專利名稱：微型機(jī)械制冷機(jī)污染失效的測(cè)試裝置及測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間用的斯特林、脈管等微型機(jī)械制冷機(jī)的可靠性測(cè)試，具體是指通過(guò)向運(yùn)轉(zhuǎn)中的制冷機(jī)間隔添加試劑進(jìn)行污染加速試驗(yàn)，得到污染與制冷性能變化的量化關(guān)系的測(cè)試裝置及測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
近幾十年來(lái)，空間紅外遙感、超導(dǎo)濾波等重大國(guó)防、通訊技術(shù)的迅速發(fā)展推動(dòng)了微型機(jī)械制冷應(yīng)用的發(fā)展。斯特林、脈管等微型機(jī)械制冷機(jī)具有制冷溫度低、冷量大、效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，從而能保證紅外遙感、超導(dǎo)設(shè)備中探測(cè)器所需的低溫工作環(huán)境。對(duì)于空間應(yīng)用來(lái)講，微型機(jī)械制冷機(jī)的長(zhǎng)壽命和可靠性是急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著柔性彈簧、直線電機(jī)、間隙密封技術(shù)在微型機(jī)械制冷機(jī)中的成功應(yīng)用，機(jī)械失效的影響已經(jīng)大大降低。NASA的S.Castles等研究者(見(jiàn)“Space Cryocooler Contamination Lessons Learned andRecommended Control Procedures”，Cryocooler 11，649-657，2001)的成果及大量分析數(shù)據(jù)都表明長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中制冷機(jī)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生水蒸氣、酒精、丙酮等污染氣體，使制冷性能發(fā)生衰減。因此污染失效已經(jīng)成為影響機(jī)械制冷機(jī)壽命的關(guān)鍵因素，是事關(guān)國(guó)防、通訊等高新技術(shù)發(fā)展的一件急需解決的難題。
對(duì)于微型機(jī)械制冷機(jī)的污染失效問(wèn)題，目前大多是采取一些經(jīng)驗(yàn)層面上的控制措施，比如長(zhǎng)時(shí)間的高溫烘烤除氣、必要的沖刷置換以及保證裝配環(huán)境的清潔等，但還無(wú)法對(duì)污染失效控制進(jìn)行量化的測(cè)試與分析，從而也無(wú)法制定污染處理的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)制冷機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)甚至壽命預(yù)測(cè)。為達(dá)到這些目的，需要得到不同污染對(duì)制冷性能影響的量化規(guī)律。但微型機(jī)械制冷機(jī)內(nèi)的放氣污染是一個(gè)極其緩慢的過(guò)程，直接測(cè)試這種影響規(guī)律顯然是不現(xiàn)實(shí)的，也很難從理論上進(jìn)行定量計(jì)算。一個(gè)有效的辦法就是直接向運(yùn)轉(zhuǎn)中的制冷機(jī)定量注入污染試劑，進(jìn)行強(qiáng)化加速實(shí)驗(yàn)，對(duì)污染影響進(jìn)行測(cè)試。但是向運(yùn)轉(zhuǎn)中的制冷機(jī)添加污染試劑并非易事，添加過(guò)程應(yīng)滿足下列四個(gè)要求首先是可行性要求，制冷機(jī)內(nèi)部氦氣工質(zhì)高達(dá)十幾甚至幾十個(gè)大氣壓，實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)狀態(tài)下的在線添加并非易事；其次是可控性要求，要求污染試劑的質(zhì)量可以控制，可以對(duì)污染進(jìn)行量化添加；再次是開(kāi)機(jī)狀態(tài)下的連續(xù)添加，否則每添加一次都要對(duì)整機(jī)重新進(jìn)行污染處理、充氣，不僅實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，而且可比性差；最后很重要的一條是可信性要求，添加過(guò)程不能對(duì)制冷機(jī)的性能帶來(lái)附加影響。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述原由，本發(fā)明的目的就是要提出一種向運(yùn)轉(zhuǎn)中的制冷機(jī)定量間隔注入污染試劑，進(jìn)行污染加速試驗(yàn)，得到污染與制冷性能變化的量化關(guān)系的測(cè)試裝置及方法。
