17 － 19.［13］马诗旻.自由活塞式斯特林制冷机压缩活塞间隙密封泄漏的数值模拟［J］.制冷低温，2011(3):24 －28.。
《低温与超导》2010年总目录第38卷第159期～第170期
饱和液体氦 一 ３的粘 度性 质 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 黄 永 华 ， 王晓 建 ， 王如 竹 Ｅ Ｓ ｋ ４ Ａ Ｔ２ Ｗ／ Ｋ氦制 冷 机 检 漏 及 真 空 系统 运 行 情 况 … … … … … … … … … … … … … … 吴克平， 明 ， 启勇， 庄 张 等 １ ６ ９ ｌ ３
涡 流 管 研究 进 展 及 在 天 然 气工 业 中 的应 用 … … … … … … … … … … … பைடு நூலகம் … … … … … … … 石 鑫 ， 淑 凤 ， 立 孙 王
１
９ ｌ ３
１ ８
基于 Ｄ Ｓ的 Ｅ Ｓ Ｃ Ａ Ｔ内置低温泵监控 系统设计 … … … … … … … … … … … … … … … … 胡良兵 ， 夏根 海， 庄明， 等 斯特林 制冷机磨损和污染 的特性分析 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 刘向阳， 杨少华 低温下不锈钢导热系数的测量 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 葛琪林 ， 柳建华 ， 张良， 等
倾 斜 管 内 低 温两 相 弹 状 流 特性 实验 研 究 —— 弹状 汽泡 运 动 速 度 … … … … … … … … … 张 华 ， 满峰 ， 李 巨永 林 ， 等 低 温 吸 附 泵用 椰 壳 活 性 炭 的性 能测 试 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 谢 远 来 ， 明 明 ， 汪 陶玲 ， 等
载 气 汽 油 蒸 汽在 水 平 圆管 内的 冷凝 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 侯 银 燕 ， 维 李 环 形 翅 片 的 分析 模 拟 与 优 化设 计 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 冯 毅 ， 毅 欣 李
国军标_斯特林制冷机通用规范_中相关问题探讨
在以上条件都满足后, 让制冷机在规定的工况下 进行工作, 测试制冷机的各项性能指标及表面温升 , 则 只有当制冷机的各项性能指标满足规定的要求且其表 面温升不高于 15# 或其它规定的温度时, 该制冷机才 是合格的制冷机 , 否则 , 都属于不合格制冷机。 通过以上论述我们可以看到, 当加上上述特定的 散热条件后 , 表面温升其实也就相当于制冷机的一个 考核指标了。经考核合格后的制冷机 , 就不存在如前 所述的争议。 2 . 2 电磁兼容问题 ( 1) 电磁干扰的危害 在电磁环境中, 电磁干扰造成的危害是各种各样 的 , 可能从最简单的令人烦恼的现象直到严重的灾难。 有这样两个例子 , 可以说明电磁干扰的严 重性。 曾经有一个钢铁厂, 由于起吊溶融钢水包的天车的控 制电路受到电磁干扰 , 以致使一包钢水被完全失控地 倾倒在车间的地面上, 并造成了人员伤亡。另一个例 子是, 一个带有由生物电控制假肢的残疾人, 驾驶一辆 摩托车 , 途经高压送电线下方, 由于假肢控制电路受到 干扰而使摩托车失控 , 导致了不应发生的事故。 由上可见 , 电磁环境的恶化, 会导 致多方面的后 果。开展电磁兼容研究, 加强电磁兼容管理, 降低电磁 骚扰, 避免电磁干扰, 是当务之急。 ( 2) 解决斯特林制冷机电磁兼容问题的重要性 在 2003 年发布的 GJB5029 中, 斯特林制冷机是依 据美军标及其他国外标准的模式, 以不含驱动电源的 形式出现的, 所以电磁兼容问题 没有在标准中规 定。 但在最近几年的应用中 , 用户及制造方都迫切地感受 到 , 电磁兼容问题在红外成像等 系统中的影响很 大。 而国内制冷机供货时 , 都是配驱动电源的, 所以, 将电 磁兼容的考核与制冷机剥离开来, 对制冷机的研制、 生 产和使用都造成了很大的障碍, 规定电磁兼容指标已 是一个迫在眉睫的问题。
斯特林冰箱的关键技术分析
作者：admin关键词：冰箱,自由活塞斯特林制冷机,环境保护,关键技术摘要: 斯特林制冷技术具有“绿色”制冷剂﹑制冷温度低﹑节能﹑制冷量易控等特点，在冰箱上的应用具有极大的优势。
本文对斯特林冰箱的研制提出了初步的构思，并对斯特林冰箱的几个关键技术分别进行了介绍，最后展望了这种极具潜力的冰箱技术的发展前景。
