红外探测器用旋转集成式斯特林制冷机失效分析

1 引 言

XD-2A型制冷机是华北光电技术研究所研制的制冷量为0.4 W的一款旋转集成式斯特林制冷机,具有体积小、重量轻、结构紧凑及效率高等优点,是中波640×512和长波4×288红外焦平面探测器杜瓦制冷组件的重要组成部分,广泛应用于手持、车载和机载等领域。两种红外焦平面探测器杜瓦制冷组件实物照片如图1、图2所示。

随着中波640×512和长波4×288红外焦平面探测器杜瓦制冷组件应用领域的不断拓宽,用户在实际应用过程中经常会遇到一些难于判定的故障现象。而产生故障的原因可能是由斯特林制冷机、红外焦平面探测器杜瓦组件及驱动控制器之一,或两者,或三者共同作用的结果。本文在主要介绍XD-2A型制冷机的典型故障现象的同时,会涉及部分驱动控制电路与红外焦平面探测器杜瓦组件相关的故障现象,同时给出了相应的故障定位和机理分析,以便于用户及时排查故障原因。

图1 中波640×512红外探测器组件

Fig.1 MW640×512 infrared detector assembly

图2 长波4×288红外探测器组件

Fig.2 LW4×288 infrared detector assembly

2 故障现象、机理分析及解决或控制措施

XD-2A型制冷机主要由无刷直流电机、曲轴箱、压缩单元、膨胀单元等部件组成。无刷直流电机转子与偏心轴连接成一体,通过偏心轴带动压缩单元和膨胀单元运动,因为在结构设计上将压缩单元和膨胀单元通过一曲轴连杆相连,所以实际上可以理解为无刷直流电机带动压缩单元和膨胀单元进行往复运动,从而实现逆向斯特林循环,获得冷量,为红外探测器提供低温环境。XD-2A型制冷机结构示意图如图3所示。

目前,XD-2A型斯特林制冷机常见的典型故障现象有以下两大方面。

2.1 制冷机不工作,红外焦平面探测器杜瓦组件不降温状态

当制冷机接通电源后,制冷机不工作,红外焦平面探测器杜瓦组件不降温,针对该故障状态主要有以下两种情况。

图3 XD-2A型制冷机结构示意图

Fig.3 Structure diagram of XD-2A cooler

2.1.1 制冷机不工作,工作电流大于正常值

故障定位:制冷机内部运动部件(一般为压缩活塞与压缩汽缸；或膨胀活塞与膨胀汽缸)卡死。

故障机理分析:该故障易发生典型场合一般为制冷机组件长时间工作后或低温环境中起动工作。

图4为制冷机活塞与汽缸两者间隙配合示意图,两者间隙密封尺寸选择一般为2～6 μm。如果零件加工工艺不好或装配不良,或其他外界多余物在活塞与汽缸高速运转期间进入了两者间隙之内,则会出现卡死现象,对外则表现出大电流现象。

图4 活塞、汽缸间隙配合示意图

Fig.4 Schematic diagram of piston and cylinder clearance coordination

故障解决或控制措施:

①工艺过程中增加显微镜检查项,在装配前期剔除零件由于加工问题而产生的多余物,防止其在运动过程中脱落进入运动间隙之内；

②制冷机的装配需在洁净工作台和净化间内,环境洁净度不低于百级净化度；

③用专用无尘纸或棉签清理零件表面后,使用洁净氮气扫吹零件表面,可有效防止固体异物颗粒附着在零件表面。

2.1.2 制冷机不工作,工作电流小于正常值

XD-2A驱动电路框图如图5所示。故障定位一般有两种情况:

(1)驱动电路反馈处理电路故障。主要由以下原因引起:

①驱动回路连接线与杜瓦组件测温二极管引线未接好,发生断路现象；

②连线时将杜瓦组件测温二极管正负极接反；

③杜瓦组件测温二极管损坏,无法正常反馈温度信号。

图5 XD-2A驱动电路框图

Fig.5 The diagram of XD-2A Drive circuit

故障机理分析:驱动控制电路将外界直流稳压电源提供的9VDC经电源变换降压电路与电源变换升压电路分别为驱动控制电路的MCU电路模块与功率输出电路模块供电。MCU电路将从反馈处理电路得到的制冷机电机位置信号与温度反馈信号通过内部运算处理后,输出相应的控制信号对功率输出电路进行控制,按温度反馈信号变化情况进行闭环控制,控制功率输出与电机转速,从而保持制冷温度的稳定。如果驱动控制器的反馈处理电路出现异常,MCU电路不能得到正确的反馈信号,必然导致功率输出电路无输出,制冷机不能正常工作,此时直流稳压电源显示的是驱动器无功率输出的静态工作小电流。

故障解决或控制措施:

