金屬C型密封圈在斯特林制冷機(jī)中的應(yīng)用

蘇永強(qiáng)

〈制冷技術(shù)〉

金屬C型密封圈在斯特林制冷機(jī)中的應(yīng)用

蘇永強(qiáng)1,2

（1. 杭州法斯特技術(shù)服務(wù)有限公司，浙江 杭州 311200；2. 上海歐慕機(jī)械科技有限公司，上海 201108）

介紹了斯特林制冷機(jī)里使用的一種新型空心金屬C型密封圈的制作工藝與選材、密封特點(diǎn)和使用優(yōu)勢。針對傳統(tǒng)的橡膠密封圈、PTFE、金屬實(shí)心銀絲密封圈等泄漏率高、易失效等特點(diǎn)，金屬C型密封圈制造精度高，經(jīng)過多年的測試使用和論證，該密封產(chǎn)品在抗強(qiáng)沖擊和耐強(qiáng)輻射的環(huán)境下，依然可以實(shí)現(xiàn)較高的可靠性和較低的泄漏率，漏率最低則可以達(dá)到10－9atm.cm3/s.m，可以滿足斯特林制冷機(jī)泄漏率的要求。

高壓氦氣；金屬密封；斯特林制冷機(jī)；泄漏率

0 引言

斯特林制冷機(jī)（Stirling Cryocooler），又稱ST制冷機(jī)，是由電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械式制冷機(jī)。其工作原理是氣體以絕熱膨脹做功，即按逆向斯特林循環(huán)工作而制冷。自從20世紀(jì)60年代A·Kirk利用逆向斯特林循環(huán)進(jìn)行制冷獲得成功以來，斯特林制冷技術(shù)發(fā)展已有60年歷史。斯特林制冷機(jī)被應(yīng)用于機(jī)載、艦載、裝甲車、安防和測溫等項(xiàng)目的紅外探測器裝備上。由于其廣泛的軍、民兩用特性，近年來在世界范圍內(nèi)對斯特林制冷機(jī)的需求出現(xiàn)爆發(fā)式增長。而由于其典型的軍用性質(zhì)，斯特林制冷機(jī)的性能及穩(wěn)定性對于我國的國防裝備水平和國防安全建設(shè)尤為重要。

中國低溫制冷機(jī)的研制始于20世紀(jì)50年代，最初由西安交通大學(xué)和杭州制氧廠合作研究回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)。1966年，上海技術(shù)物理研究所研制出第一臺(tái)整體式651回?zé)嶂评錂C(jī)。合肥低溫物理研究所也在1981年和1991年成功研制出了0.5W/38K二級整體式斯特林制冷機(jī)和單機(jī)分置式斯特林制冷機(jī)，最低溫度達(dá)到了46.5K，制冷量1.43W。在軍工領(lǐng)域，斯特林制冷機(jī)主要被用在了冷卻熱成像儀焦平面陣列，昆明物理研究所于1990年在熱成像儀產(chǎn)品上面推進(jìn)了斯特林制冷機(jī)的研發(fā)和批量生產(chǎn)。經(jīng)過數(shù)年堅(jiān)持不懈的能力，從國外引進(jìn)了法國著名斯特林制冷機(jī)制造商Thales的0.5W/77K整體集成式斯特林制冷機(jī)生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)線，在國內(nèi)二代焦平面探測器和杜瓦、制冷機(jī)組件技術(shù)中率先完成了技術(shù)突破，也成為了國內(nèi)第一家和為數(shù)不多的幾家可以大批量生產(chǎn)軍用斯特林制冷機(jī)的單位。目前昆明物理研究所生產(chǎn)的斯特林制冷機(jī)無論是數(shù)量還是質(zhì)量可靠性均在國內(nèi)首屈一指，一些制冷機(jī)的參數(shù)指標(biāo)也達(dá)到了國際市場上同類產(chǎn)品的性能水平[1]。