关键词: 冰箱；自由活塞斯特林制冷机；环境保护；关键技术0 前言19世纪60年代A. Kirk利用逆向斯特林循环进行制冷，获得成功以来，斯特林制冷技术发展已有百多年历史【1】，然而由于技术水平的限制，在20世纪90年代才有美国的Sunpower公司研制成功可用于冰箱系统的斯特林制冷机。
目前国内还无斯特林冰箱产品。
作为一种新型的冰箱制冷技术，相对于传统的蒸汽压缩节流冰箱系统，采用斯特林制冷循环的冰箱具有高效率﹑“绿色”制冷剂﹑制冷温区广﹑启动电流低﹑制冷量易控等特点，在环保及节能方面具有明显的优势。
斯特林冰箱与传统的冰箱有极大的不同，斯特林冰箱采用整体式自由活塞斯特林制冷机作为冷源，其原理是氦气膨胀制冷，因而无节流系统和蒸发器。
斯特林冰箱的核心是斯特林制冷机，其技术和性能决定了斯特林冰箱的研究和发展。
因此设计制造高效率﹑长寿命﹑大冷量的斯特林制冷机是研究的关键；斯特林制冷机冷头到冰箱冷空间的冷量传递是影响系统整体效率的重要因素，也有必要进行详细研究。
1 自由活塞斯特林制冷机斯特林制冷机的结构有多种，按形状分有整体式和分体式；按结构分有型﹑型﹑型【2】。
用于冰箱的斯特林制冷机宜采用整体式自由活塞结构。
William Beale 在20世纪60年代早期首次在斯特林冷机中使用自由活塞技术，自由活塞型斯特林制冷机（FPSC）的特点是利用气动技术进行膨胀制冷的，即通过气体压力差和弹簧控制推移活塞的运动，而不在膨胀机部分使用电机。
采用直线电机驱动压缩机，利用气体轴承和板弹簧支撑内部的运动部件。
自由活塞斯特林制冷机具有结构紧凑、重量轻、无油、运动部件少、可靠性高、低噪音、低振动、不易磨损、寿命长、制冷量方便可调等优点【3，4】。
斯特林制冷机原理
斯特林制冷机原理
斯特林制冷机是一种基于斯特林循环原理的制冷设备，它利用压缩、冷凝、膨
胀和蒸发等过程来实现制冷效果。
斯特林制冷机通过循环工质在高温和低温之间的交换，实现对低温物体的冷却，是一种高效、节能的制冷方式。
下面我们将详细介绍斯特林制冷机的原理及其工作过程。
首先，斯特林制冷机的核心部件是斯特林机，它由两个活塞、两个热交换器和
一个冷却器组成。
当活塞上下运动时，工质在高温和低温之间进行循环，从而实现制冷效果。
斯特林机的工作原理是基于斯特林循环，即通过压缩、冷凝、膨胀和蒸发等过程来实现热量的转移和制冷效果。
其次，斯特林制冷机的工作过程可以分为四个阶段，压缩、冷凝、膨胀和蒸发。
在压缩阶段，活塞向上运动，将工质压缩并加热，使其温度升高；在冷凝阶段，热交换器将热量释放到外部环境中，使工质冷却并凝结成液体；在膨胀阶段，活塞向下运动，使工质膨胀并吸收外部热量，使其温度降低；在蒸发阶段，工质再次吸收外部热量并蒸发成气体，完成一个循环。
最后，斯特林制冷机具有许多优点，如工作稳定、噪音低、无污染、节能环保等。
它适用于一些对制冷效果要求高、环境要求严格的场合，如医药、食品、化工等行业。
同时，斯特林制冷机也可以与太阳能、地热能等可再生能源结合使用，实现能源的可持续利用，具有广阔的应用前景。
综上所述，斯特林制冷机是一种基于斯特林循环原理的制冷设备，通过压缩、
冷凝、膨胀和蒸发等过程来实现制冷效果。
它具有工作稳定、节能环保等优点，适用于医药、食品、化工等行业，并具有广阔的应用前景。
希望通过本文的介绍，大家能对斯特林制冷机有更深入的了解。
斯特林制冷机污染退化的加速寿命模型
2008年8月Infrared Technology Aug.20086〈制冷技术〉斯特林制冷机污染退化的加速寿命模型杨少华1，张晓明1，刘心广2，吴亦农2(1.信息产业部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术国家级重点实验室，广东广州510610;2.中国科学院上海技术物理研究所，上海200083)摘要：基于制冷机的污染失效机理、材料出气特性，探索性地提出制冷机污染退化的加速寿命模型，阐述了各模型参数的物理意义，并利用4300h 的加速试验数据建模拟合，发现与加速寿命模型有较好的符合关系，最后提出外推到常规条件寿命的加速系数的计算方法。
由于试验数量少，所得模型尚不成熟，需要更多的后续试验来验证，但该寿命模型的提出，对于实现快速寿命评价和考核具有参考价值。
