13.5 K兩級氣耦合型高頻脈沖管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)研究

朱嘯爽，周　強(qiáng)，戴　巍，朱文秀，周　遠(yuǎn)，王俊杰

（1.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100190；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100094；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京　100049）

13.5 K兩級氣耦合型高頻脈沖管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)研究

朱嘯爽1，3，周強(qiáng)2，戴巍1，朱文秀1，周遠(yuǎn)1，王俊杰1

（1.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

高頻脈沖管制冷機(jī)由于冷端無運(yùn)動(dòng)部件、振動(dòng)小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于低溫物理實(shí)驗(yàn)、航空航天等領(lǐng)域。通過介紹一種兩級氣耦合高頻脈沖管制冷機(jī)，在該脈沖管的第一級中，采用了雙向進(jìn)氣和多路旁通作為調(diào)相機(jī)構(gòu)，為獲取更好的調(diào)相效果，第二級脈沖管的慣性管和氣庫被置于第一級的冷頭處。為了進(jìn)一步調(diào)節(jié)第二級脈沖管中壓力波質(zhì)量流的相位差，將壓縮機(jī)的氣流引入二級脈沖管熱端作為第二級脈沖管的雙向進(jìn)氣。該制冷機(jī)在充氣壓力1.7 MPa，輸入電功250 W的工況下，可以獲得13.5 K的無負(fù)荷制冷溫度，0.6 W@30 K的制冷量。文章對該制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)。

低溫；脈沖管制冷機(jī)；氣耦合

0　引言

斯特林型脈沖管制冷機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、振動(dòng)小和冷端無運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于低溫物理實(shí)驗(yàn)、軍事和空間探測等領(lǐng)域。目前已報(bào)道的單級斯特林型脈沖管制冷機(jī)已達(dá)到了13.9 K的無負(fù)荷制冷溫度［1］，要進(jìn)一步獲取更低的溫度宜采用兩級或多級結(jié)構(gòu)。

兩級脈沖管制冷機(jī)分為氣耦合和熱耦合兩種耦合形式。熱耦合兩級脈沖管制冷機(jī)需要兩臺壓縮機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩臺脈沖管冷頭，通過用熱橋或其他導(dǎo)熱原件連接一級的冷端和二級蓄冷器的中間部分以達(dá)到預(yù)冷的目的，熱耦合性脈沖管制冷機(jī)可以分為兩個(gè)相互獨(dú)立的系統(tǒng)，一級和二級可以分別在不同的充氣壓力和運(yùn)行頻率下工作，兩級間的相互影響較小；氣耦合型脈沖管制冷機(jī)將一級冷端引出的一股氣流進(jìn)入二級，在氣耦合結(jié)構(gòu)中，一級和二級脈沖管共用1套壓縮機(jī)，兩級需要在同一充氣壓力和運(yùn)行頻率下工作，調(diào)節(jié)其中一級的結(jié)構(gòu)參數(shù)，也會對另一級產(chǎn)生影響，因此氣耦合型脈沖管制冷機(jī)在研究難度上比熱耦合型更高。

楊魯偉等［2］在2005年研制了1臺無負(fù)荷制冷溫度可以達(dá)到19.6 K的氣耦合型兩級脈沖管制冷機(jī)。胡劍英等［3］在2008年研制研制了1臺熱聲驅(qū)動(dòng)的氣耦合型兩級脈沖管制冷機(jī)，在輸入2 600 W熱量的工況下，可以達(dá)到18.1 K的無負(fù)荷制冷溫度。Dietrich等［4］2010年研制了1臺在4.6 kW輸入電功下可以達(dá)到13.7 K無負(fù)荷制冷溫度，并且能夠在25 K提供12.9 W制冷量的氣耦合型兩級脈沖管制冷機(jī)。

本實(shí)驗(yàn)室之前已成功研制出了1臺無負(fù)荷制冷溫度可以達(dá)到14.6 K的單級斯特林型脈沖管制冷機(jī)，能夠在20 K提供386 mW制冷量［5］。為獲取更低溫度，在原有基礎(chǔ)上增加了第二級結(jié)構(gòu)，文章介紹了其結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)結(jié)果。

1　制冷機(jī)結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)裝置

脈沖管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。制冷機(jī)由一個(gè)掃氣體積為12 mL的線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，在1.6 MPa充氣壓力下，該壓縮機(jī)可以為脈沖管入口提供壓比為1.36。運(yùn)行時(shí)脈沖管二級冷頭豎直向下放置，壓縮機(jī)由1臺變頻交流電源驅(qū)動(dòng)（菊水2000PCR）。