近10多年來，由于西方歐美廠商對華的出口數(shù)量限制和嚴(yán)苛的終端用戶使用審查，國外微型制冷機(jī)可以供應(yīng)的數(shù)量相對有限，國內(nèi)市場不僅軍工、航空系統(tǒng)甚至民用領(lǐng)域都對斯特林制冷機(jī)的需求與日俱增，這也吸引了越來越多的研究所和一些上市公司紛紛加入到斯特林制冷機(jī)產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)。

圖1 斯特林制冷機(jī)整機(jī)

1 斯特林制冷機(jī)亟待解決的密封問題

斯特林制冷與傳統(tǒng)的蒸汽壓縮節(jié)流制冷原理完全不同，斯特林制冷是靠氣缸內(nèi)高壓氦氣的周期性膨脹和壓縮來獲取冷量的一種方式，因而相對傳統(tǒng)制冷，斯特林制冷有著綠色、環(huán)保、節(jié)能和高效的優(yōu)勢。但在制造和裝配過程中也面臨著諸多考驗(yàn)，其中之一就是對氣缸內(nèi)高壓氦氣的密封，這關(guān)乎制冷機(jī)的制冷效率和MTTF（Mean Time To Failures，平均不維修運(yùn)行時(shí)間）的性能[2]。

首先，氦氣是一種原子尺寸接近最小的氣體（僅次于最小的氫），且穿透性極強(qiáng)，特別難密封。很多泄漏檢測儀都是用氦氣做介質(zhì)來檢測密封效果，正是利用的它的易泄露性。此處的工況是高壓（3～5MPa）的氦氣，且要求密封圈在－70℃～100℃范圍內(nèi)都要求有良好的密封性能[3]，詳細(xì)的斯特林制冷機(jī)中的密封圈應(yīng)用工況見表1。

與密封圈配合使用的溝槽材料是鋁合金和陶瓷，之前在斯特林制冷機(jī)的封裝方面我們嘗試過使用各種密封圈比如橡膠O型圈、PTFE墊片，純銀絲等，但都達(dá)不到要求或者密封穩(wěn)定性不好。橡膠O型圈和鋁合金二者的材料熱膨脹性顯然不在一個(gè)數(shù)量級上，每一個(gè)溫度循環(huán)下來，兩者的壓緊配合都會(huì)出現(xiàn)間隙導(dǎo)致氣體泄露。PTFE材料也遇到同樣的情況，純銀絲在試驗(yàn)的初始階段的泄漏率是可以達(dá)到要求的，但經(jīng)過一段時(shí)間后再次測量，發(fā)現(xiàn)其泄漏率則會(huì)逐漸緩慢上升，尤其在遇到系統(tǒng)振動(dòng)或者其它碰撞的情況下，會(huì)表現(xiàn)得更為明顯。原因是實(shí)心的銀絲在被壓縮后已幾乎無回彈性，使得銀絲表面和法蘭槽表面的壓緊力逐漸變小甚至接近于零，腔內(nèi)的高壓氦氣會(huì)通過銀絲與法蘭上下壓縮面之間的間隙慢慢泄露出來。通過試驗(yàn)對比，不同種類的密封圈所能達(dá)到的泄漏率見圖2。

表1 斯特林制冷機(jī)中密封圈的應(yīng)用工況

為了解決上述原因中出現(xiàn)的熱膨脹性差異和壓緊力減少導(dǎo)致的泄露這兩個(gè)問題，借鑒國外同類產(chǎn)品多年的使用經(jīng)驗(yàn)，我們開始尋求另外一種密封解決方案：空心金屬C型密封圈。

2 金屬C型密封圈

金屬C型密封圈又叫彈性金屬密封圈，即Resilient Metal C Ring，最早見于西方發(fā)達(dá)國家尤其是美國在核電領(lǐng)域的應(yīng)用，是截面為類似字母C形狀的中空圓形全金屬的密封圈。密封圈最常用的兩種金屬基體材料是耐高低溫性能和回彈性均良好的鎳基合金718或者X750材料（其它遇到更高溫度工況的情況也可使用Nimonic 90或者Waspalloy合金）。斯特林制冷機(jī)使用的鎳基合金718材料的性能數(shù)據(jù)見表2。