关键词：斯特林制冷机；污染；寿命模型；加速系数中图分类号：TB651文献标识码：A文章编号：1001-8891(2008)08-0462-03An Accelerated Life Model for Contamination Degradation of Stirling CryocoolerY ANG Shao-hua 1，ZHANG Xiao-ming 1，LIU Xin-guang 2，WU Yi-nong 2(1.National Key Laboratory for Reliability Physics of Electronic Products,the No.5th Institute of Information Industry Ministry of P.R.C,Guangzhou Guangdong 510610,China;2.Shanghai Institute of Technological Physics,Chinese A cademy of Sciences,Shanghai 200083,China)Abstra ct ：In this paper,based on contamination failure mechanism and material outgassing characteristic,an accelerated life model for performance degradation of Oxford type stirling cryocooler is established,and the physical meanings of model parameters are discussed.Fitted by a 4300hours high temperature operation accelerated life test data,it is found that the life data is agree with the life model very well.Finally,life accelerated factor is introduced,which an lifetime extrapolation method from accelerated operation to conventional condition.For lack of test samples,the model obtained is not mature and requires more added test to validate.However,this model is referable and valuable to achieve quick life evaluation and assessment.Key wor ds ：stirling cryocooler ；contamination ；life model ；accelerated factor引言基于焦平面列阵的空间遥感技术已广泛应用于宇航探测，微型牛津型斯特林制冷机是焦平面的最佳冷源和重要配套设备。
微型斯特林制冷机可靠性现状及趋势
微型斯特林制冷机可靠性现状及趋势陈晓屏【摘要】制冷机的可靠性一直是军用微型斯特林制冷机最重要的性能指标.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等几家公司的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.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2010(016)004【总页数】5页(P198-202)【关键词】微型斯特林制冷机;可靠性;趋势;加速【作者】陈晓屏【作者单位】昆明物理研究所,云南,昆明,650223【正文语种】中文【中图分类】TB6611 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。
斯特林制冷机22914ppt
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回热原理
回热制冷机特点
◦ 闭式循环 ◦ 周期性不稳定过程
产冷条件
◦ 系统压力周期性变化 ◦ 容积周期性变化 ◦ 压力和容积有一相位差
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实现机构
理想-间断运行 实际-曲柄连杆机构，往复运动 斯特林循环工质是在室温腔，冷却器，
回热器，冷量交换器和冷腔等部分来回 变动，气体总量不变，闭式循环。
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发展
最早1946年荷兰Philip公司实现空气液 化
普冷-深冷，3K 冷量从微型到大型（毫瓦级-46.8kw） 多缸制冷机 单级-多级 整体式-分置式 形式多样化：双活塞，推移活塞，平行排
列，角形排列等 多种驱动：曲柄连杆，摇盘，斜盘，菱形，
液压，电磁，启动驱动
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应用
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扰性支撑