本發(fā)明的微型機(jī)械制冷機(jī)的污染失效測(cè)試裝置，包括污染試劑添加容器1、微型高壓三通閥2、電功率計(jì)3、計(jì)算機(jī)4、直流電源5、數(shù)據(jù)采集儀6、加熱片7、鉑電阻溫度計(jì)8。
微型高壓三通閥由閥芯201，以及通過(guò)閥芯軸向依次成密封聯(lián)接的閥蓋202、閥座203、閥體204組成。閥芯與閥體螺接，閥芯的一端置有旋鈕205，另一端體內(nèi)開(kāi)有一個(gè)“丁”字型通道206。閥體內(nèi)具有的“一”字通道的兩個(gè)接口207、208串聯(lián)于制冷機(jī)的壓縮機(jī)9和膨脹機(jī)10之間的連接管道11中，與“一”字通道相垂直的“L”通道口209內(nèi)置有污染試劑添加容器1。所說(shuō)的污染試劑添加容器是由毛細(xì)管道101，毛細(xì)管道上帶有帽蓋102組成。帽蓋內(nèi)填有O型密封圈103，通過(guò)螺釘104密封固定在閥體的側(cè)壁上。通過(guò)旋轉(zhuǎn)閥芯的旋鈕205，升高閥心，使放置污染試劑容器的毛細(xì)管通過(guò)閥芯內(nèi)的“丁”字型通道206與壓縮機(jī)和膨脹機(jī)之間實(shí)現(xiàn)三通，反之，下降閥芯，壓縮機(jī)9和膨脹機(jī)10之間相通，實(shí)現(xiàn)二通。
測(cè)試制冷溫度的鉑電阻8置于膨脹機(jī)的回?zé)崞骼涠松?，連接于數(shù)據(jù)采集儀6。測(cè)試制冷量的加熱片7也置于膨脹機(jī)的回?zé)崞骼涠松?，由直流電?提供負(fù)載，并連接于數(shù)據(jù)采集儀6。電功率計(jì)3置于制冷機(jī)和驅(qū)動(dòng)電源12之間，測(cè)量制冷機(jī)的輸入功率。電功率計(jì)和數(shù)據(jù)采集儀連接于計(jì)算機(jī)4，計(jì)算機(jī)內(nèi)裝有對(duì)溫度、制冷量、輸入功率信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)采集、顯示和保存的實(shí)時(shí)測(cè)量軟件。
利用上述裝置進(jìn)行污染失效測(cè)試方法的具體步驟如下1.首先調(diào)節(jié)微型高壓閥的閥芯，使微型高壓閥處于兩通狀態(tài)，即，只使聯(lián)接于壓縮機(jī)和膨脹機(jī)之間的連接管道相通，開(kāi)啟制冷機(jī)和測(cè)試裝置，計(jì)算機(jī)的COM串行接口連續(xù)采集數(shù)據(jù)采集儀與電功率計(jì)的測(cè)試數(shù)據(jù)，包括制冷量、制冷溫度、輸入功率，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換與實(shí)時(shí)顯示、保存，直到制冷量穩(wěn)定在某一數(shù)值。
2.對(duì)制冷機(jī)添加污染試劑，取下微型高壓閥上的污染試劑添加容器，放在天平稱上稱重，然后用注射針筒向污染試劑添加容器注入污染試劑，污染試劑添加量可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要而定，精度達(dá)1mg。再將此裝有污染試劑的容器裝回微型高壓閥，通過(guò)螺釘和O型密封圈使其與微型高壓閥密封，調(diào)節(jié)閥芯，使污染試劑添加容器與壓縮機(jī)和膨脹機(jī)相通，實(shí)現(xiàn)三向連通，制冷機(jī)內(nèi)的高壓氦氣將污染試劑汽化沖刷入工作腔，實(shí)現(xiàn)污染試劑的一次在線添加。由于回?zé)崞骼涠藴囟葹?0～100K，相當(dāng)于一個(gè)低溫泵，將污染氣體慢慢吸附凝聚，阻礙了工質(zhì)氦氣與回?zé)崞魈盍系膿Q熱，造成了回?zé)釗p失；同時(shí)由于污染堵塞了回?zé)崞魈盍系牟糠挚椎乐率沽髯柙龃螅鹆藟航祿p失，這些都造成制冷性能的衰減。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間待該污染量下的制冷性能穩(wěn)定后，即，直到測(cè)得的制冷量重新穩(wěn)定在新的某一數(shù)值。