在第一級中，采用了多路旁通管作為調(diào)相機(jī)構(gòu)。如圖1所示，二級脈沖管的熱端、氣庫和慣性管布置在一級脈沖管的冷端。為了降低系統(tǒng)的軸向?qū)釗p失，蓄冷器外壁和脈沖管均使用薄壁不銹鋼管。兩級蓄冷器都采用不銹鋼絲網(wǎng)作為蓄冷材料。兩級都采用了雙向進(jìn)氣、氣庫和慣性管作為調(diào)相機(jī)構(gòu)。根據(jù)文獻(xiàn)［6］低溫下的長頸管加氣庫結(jié)構(gòu)可以獲得更好的調(diào)相效果，所以在本實(shí)驗(yàn)裝置中，二級的長頸管和氣庫被置于一級的冷頭處。二級雙向進(jìn)氣由壓縮機(jī)前腔直接引入二級脈沖管熱端，以增加二級脈沖管壓比，并且調(diào)節(jié)二級脈沖管中壓力波和質(zhì)量流的相位差。由壓縮機(jī)前腔到二級脈沖管熱端的連管纏繞在蓄冷器外壁，由蓄冷器進(jìn)行預(yù)冷，以減小由于熱氣直接進(jìn)入二級熱端而引起的漏熱損失。為了減小輻射漏熱損失，二級的氣庫同時(shí)起到輻射屏的作用，防止室溫向二級冷頭直接輻射熱量。兩級的冷頭處都分別設(shè)有康銅加熱絲用以測量制冷機(jī)的制冷量。水冷溫度被設(shè)定為5℃。

圖1　脈沖管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

制冷機(jī)的降溫曲線如圖2所示。在250 W輸入功率時(shí)，二級冷頭溫度在30 min之內(nèi)可以從300 K降到50 K，之后90 min可以到達(dá)最低溫度。由于一級冷頭需要對二級氣庫進(jìn)行冷卻，所以一級冷頭需要更長的時(shí)間才能到達(dá)最終穩(wěn)定溫度。

圖2　制冷機(jī)的降溫曲線圖

在所測溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，分別對充氣壓力和工作頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.1頻率和壓力對制冷機(jī)性能影響

表1和圖3展示了運(yùn)行頻率對制冷機(jī)的影響。從表1中可以看出，隨著運(yùn)行頻率從28 Hz逐步降低到26.5 Hz的過程中，所測三處的溫度逐步降低。由于壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的降低，氣體的流動(dòng)阻力也隨之降低，從而降低了工質(zhì)的流動(dòng)損失，令制冷機(jī)性能得到優(yōu)化，在流動(dòng)阻力降低的同時(shí)氣體與蓄冷器的換熱效果會降低，如果運(yùn)行頻率進(jìn)一步降低，則二級冷頭的最低溫度開始上升。

表1　充氣壓為2.25 MPa時(shí)各部分溫度隨運(yùn)行頻率的變化

圖3　充氣壓力為2.2 MPa時(shí)運(yùn)行頻率對最低溫度的影響圖

圖4表示了在運(yùn)行頻率為26.5 Hz時(shí)，充氣壓力對無負(fù)荷制冷溫度的影響。在實(shí)驗(yàn)范圍之內(nèi)，無負(fù)荷制冷溫度隨著充氣壓力的降低而單調(diào)降低?？紤]到壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)工況，沒有對制冷機(jī)在更低充氣壓力下的性能進(jìn)行測試。

圖4　運(yùn)行頻率為26.5 Hz時(shí)充氣壓力對最低溫度的影響圖

2.2蓄冷器對制冷機(jī)性能影響

在運(yùn)行頻率不變的情況下，充氣壓力的降低意味著質(zhì)量流量的降低，這使得蓄冷器可以將工質(zhì)氣體冷卻到更低的溫度。這意味著蓄冷器的體積比熱成為了阻礙無負(fù)荷制冷溫度進(jìn)一步下降的瓶頸。根據(jù)文獻(xiàn)［8］，將蓄冷器中的不銹鋼絲網(wǎng)替換為具有較大體積比熱的稀土材料，如圖5所示，可以進(jìn)一步提高制冷機(jī)的性能，所以將蓄冷器最冷端4.5 mm的蓄冷器由不銹鋼絲網(wǎng)更換為Er3Ni后，制冷機(jī)的無負(fù)荷制冷溫度上升為14.5 K。經(jīng)過測量，發(fā)現(xiàn)冷端為Er3Ni的蓄冷器阻力明顯大于純不銹鋼絲網(wǎng)蓄冷器，導(dǎo)致二級脈沖管內(nèi)壓比降低，從而使得制冷機(jī)的整體性能下降，如圖6所示。