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低温制冷技术
斯特林循环制冷机 吉福特-麦克马洪循环制冷机 脉管制冷机 节流制冷机 吸附式制冷机 热声制冷机 磁制冷机
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斯特林循环
两个等温过程 两个等容过程 回热 工质：氢气，氦气
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原理
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P-V，T-S
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过程
等温压缩 定容放热 等温膨胀 定容吸热
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效率
Cop-理想循环 换热器效率
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１ 引 言
分置式 斯 特 林 制 冷 机 因其 线 性 直 线 电机 驱
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
后， 制约 长寿命 制 冷 机 寿命 的 主要 失 效模 式 表 现 为工 质泄 漏 、 弹簧疲 劳 、 活塞与 汽缸 之 间的磨损 以 及工 质污染 等 四个 方 面 ， 中磨 损 和 污染 是 影 响 其 制冷 机性 能和 寿命 的关 键 因素 。
压 缩 机 膨 胀 机
动 ， 弹 簧支 撑 、 接触 间隙 密封 等 关 键技 术 ， 板 无 具 有工 作 寿命 长 、 冷 温 区低 、 构 紧凑 、 动小 等 制 结 振
特点 ， 已广泛 应 用 于 各种 精 密 探 测 仪器 。它 主要
存 在 工质 泄 漏 、 弹簧 疲 劳 、 板 活塞 磨 损 、 工质 污染
Ｌ ｕ Ｘｉ ｇ ｎｇ ｉ ａｎ ｙａ ，Ｙａ ｈａ ｈｕ ２ ｎｇ ｓ ｏ ａ
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（ ．Ｇ ａ ｇｈｕＭ ｒｉｅＣ ｌｇ ， ｕｎｚｏ １６０， ｈｎ ； ．Ｔ ｅＦｆ ｌ ｔ ｎｃＲ ｓａｃ ｓｔｔ ｏ ｄｓ ｙ １ ｕｎｚｏ ａ ｔ ｏ ｅｅ Ｇ ａｇｈ ｕ５０ １ Ｃ ｉ ２ ｈ ｉｈＥｅ ｒ ｉ ｅｅｒｈＩ ｔｕｅ ｆｎ ｕｔ ｉｍ ｌ ａ ｔ ｃｏ ｎｉ Ｉ ｒ ａ ｄＩｆｒ ａｏ ｅｈ ｏｏｙｏ ． Ｃ ｉ ， ｕｎｚｏ １６０ ｈｎ ） ｎ ｏｍ ｔ ｎＴ ｃｎｌ ｆ Ｒ． ｈｎ Ｇ ａｇｈ ｕ５０ １ ，Ｃ ｉ ｎ ｉ ｇ Ｐ ａ ａ
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四种 主要 失效 模 式 ， 中后 两 种 失 效 模式 是 制 约 其
制冷 机长 寿命 的 主要 因素 ， 要 在设 计 和研 制 过 需
程 中能精 确识 别和控 制 。 本文论 述 了斯特 林制冷 机 磨损特性 分 析用 的 激振 法测 阻 尼 比试 验 方法 和 工 质 污 染 的分 析 方 法， 可量化评 价 制冷机 的磨 损和 污染特 性 ， 已实 并
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际应 用 中。
图 １ 分 置 式 斯 特 林 制 冷 机 的结 构 图
２ 磨 损 和 污染 失 效 机 理
分 置式斯 特林 制冷 机在结 构上 采用 对置式 压 缩机、 线性 电机 、 弹簧支 撑 、 板 间隙密 封 等技术 ， 其 结 构 示 意 图 如 图 １所 示 。在 通 过剔 除 早期 失 效
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关键词 ： 斯特林制冷机 ； 磨损 ； 污染 ； 析 分
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低 温 与 超 导 第３ ８卷 第 ２期
低 温技 术
Ｃｒ ｏ ｅ ｉｓ ｙ ｇ ｎｃ
Ｃｒ ｏ ＆ Ｓ ｐｅｃ ｎ ｙ． ｕ ｒｏ ｄ Ｖｏ ． ８ Ｎｏ ２ 】３ ．
斯 特 林 制 冷 机磨 损和 污 染 的特 性 分 析
刘 向阳 ， 杨少华
（ ．广州航海高等专科学校 ， １ 广州 ５０ １ ２ １６ ０；．工业 和信 息化部 电子第 ５研究所 ， 广州 ５ ０ １ ） １６ ０
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