①接线过程中,做好防静电保护措施,防止杜瓦组件测温二极管击穿,接线完毕后需检查杜瓦测温二极管引线连接是否正确,防止过电压烧坏杜瓦组件测温二极管；

②使用万用表二极管档检查反馈回路与杜瓦组件测温二极管正负极接线是否有开路现象发生。

(2)电机定子霍尔位置传感器缺相。主要由以下原因引起:

①电机霍尔连接线与驱动电路板焊接不牢,发生开路现象；

②霍尔元器件损坏,无法正常反馈位置信号。

故障机理分析:驱动控制器通过反馈处理电路中的霍尔位置反馈信号,判断电机运行情况,输出相应驱动信号,驱动电机正常运行。当电机缺相时,驱动器无法接收到正常的反馈信号,从而导致输出驱动信号异常。表现为制冷机不工作,直流稳压电源显示小电流。

故障解决或控制措施:

①焊接过程中,做好防静电保护措施,防止霍尔器件击穿；

②焊接完毕后需检查霍尔引线连接是否正确,使用万用表电阻档检查三路霍尔接线是否有开路现象发生。

2.2 制冷机工作,红外焦平面探测器杜瓦组件降温状态

当制冷机接通电源后,制冷机工作,红外焦平面探测器杜瓦组件虽然可以正常降温,但伴随噪声偏大、工作电流偏大或降温时间变长等一些非正常工作现象。针对该故障状态主要有以下三种情况。

2.2.1 制冷机工作,大电流,噪声偏大

故障定位:运动部件机械磨损。

故障机理分析:该故障易发生典型场合一般为制冷机组件长时间工作后。

斯特林制冷机性包含多个运动部件,如:活塞与缸套、轴承、回热器等。在工作过程中,相关运动件都可能发生磨损,产生粉尘。如果磨损的粉尘聚集成颗粒进入活塞与汽缸套间隙,容易造成活塞与气缸的划伤；如果固体颗粒进入轴承中,被轴承滚动体碾压后,会在滚动体表面或轴承滚道上留下凹痕,严重的会产生微裂纹。另外,制冷机工作时,电机定子和装配时使用的胶液会随外界环境温、湿度变化释放出一些腐蚀性气体,这些腐蚀性气体一旦进入轴承被润滑脂吸收,就会导致轴承滚动体和滚道锈蚀,加速润滑脂老化变质,缩短轴承工作寿命。以上情况都会导致制冷机产生大电流和噪声偏大现象。

故障解决或控制措施:由于制冷机自身曲柄连杆机构的偏心运动,气缸内作用在活塞上的力并非完全沿轴向的,而是具有径向分力,从而导致活塞的径向偏摆;力的幅度越大,活塞的径向偏摆也越大。这就表明,作用在活塞上的径向力是活塞行程、充气压力和制冷机运行时间的复杂函数。除了合理选择充气压力和密封间隙之外,提高零件加工工艺和装配工艺也是减少制冷机摩损的关键因素。

2.2.2 制冷机工作,大电流,噪声正常,降温时间变长

故障定位:该故障发生原因主要有以下四种情况。

(1)红外焦平面探测器杜瓦组件真空失效,热耗变大

故障机理分析:造成杜瓦组件真空失效,热耗变大的因素有外部泄漏与内部放气两方面。杜瓦组件结构如图6所示。

图6 杜瓦组件结构示意图

Fig.6 Structure diagram of Dewar assembly

外部泄露可能是由于激光焊缝失效、钎焊失效、冷封口处密封失效以及机械损伤原因造成；内部放气则有可能是杜瓦组件内部芯片、滤光片、框架及冷屏粘接用胶,冷屏涂覆发黑层等有机物质在高真空环境下的缓慢分解；陶瓷框架、陶瓷引线环和光窗等非金属材料的放气等一系列原因,都会导致杜瓦组件内传热介质的增多,真空度下降。

故障解决或控制措施:为了维持杜瓦组件在一定时期内的真空寿命,一般采取如下四个方面的工艺控制:

①在封装前要对所有零部件进行高温真空除气工艺；

②在装配工艺过程中控制封装时间,避免零部件受到污染；

③控制杜瓦组件排气工艺,选择合适的真空度、排气时间和烘烤温度；

④在杜瓦组件内部安装吸气剂；

(2)制冷机回热器污染

XD-2A型斯特林制冷机的回热器是由非金属材料加工成管状套筒与其内填充的不锈钢丝网构成,以杜瓦组件内壁为冷指气缸,与膨胀活塞一起做往复运动,如图7所示。制冷机内工质气体按一定规律驱动下往复通过回热器并进行换热。热气体通过回热器时,加热回热器内的丝网,气体本身的温度降低；冷气体反向通过回热器时,丝网被冷却,气体的温度升高。气体与丝网之间气体流动所造成的压降损失,是制冷机中最主要的冷量损失,对制冷机性能有决定性的影响。由于回热器与冷指壁之间有微小间隙并且做高速往复运动,导致其成为了污染的聚集地,可靠性最薄弱的环节。