固溶密封圈的制作方法是使用固溶態(tài)的鎳基合金薄板材在經(jīng)過精確地線切割后，形成封閉的環(huán)形薄板，然后經(jīng)過一體沖壓成型（見圖3）或者內(nèi)旋壓成型（見圖4）兩種不同的成型工藝[4]，再經(jīng)過幾十甚至上百個(gè)小時(shí)不等的高溫?zé)崽幚磉^程，外層輔之電鍍一層30～50mm厚的軟性金屬（比如銀、鎳、銅、鋁或者錫等）。

圖2 不同類型密封圈的泄漏率

表2 鎳基合金718元素含量和性能參數(shù)

圖3 一體沖壓成型工藝

圖4 內(nèi)旋壓成型工藝

金屬C型密封圈外形通常呈圓形，截面為C型（如圖5所示），有時(shí)在壓緊力供給允許和應(yīng)用工況更加苛刻的情況下，還可以在C型腔體里面包裹一圈金屬彈簧（如圖6）以增加C型圈與溝槽兩個(gè)表面相互的壓緊力，從而達(dá)到增加密封系統(tǒng)穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)更低泄漏率的目的。

圖5 空心金屬C型密封圈

圖6 彈簧增強(qiáng)型金屬C型圈

3 金屬C型密封圈的工作原理

從圖5和6可以看出，C型圈有兩個(gè)不同的截面開口方向：一個(gè)開口向里，一個(gè)開口向外。事實(shí)上，在具體使用的時(shí)候，C型圈所設(shè)計(jì)的開口方向總是朝向于介質(zhì)壓力大的一側(cè)。這樣，高壓介質(zhì)可以在金屬C型圈內(nèi)部給予其一個(gè)極大的壓力，從而進(jìn)一步增加密封圈和法蘭面之間的壓緊力，類似于實(shí)現(xiàn)了我們通常意義上說的自鎖密封的功能[5]，如圖7。

圖7 金屬C型圈工作受力圖

金屬C型密封圈的工作原理和超低泄漏率的實(shí)現(xiàn)方式如圖8～10所示。

如圖8所示，兩法蘭接觸面的泄漏一般通過兩種方式：密封件本身的滲透以及從密封圈和法蘭接觸面縫隙的泄漏。對金屬密封圈來說，前者的泄漏可以忽略。我們需要重點(diǎn)防范的是法蘭和密封圈接觸面之間的泄漏情況。

圖8 法蘭接觸面泄露方式

圖9 靠密封圈表面的塑性變形，補(bǔ)償法蘭表面的凸凹不平和缺陷實(shí)現(xiàn)密封

圖10 靠C型圈被壓縮后的回彈力與法蘭表面形成的彈性變形實(shí)現(xiàn)密封

目前世界上的任何密封圈在使用過程中都會(huì)出現(xiàn)泄露，零泄露的密封圈是不存在的，只是不同種類的密封圈所能實(shí)現(xiàn)的泄漏率不一樣，有時(shí)差異還很大。彈性金屬密封圈是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的高性能密封件，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，今天很多應(yīng)用對密封的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)材料的密封圈或者密封墊片所能承受的溫度、壓力及泄漏率的極限。金屬密封圈獨(dú)特的多層結(jié)構(gòu)、客戶化的形狀設(shè)計(jì)以及本身超強(qiáng)的穩(wěn)定性為能滿足這些苛刻的密封需求提供了可能。金屬C型密封圈的漏率最高則可以達(dá)到10－9atm.cm3/s.m（即30年內(nèi)只會(huì)泄漏不到1cm3的氦氣），這是其它任何一種密封圈所遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到的。金屬C型密封圈在工作的時(shí)候是放置在溝槽里的，上下法蘭面要壓緊壓實(shí)，金屬接觸金屬（Metal-to-metal Contact，MMC）的密封工作方式，也保證了對密封系統(tǒng)的嚴(yán)格控制，即不僅可以保證密封圈達(dá)到最佳壓縮量，又不至于被過壓縮，還可以防止在內(nèi)部超高壓氣體狀態(tài)下密封圈被“吹出”。此外，彈性金屬材料還擁有超長的使用壽命，設(shè)計(jì)使用壽命可超過30年。