3.再調(diào)節(jié)微型高壓閥閥芯，使微型高壓閥處于兩通狀態(tài)，即，只使聯(lián)接于壓縮機(jī)和膨脹機(jī)之間的連接管道相通，如此重復(fù)步驟2的污染試劑添加過(guò)程，直至制冷性能出現(xiàn)致命衰減，即性能下降40％，得到污染與制冷性能衰減的量化關(guān)系。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于1.把實(shí)際運(yùn)行中制冷機(jī)可能產(chǎn)生的污染以污染試劑的形式在線、連續(xù)定量添加到制冷機(jī)工作腔內(nèi)，進(jìn)行強(qiáng)化加速實(shí)驗(yàn)，打破了以往無(wú)法得到污染與制冷性能衰變的量化關(guān)系的尷尬，成功實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)污染失效因素的考核測(cè)試。
2.由于放置污染試劑的容器是一根毛細(xì)管，毛細(xì)的作用在裝配回閥體的過(guò)程中不會(huì)將試劑濺出來(lái)，整個(gè)污染試劑添加裝置內(nèi)部管腔的體積很小，實(shí)驗(yàn)表明對(duì)制冷機(jī)的附加影響極小，能滿足實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信性要求。


圖1為本發(fā)明的污染失效測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的微型高壓閥的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖2旋轉(zhuǎn)90°的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的實(shí)時(shí)測(cè)量軟件流程圖。
圖5是本發(fā)明的添加丙酮時(shí)測(cè)得的制冷性能衰變與添加量的關(guān)系圖。
圖6是本發(fā)明的添加酒精時(shí)測(cè)得的制冷性能衰變與添加量的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
利用上面所述的裝置和方法對(duì)制冷機(jī)的丙酮、酒精污染失效進(jìn)行測(cè)試，制冷機(jī)采用分置式斯特林制冷機(jī)，其性能指標(biāo)為60K/1W；數(shù)據(jù)采集儀用keithley公司的2700多通道數(shù)據(jù)采集儀；電功率計(jì)采用青島艾諾公司的Ainuo2102B。計(jì)算機(jī)內(nèi)裝有對(duì)溫度、制冷量、輸入功率信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)采集、顯示和保存的實(shí)時(shí)測(cè)量軟件，軟件流程如圖4所示。
測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示，橫坐標(biāo)表示污染試劑的質(zhì)量，縱坐標(biāo)表示不同溫區(qū)制冷量的變化。從實(shí)驗(yàn)曲線中可以看到隨著污染量的變化，制冷量的衰變出現(xiàn)了兩個(gè)關(guān)鍵拐點(diǎn)，中間有很長(zhǎng)的一段性能變化不大，這同機(jī)械制冷機(jī)可靠性考核中的“浴盆”失效模式相類似。由上述實(shí)施例可以看到，本發(fā)明成功實(shí)現(xiàn)了污染失效的考核測(cè)試，解決了長(zhǎng)壽命制冷機(jī)可靠性研究的關(guān)鍵難題。
本發(fā)明也可用于整體式機(jī)械制冷機(jī)，只需將污染試劑添加容器和微型高壓三通閥連接在靠近回?zé)崞鞯那惑w上，這需要對(duì)制冷機(jī)的原始結(jié)構(gòu)做適當(dāng)?shù)母膭?dòng)，但不難實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種微型機(jī)械制冷機(jī)污染失效的測(cè)試裝置，包括污染試劑添加容器(1)、微型高壓三通閥(2)、電功率計(jì)(3)、計(jì)算機(jī)(4)、直流電源(5)、數(shù)據(jù)采集儀(6)、加熱片(7)、鉑電阻溫度計(jì)(8)；微型高壓三通閥由閥芯(201)，通過(guò)閥芯軸向依次成密封聯(lián)接的閥蓋(202)、閥座(203)、閥體(204)組成；閥芯與閥體螺接，閥芯的一端置有旋鈕(205)，另一端體內(nèi)開(kāi)有一個(gè)“丁”字型通道(206)；其特征在于閥體內(nèi)具有的“一”字通道的兩個(gè)接口(207、208)串聯(lián)于制冷機(jī)的壓縮機(jī)(9)和膨脹機(jī)(10)之間的連接管道(11)中，與“一”字通道相垂直的“L”通道口(209)內(nèi)置有污染試劑添加容器(1)；所說(shuō)的污染試劑添加容器是由毛細(xì)管道(101)，毛細(xì)管道上帶有帽蓋(102)組成；帽蓋內(nèi)填有O型密封圈(103)，通過(guò)螺釘(104)密封固定在閥體的側(cè)壁上；通過(guò)旋轉(zhuǎn)閥芯的旋鈕205，升高閥芯，使放置污染試劑容器的毛細(xì)管道通過(guò)閥芯內(nèi)的“丁”字型通道(206)與壓縮機(jī)(9)和膨脹機(jī)(9)之間實(shí)現(xiàn)三通，反之，下降閥芯，壓縮機(jī)(9)和膨脹機(jī)(10)之間相通，實(shí)現(xiàn)二通；測(cè)試制冷溫度的鉑電阻(8)置于膨脹機(jī)的回?zé)崞?1001)冷端上，連接于數(shù)據(jù)采集儀(6)；測(cè)試制冷量的加熱片(7)也置于膨脹機(jī)的回?zé)崞骼涠松?