专利名称：微型机械制冷机污染失效的测试装置及测试方法
技术领域：
本发明涉及空间用的斯特林、脉管等微型机械制冷机的可靠性测试，具体是指通过向运转中的制冷机间隔添加试剂进行污染加速试验，得到污染与制冷性能变化的量化关系的测试装置及测试方法。
背景技术：
近几十年来，空间红外遥感、超导滤波等重大国防、通讯技术的迅速发展推动了微型机械制冷应用的发展。斯特林、脉管等微型机械制冷机具有制冷温度低、冷量大、效率高、体积小等优点，从而能保证红外遥感、超导设备中探测器所需的低温工作环境。对于空间应用来讲，微型机械制冷机的长寿命和可靠性是急需解决的关键技术之一。随着柔性弹簧、直线电机、间隙密封技术在微型机械制冷机中的成功应用，机械失效的影响已经大大降低。NASA的S.Castles等研究者(见“Space Cryocooler Contamination Lessons Learned andRecommended Control Procedures”，Cryocooler 11，649-657，2001)的成果及大量分析数据都表明长期运行过程中制冷机内会产生水蒸气、酒精、丙酮等污染气体，使制冷性能发生衰减。因此污染失效已经成为影响机械制冷机寿命的关键因素，是事关国防、通讯等高新技术发展的一件急需解决的难题。
对于微型机械制冷机的污染失效问题，目前大多是采取一些经验层面上的控制措施，比如长时间的高温烘烤除气、必要的冲刷置换以及保证装配环境的清洁等，但还无法对污染失效控制进行量化的测试与分析，从而也无法制定污染处理的标准来指导制冷机的可靠性设计甚至寿命预测。为达到这些目的，需要得到不同污染对制冷性能影响的量化规律。但微型机械制冷机内的放气污染是一个极其缓慢的过程，直接测试这种影响规律显然是不现实的，也很难从理论上进行定量计算。一个有效的办法就是直接向运转中的制冷机定量注入污染试剂，进行强化加速实验，对污染影响进行测试。但是向运转中的制冷机添加污染试剂并非易事，添加过程应满足下列四个要求首先是可行性要求，制冷机内部氦气工质高达十几甚至几十个大气压，实现开机状态下的在线添加并非易事；其次是可控性要求，要求污染试剂的质量可以控制，可以对污染进行量化添加；再次是开机状态下的连续添加，否则每添加一次都要对整机重新进行污染处理、充气，不仅实验周期长，而且可比性差；最后很重要的一条是可信性要求，添加过程不能对制冷机的性能带来附加影响。
发明内容
基于上述原由，本发明的目的就是要提出一种向运转中的制冷机定量间隔注入污染试剂，进行污染加速试验，得到污染与制冷性能变化的量化关系的测试装置及方法。
本发明的微型机械制冷机的污染失效测试装置，包括污染试剂添加容器1、微型高压三通阀2、电功率计3、计算机4、直流电源5、数据采集仪6、加热片7、铂电阻温度计8。
微型高压三通阀由阀芯201，以及通过阀芯轴向依次成密封联接的阀盖202、阀座203、阀体204组成。阀芯与阀体螺接，阀芯的一端置有旋钮205，另一端体内开有一个“丁”字型通道206。阀体内具有的“一”字通道的两个接口207、208串联于制冷机的压缩机9和膨胀机10之间的连接管道11中，与“一”字通道相垂直的“L”通道口209内置有污染试剂添加容器1。所说的污染试剂添加容器是由毛细管道101，毛细管道上带有帽盖102组成。帽盖内填有O型密封圈103，通过螺钉104密封固定在阀体的侧壁上。通过旋转阀芯的旋钮205，升高阀心，使放置污染试剂容器的毛细管通过阀芯内的“丁”字型通道206与压缩机和膨胀机之间实现三通，反之，下降阀芯，压缩机9和膨胀机10之间相通，实现二通。