其次，任何金屬密封圈都是一次性的，在一次壓縮使用后，我們是不推薦二次使用的，密封圈供應(yīng)商也不會(huì)對任何二次壓縮使用的金屬密封圈提供質(zhì)量保證。因?yàn)樵谛旅芊馊κ状伪粔嚎s時(shí)，密封圈最大彈性變形時(shí)所形成的法蘭和密封圈表面的塑性補(bǔ)償能力是最好的。如果被二次使用，則密封圈表面的金屬鍍層已經(jīng)被破壞，很難再次完好補(bǔ)償法蘭表面的缺陷，且二次壓縮的金屬密封圈的回彈力也已“大不如前”。

4 斯特林制冷機(jī)精確尺寸限制下C型圈的選擇

為了搞清楚最關(guān)鍵的C型圈載荷力/最佳壓縮量等相關(guān)信息，我們特別使用數(shù)個(gè)金屬C型樣圈在ANSYS軟件協(xié)助下做了C型圈壓縮的有限元分析，如圖11。圖11(a)是壓縮前的截面，圖11(b)是壓縮過程中內(nèi)部金屬的壓應(yīng)力的截面，(b)圖說明了C型圈在承受巨大的壓緊力，也產(chǎn)生了很大的彈性變形力。

并根據(jù)軟件反饋的載荷力和壓縮/回彈量參數(shù)繪制了金屬C型圈的壓縮量-載荷曲線圖12。

圖11 典型金屬C型密封圈被壓縮前(a)后(b)對比

圖12 典型金屬C型密封圈壓縮量-載荷曲線

需要指出的是，點(diǎn)(2,2)是曲線的拐點(diǎn)，經(jīng)過多次試驗(yàn)和總結(jié)，此位置處的C型圈有效回彈量(2－1)可以達(dá)到最大，大約為壓縮量的20%，同時(shí)壓縮C型圈所需的載荷也接近于最大，此時(shí)的C型圈的密封功能可以最佳程度地釋放出來。從圖12看出，如果繼續(xù)壓縮C型圈，載荷力的增加已經(jīng)非常緩慢，但C型圈的有效回彈卻急劇縮小，即2右側(cè)的區(qū)域?yàn)镃型圈的過壓縮區(qū)域。通過ANSYS反饋過來的數(shù)據(jù)，2即為金屬C型圈的最佳壓縮量，大約為C型圈自由高度的17.5%～18.5%，對應(yīng)所需的載荷為2。

在我們多個(gè)工程項(xiàng)目使用的斯特林微型制冷機(jī)的封裝中，由于現(xiàn)場安裝溝槽尺寸的局限性，所有使用金屬C型圈的制冷機(jī)溝槽外徑尺寸均在15mm～35mm之間，由此對應(yīng)地可以選擇的金屬C型圈的唯一線徑數(shù)據(jù)是1.60mm。這個(gè)規(guī)格的C型圈需要適配溝槽的標(biāo)準(zhǔn)寬度在1.90mm以上。但由于在制冷機(jī)內(nèi)部其它部件的尺寸已經(jīng)被壓縮到最低，留給溝槽的寬度通常只有1.65mm～1.75mm的加工空間了，如圖12所示，這也正是在此處我們選擇金屬C型圈而沒有選擇金屬O型圈或者彈簧增強(qiáng)型金屬C型圈的原因。因?yàn)樵谕瑯泳€徑尺寸下的密封圈，后面兩種需要的溝槽寬度更寬，大約在2mm～2.2mm。

溝槽其它的加工尺寸要求包括槽深1.32mm以及與C型密封圈壓緊接觸的上下法蘭面的粗糙度0.8mm。這里需要指出的是加工法蘭面的粗糙度并非越光潔越好，因?yàn)槿绻晴R面級的絕對光滑的法蘭面反而在與C型圈壓緊接觸后產(chǎn)生不了圖9所說的足夠的塑性變形，這對于C型圈的密封效果并不有利。