，由直流電?5)提供負(fù)載，并連接于數(shù)據(jù)采集儀(6)；測(cè)量制冷機(jī)輸入功率的電功率計(jì)(3)置于制冷機(jī)和驅(qū)動(dòng)電源之間；電功率計(jì)(3)和數(shù)據(jù)采集儀(6)連接于計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)內(nèi)裝有對(duì)溫度、制冷量、輸入功率信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)采集、顯示和保存的實(shí)時(shí)測(cè)量軟件。
2.利用權(quán)利要求1所述的裝置進(jìn)行污染失效測(cè)試方法的具體步驟如下A.首先通過(guò)旋轉(zhuǎn)閥芯的旋鈕，下降閥心，使微型高壓閥處于兩通狀態(tài)，即，只使聯(lián)接于壓縮機(jī)和膨脹機(jī)之間的連接管道相通，開(kāi)啟制冷機(jī)和測(cè)試裝置，計(jì)算機(jī)的COM串行接口連續(xù)采集數(shù)據(jù)采集儀與電功率計(jì)的測(cè)試數(shù)據(jù)，包括制冷量、制冷溫度、輸入功率，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換與實(shí)時(shí)顯示、保存，直到制冷量穩(wěn)定在某一數(shù)值；B.對(duì)制冷機(jī)添加污染試劑，取下微型高壓閥上的污染試劑添加容器，放在天平稱上稱重，然后用注射針筒向污染試劑添加容器注入污染試劑，污染試劑添加量可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要而定；再將此裝有污染試劑的容器裝回微型高壓閥，通過(guò)螺釘和O型密封圈使其與微型高壓閥密封，調(diào)節(jié)閥芯，使污染試劑添加容器與壓縮機(jī)和膨脹機(jī)相通，實(shí)現(xiàn)三向連通，制冷機(jī)內(nèi)的高壓氦氣將污染試劑汽化沖刷入工作腔，實(shí)現(xiàn)污染試劑的一次在線添加；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間待該污染量下的制冷性能穩(wěn)定，即，直到測(cè)得的制冷量重新穩(wěn)定在新的某一數(shù)值；C.再調(diào)節(jié)微型高壓閥閥芯，使微型高壓閥處于兩通狀態(tài)，即，只使聯(lián)接于壓縮機(jī)和膨脹機(jī)之間的連接管道相通，如此重復(fù)步驟B的污染試劑添加過(guò)程，直至制冷性能出現(xiàn)致命衰減，即性能下降40％，得到污染與制冷性能衰減的量化關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種微型機(jī)械制冷機(jī)污染失效的測(cè)試裝置及測(cè)試方法，該裝置包括污染試劑添加容器、微型高壓三通閥、電功率計(jì)、計(jì)算機(jī)、直流電源、數(shù)據(jù)采集儀、加熱片、鉑電阻溫度計(jì)。該方法是利用微型高壓閥其中的一個(gè)通道放置污染試劑添加容器，通過(guò)控制微型高壓閥把實(shí)際運(yùn)行中制冷機(jī)可能產(chǎn)生的污染以污染試劑的形式在線、連續(xù)定量添加到制冷機(jī)工作腔內(nèi)，進(jìn)行強(qiáng)化加速實(shí)驗(yàn)。打破了以往無(wú)法得到污染與制冷性能衰變的量化關(guān)系的尷尬，成功實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)污染失效因素的考核測(cè)試。
文檔編號(hào)G01M99/00GK1821740SQ20061002504
公開(kāi)日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2006年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月24日
發(fā)明者楊寶玉, 吳亦農(nóng), 府華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所