测试制冷温度的铂电阻8置于膨胀机的回热器冷端上，连接于数据采集仪6。测试制冷量的加热片7也置于膨胀机的回热器冷端上，由直流电源5提供负载，并连接于数据采集仪6。电功率计3置于制冷机和驱动电源12之间，测量制冷机的输入功率。电功率计和数据采集仪连接于计算机4，计算机内装有对温度、制冷量、输入功率信号进行自动采集、显示和保存的实时测量软件。
利用上述装置进行污染失效测试方法的具体步骤如下1.首先调节微型高压阀的阀芯，使微型高压阀处于两通状态，即，只使联接于压缩机和膨胀机之间的连接管道相通，开启制冷机和测试装置，计算机的COM串行接口连续采集数据采集仪与电功率计的测试数据，包括制冷量、制冷温度、输入功率，进行格式转换与实时显示、保存，直到制冷量稳定在某一数值。
2.对制冷机添加污染试剂，取下微型高压阀上的污染试剂添加容器，放在天平称上称重，然后用注射针筒向污染试剂添加容器注入污染试剂，污染试剂添加量可根据实验需要而定，精度达1mg。再将此装有污染试剂的容器装回微型高压阀，通过螺钉和O型密封圈使其与微型高压阀密封，调节阀芯，使污染试剂添加容器与压缩机和膨胀机相通，实现三向连通，制冷机内的高压氦气将污染试剂汽化冲刷入工作腔，实现污染试剂的一次在线添加。由于回热器冷端温度为60～100K，相当于一个低温泵，将污染气体慢慢吸附凝聚，阻碍了工质氦气与回热器填料的换热，造成了回热损失；同时由于污染堵塞了回热器填料的部分孔道致使流阻增大，引起了压降损失，这些都造成制冷性能的衰减。经过一段时间待该污染量下的制冷性能稳定后，即，直到测得的制冷量重新稳定在新的某一数值。
3.再调节微型高压阀阀芯，使微型高压阀处于两通状态，即，只使联接于压缩机和膨胀机之间的连接管道相通，如此重复步骤2的污染试剂添加过程，直至制冷性能出现致命衰减，即性能下降40％，得到污染与制冷性能衰减的量化关系。
本发明的特点在于1.把实际运行中制冷机可能产生的污染以污染试剂的形式在线、连续定量添加到制冷机工作腔内，进行强化加速实验，打破了以往无法得到污染与制冷性能衰变的量化关系的尴尬，成功实现制冷机污染失效因素的考核测试。
2.由于放置污染试剂的容器是一根毛细管，毛细的作用在装配回阀体的过程中不会将试剂溅出来，整个污染试剂添加装置内部管腔的体积很小，实验表明对制冷机的附加影响极小，能满足实验结果的可信性要求。
图1为本发明的污染失效测试装置的结构示意图。
图2为本发明的微型高压阀的剖面结构示意图。
图3为图2旋转90°的剖面结构示意图。
图4是本发明的实时测量软件流程图。
图5是本发明的添加丙酮时测得的制冷性能衰变与添加量的关系图。
图6是本发明的添加酒精时测得的制冷性能衰变与添加量的关系图。
具体实施例方式
利用上面所述的装置和方法对制冷机的丙酮、酒精污染失效进行测试，制冷机采用分置式斯特林制冷机，其性能指标为60K/1W；数据采集仪用keithley公司的2700多通道数据采集仪；电功率计采用青岛艾诺公司的Ainuo2102B。计算机内装有对温度、制冷量、输入功率信号进行自动采集、显示和保存的实时测量软件，软件流程如图4所示。
测试结果如图5、图6所示，横坐标表示污染试剂的质量，纵坐标表示不同温区制冷量的变化。从实验曲线中可以看到随着污染量的变化，制冷量的衰变出现了两个关键拐点，中间有很长的一段性能变化不大，这同机械制冷机可靠性考核中的“浴盆”失效模式相类似。由上述实施例可以看到，本发明成功实现了污染失效的考核测试，解决了长寿命制冷机可靠性研究的关键难题。
本发明也可用于整体式机械制冷机，只需将污染试剂添加容器和微型高压三通阀连接在靠近回热器的腔体上，这需要对制冷机的原始结构做适当的改动，但不难实现。