我們測試使用了空心的金屬C型密封圈，材料選用的是鎳基合金718，外層電鍍一層軟性金屬錫，在內(nèi)部氦氣壓力3.5～5MPa，以及正負(fù)70℃的溫差循環(huán)下，使用空心金屬C型密封圈的制冷機(jī)均可以達(dá)到泄漏率要求的8×10－9Pa×m3/s甚至更好。而且經(jīng)過一段時(shí)間的跟蹤觀察后，泄漏率依然可以保持開始的水平。

圖13 所用溝槽尺寸

斯特林制冷機(jī)主要失效模式有：腔內(nèi)高壓氣體泄漏、工質(zhì)污染和運(yùn)動(dòng)部件的磨損等[3]，C型金屬密封圈憑借優(yōu)秀的泄漏率的實(shí)現(xiàn)、對環(huán)境溫度極低的敏感性和長時(shí)間密封性能的穩(wěn)定性在最近幾年正越來越成為斯特林制冷機(jī)技術(shù)改進(jìn)的重要內(nèi)容之一。比如以色列Ricor公司生產(chǎn)的K508N型號的制冷機(jī)就是由原有K508型號改進(jìn)而來，主要改進(jìn)內(nèi)容是：首次在該型號使用金屬C型圈來密封、增加制冷機(jī)安裝面的厚度和強(qiáng)化了軸承性能，這些改進(jìn)將原來K508的固有頻率提高了300Hz以上，MTTF甚至增加了一倍，可達(dá)20000h[6-7]；K544N制冷機(jī)相比K543型號，除了用更多螺釘加固電機(jī)的結(jié)構(gòu)性改進(jìn)之外，也加入了金屬C型密封圈的使用，以提高制冷機(jī)的密封性[6]。

5 結(jié)論

金屬C型密封圈由于高可靠性、良好的耐老化性、對密封介質(zhì)的高適應(yīng)性以及可實(shí)現(xiàn)的超低泄漏率受到各行各業(yè)用戶的青睞，尤其是在超高低溫、高壓、超真空或者輻射性的環(huán)境下，金屬密封圈幾乎成為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定密封功能的唯一選擇，這在核電行業(yè)里面表現(xiàn)的尤其明顯。在低溫制冷機(jī)封裝密封應(yīng)用領(lǐng)域，安裝溝槽尺寸的局限性對金屬C型密封圈提出了更高的要求，比如由于偏窄的溝槽寬度，C型圈在被壓縮后易觸壁從而影響其正常的壓縮量和密封功能的實(shí)現(xiàn)；壓縮C型圈上下法蘭面的粗糙度與可實(shí)現(xiàn)的泄漏率之間的關(guān)系也需要在今后的使用過程中多加測試和總結(jié)，未來的使用前景值得進(jìn)一步研究。

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Application of Metal C Ring in Stirling Cryocooler

SU Yongqiang1,2

(1. Hangzhou Fast Technical Service Co., Ltd, Hangzhou 311200, China;2. Shanghai Omur Machinery Tech Co., Ltd, Shanghai 201108, China)

This article introduces the manufacturing process, material selection, sealing characteristics, and sealing advantages of a new hollow metal C ring used in Stirling cryocoolers. Given the high leakage rate and ease of failure of rings made of traditional rubber, PTFE, and solid silver wire, the manufacturing accuracy of the metal C-type sealing ring is high. After years of testing, use, and demonstrations, the metal C ring has achieved high reliability and a low leakage rate under conditions of strong impact and radiation resistance. The leakage rate of the metal C-ring can reach to 10-9atm.cm3/s.m, which meets the leakage rate requirements of Stirling cryocoolers.

high pressure helium, metal ring, Stirling cryocooler, leakage rate

TH134

A

1001-8891(2022)07-0757-06

2022-03-22；

2022-05-11.

蘇永強(qiáng)（1982-），男，總經(jīng)理，總工程師，高級經(jīng)濟(jì)師，主要研究方向?yàn)榈蜏孛芊饧夹g(shù)、金屬密封技術(shù)。E-mail：sealbest@163.com。