圖5　各種蓄冷材料比熱曲線圖

圖6　蓄冷器阻力測量結(jié)果曲線圖

2.3制冷機(jī)在不同充氣壓力和溫度下的制冷量

圖7表示在1.7 MPa和2.4 MPa時(shí)，二級冷頭在不同溫度下的制冷量。從圖中可以看出，在較低的充氣壓力下，制冷機(jī)可以獲得更低的無負(fù)荷制冷溫度，但是在高于20 K時(shí)，較高的充氣壓力可以提供相對較高的制冷量。而表1給出，在充氣壓力1.7 MPa時(shí)，無負(fù)荷的最低溫度可低至13.5 K，說明蓄冷器填料的比熱較低，制約了制冷機(jī)性能的提升。

圖7　制冷機(jī)在不同溫度下的制冷量曲線圖

圖8為一級冷頭的制冷量和一級冷頭溫度對二級冷頭溫度的影響。圖中可以看出，在75 K時(shí)，一級冷頭可以提供1 W的制冷量，一級冷頭溫度從56 K上升至75 K，二級冷頭僅上升1.2 K。這意味著二級冷頭的最低溫度對一級冷頭溫度并不敏感，這為制冷機(jī)在不同溫區(qū)同時(shí)提供冷量提供了可能。

圖8　二級溫度隨一級溫度的變化曲線圖

由于在本結(jié)構(gòu)中，氣體需要穿過第一級和第二級蓄冷器之后才能夠到達(dá)第二級脈沖管，導(dǎo)致與壓縮機(jī)前腔相比，二級脈沖管內(nèi)部壓比明顯降低，使得制冷機(jī)的性能進(jìn)一步提升受到限制，若采用更高壓比的壓縮機(jī)，可以進(jìn)一步提升制冷機(jī)的整體性能。

3　結(jié)論

文章介紹了一臺新型的兩級氣耦合型脈沖管制冷機(jī)，制冷機(jī)僅使用不銹鋼絲網(wǎng)作為蓄冷材料，在250 W輸入功率時(shí)，無負(fù)荷制冷溫度可達(dá)到13.5 K，可以在30 K提供600 mW制冷量。該制冷機(jī)可以同時(shí)在不同溫區(qū)提供制冷量。由于在該制冷機(jī)中，二級蓄冷器中采用不銹鋼絲網(wǎng)為蓄冷材料，而不銹鋼在所工作溫區(qū)比熱明顯下降，二級脈沖管中壓比較小，所以如果采用高壓比壓縮機(jī)和高比熱的蓄冷材料，制冷機(jī)性能有望獲得進(jìn)一步提升。

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［6］任嘉，胡劍英，羅二倉，等.脈沖管制冷機(jī)調(diào)相機(jī)構(gòu)的研究第四部分：低溫下高效調(diào)相機(jī)構(gòu)的調(diào)相能力研究［C］//第九屆全國低溫工程大會論文集，2009.

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EXPERIMENTAL RESEARCH ON A 13.5 K GAS-COUPLED TWO-STAGE HIGH FREQUENCY PULSE TUBE CRYOCOOLER

ZHU Xiao-shuang1，3，ZHOU Qiang2，DAI Wei1，ZHU Wen-xiu1，ZHOU Yuan1，WANG Jun-jie1
（1.Key Laboratory of Cryogenics，Technical Institute of Physics and Chemistry，CAS，Beijing100190，China；2.Beijing Key Laboratory of Space Thermal Control Technology，Institute of Spacecraft System Engineering，ChinaAcademy of Space Technology，Beijing100049，China；3.University of ChineseAcademy of Sciences，Beijing100049，China）

High frequency pulse tube cryocoolers have been widely used in many fields like physics experimental research and aerospace，for no moving part in cold region，low vibration and long life.A gas-coupled two-stage high frequency pulse tube cryocooler with single compressor is introduced in this paper.In the first stage of the cryocooler，double-inlet and multi-bypass has been adopted as phase shifters.To get a better performance in phase shifting the reservoir and the inertance tube of the second stage has been located on the cold head of the first stage.A stream of gas has been introduced from the compression chamber to the hot end of the second stage as the double-inlet of the second stage，in order to shift the phase difference of the mass flow and the pressure wave.With the charge pressure of 1.7 MPa，input power of 250 W，the no-load temperature of 13.5 K and the cooling capacity of 0.6 W@30 K has been achieved.The experiment has been reported.

cryogenic；pulse tube cryocooler；Gas-coupled

TB651

A

1006-7086（2015）06-0330-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.06.005

2015-09-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.51176198；No.51327806；No.51276188）

朱嘯爽（1990-），男，山東人，博士研究生，主要從事脈沖管制冷機(jī)研究工作。E-mail：zhxsupper@mail.ipc.ac.cn。