权利要求
1.一种微型机械制冷机污染失效的测试装置，包括污染试剂添加容器(1)、微型高压三通阀(2)、电功率计(3)、计算机(4)、直流电源(5)、数据采集仪(6)、加热片(7)、铂电阻温度计(8)；微型高压三通阀由阀芯(201)，通过阀芯轴向依次成密封联接的阀盖(202)、阀座(203)、阀体(204)组成；阀芯与阀体螺接，阀芯的一端置有旋钮(205)，另一端体内开有一个“丁”字型通道(206)；其特征在于阀体内具有的“一”字通道的两个接口(207、208)串联于制冷机的压缩机(9)和膨胀机(10)之间的连接管道(11)中，与“一”字通道相垂直的“L”通道口(209)内置有污染试剂添加容器(1)；所说的污染试剂添加容器是由毛细管道(101)，毛细管道上带有帽盖(102)组成；帽盖内填有O型密封圈(103)，通过螺钉(104)密封固定在阀体的侧壁上；通过旋转阀芯的旋钮205，升高阀芯，使放置污染试剂容器的毛细管道通过阀芯内的“丁”字型通道(206)与压缩机(9)和膨胀机(9)之间实现三通，反之，下降阀芯，压缩机(9)和膨胀机(10)之间相通，实现二通；测试制冷温度的铂电阻(8)置于膨胀机的回热器(1001)冷端上，连接于数据采集仪(6)；测试制冷量的加热片(7)也置于膨胀机的回热器冷端上，由直流电源(5)提供负载，并连接于数据采集仪(6)；测量制冷机输入功率的电功率计(3)置于制冷机和驱动电源之间；电功率计(3)和数据采集仪(6)连接于计算机，计算机内装有对温度、制冷量、输入功率信号进行自动采集、显示和保存的实时测量软件。
2.利用权利要求1所述的装置进行污染失效测试方法的具体步骤如下A.首先通过旋转阀芯的旋钮，下降阀心，使微型高压阀处于两通状态，即，只使联接于压缩机和膨胀机之间的连接管道相通，开启制冷机和测试装置，计算机的COM串行接口连续采集数据采集仪与电功率计的测试数据，包括制冷量、制冷温度、输入功率，进行格式转换与实时显示、保存，直到制冷量稳定在某一数值；B.对制冷机添加污染试剂，取下微型高压阀上的污染试剂添加容器，放在天平称上称重，然后用注射针筒向污染试剂添加容器注入污染试剂，污染试剂添加量可根据实验需要而定；再将此装有污染试剂的容器装回微型高压阀，通过螺钉和O型密封圈使其与微型高压阀密封，调节阀芯，使污染试剂添加容器与压缩机和膨胀机相通，实现三向连通，制冷机内的高压氦气将污染试剂汽化冲刷入工作腔，实现污染试剂的一次在线添加；经过一段时间待该污染量下的制冷性能稳定，即，直到测得的制冷量重新稳定在新的某一数值；C.再调节微型高压阀阀芯，使微型高压阀处于两通状态，即，只使联接于压缩机和膨胀机之间的连接管道相通，如此重复步骤B的污染试剂添加过程，直至制冷性能出现致命衰减，即性能下降40％，得到污染与制冷性能衰减的量化关系。
全文摘要
本发明公开了一种微型机械制冷机污染失效的测试装置及测试方法，该装置包括污染试剂添加容器、微型高压三通阀、电功率计、计算机、直流电源、数据采集仪、加热片、铂电阻温度计。该方法是利用微型高压阀其中的一个通道放置污染试剂添加容器，通过控制微型高压阀把实际运行中制冷机可能产生的污染以污染试剂的形式在线、连续定量添加到制冷机工作腔内，进行强化加速实验。打破了以往无法得到污染与制冷性能衰变的量化关系的尴尬，成功实现制冷机污染失效因素的考核测试。
文档编号G01M99/00GK1821740SQ20061002504
公开日2006年8月23日 申请日期2006年3月24日 优先权日2006年3月24日
发明者杨宝玉, 吴亦农, 府华 申请人:中国科学院上海技术物理研究所