图7 冷指与回热器组件示意图

Fig.7 Schematic diagram of cold finger and regenerator assembly

这里所说的回热器污染主要以气体污染为主。大量分析结果表明制冷机内的污染气体主要是水蒸气,乙醇,丙酮以及非金属材料的持续放气。另外,由于本型号制冷机未采用定子隔离技术,所以电机定子漆包线和零部件装配时粘接所用胶也是产生污染气体的主要原因。

气体污染主要方式是污染气体在回热器冷端的凝结造成的回热损失和流阻损失,造成制冷机性能衰退。

污染的凝结增大了传热热阻,加大了有效传热损失和填料的温度波动损失,降低了回热效率,引起回热损失ΔQR,回热器的堵塞增大了填料的阻力系数,使流阻压降Δp变大,引起压降损失ΔQf。

ΔQR=cpMQ(1-ηR)(Th-Tco)

式中,cp为平均定压比热；MQ为通过回热器的平均质量流量；Th为回热器热端温度；Tco为回热器冷端温度；ηR为回热效率。

ΔQf=∮ΔpdVco

式中，Vco为冷腔容积。

故障解决或控制措施:

①在使用前对制冷机进行以高温抽气烘烤为主(烘烤温度和时间依实际情况来定)；

②依制冷机体积大小适当增加充排气循环次数；

③尽量减少有机材料或环氧材料的使用,减少低放气量的胶和润滑脂的使用。

(3)气路不通畅

故障机理分析:XD-2A型斯特林制冷机结构为压缩机和膨胀机集成为一体,结构示意如图8所示。曲轴箱内有一通气斜孔,制冷工质在压缩单元中,由压缩活塞在压缩汽缸中作往复运动,产生的压力波传播到膨胀单元中,推动冷指中的排出器组件作往复运动,并在回热器中完成热力循环,实现热量由低温端到室温端的泵送,形成闭式循环。如果装配过程中,压缩汽缸与制冷机曲轴箱上对应气孔位置发生了偏移,如图9所示,则导致气路不顺畅,气体的压缩-膨胀效率降低,外在特征表现为工作电流变大,降温时间变长。

图8 旋转集成式斯特林制冷机结构示意图

Fig.8 Structure diagram of integral rotary Stirling cryocooler

图9 压缩汽缸位置偏移示意图

Fig.9 Schematic diagram of compressed cylinders position offset

故障解决或控制措施:在压缩汽缸套上增加定位销钉,防止压缩汽缸套在制冷机运动过程中发生位置偏移。

2.2.3 制冷机工作,小电流,噪声正常,降温时间变长

故障易发生典型场合:高、低温循环环境工作。

故障原因:制冷机内部气体工质(氦气)泄漏导致压力低于工作压力。

故障机理分析:斯特林制冷机一般都充一定压力的氦气作为制冷工质,而氦气为自然界中体积仅次于氢气的,故密封非常困难。

热力学计算以Schmidt等温模型为基础进行,先做如下假设:工作腔内进行等温过程,循环过程均无不可逆损失,工质为理想气体,工作空间容积变化为正弦波。这是理论模型,实际存在各种损失,主要计算公式如下:

温度比τ=Ta/Tco

容积比ω=Va/Ve

压力参数

压力相位角

理论制冷量

理论功耗N=(τ-1)Qth

式中,Pav为平均压力;Ve为冷腔最大容积;f为频率。

其中,Ve、δ和θ等参数主要与结构设计参数有关,在制冷机结构确定的情况下近似为定值,f主要与电机转速相关。因此,可定性认为制冷机理论制冷量与制冷工质压力成正比。

因此,如果斯特林制冷机因为发生泄漏导致内部氦气压力不足,则制冷机制冷量降低,制冷能力下降。在热负载不变的情况下,便会出现降温时间变长现象。

而且,由理论功耗计算公式可知,如果制冷工质气体压力降低,对应的理论功耗也会相应减小。在制冷机实际运行过程中,由于制冷机输入电压是定值,所以制冷机功耗减小表现为制冷机电流减小的现象。

故障解决或控制措施:

1)从密封表面的加工质量考虑:如密封表面存在凹坑,磨损或径向的、贯穿性划痕等不连续状态,必然引起密封介质的泄露,因此不允许其存在；

2)从工艺装配角度考虑:①密封过程中需确保密封圈或密封丝及密封面外观光洁,无杂质、灰尘等；②拧紧螺钉时需严格按照对角对称原则,逐步拧紧螺钉。

3 结 论

本文以XD-2A型制冷机为例,介绍其在用户使用过程中出现的典型的机械、电学以及热力学故障现象,给出了相应的故障定位和机理分析,便于用户及时排查故障原因。同时针对故障现象,提出了相应的故障解决或控制措施。文中的研究方法对其他类型的旋转集成式斯特林制冷机的研制与生产工艺有一定的参考意义,可用于进一步提高产品质量。