李曉永，全加，劉彥杰，蔡京輝，葉榮昌

（1.中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.北京科技大學(xué)，北京100083）

回?zé)岵牧螱d2O2S在液氦溫區(qū)高頻脈管制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究

李曉永1，2，全加1，劉彥杰1，蔡京輝1，葉榮昌3

（1.中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.北京科技大學(xué)，北京100083）

液氦溫區(qū)高頻脈沖管制冷機(jī)具有體積功耗小、質(zhì)量輕、低振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在太赫茲通信、深空探測(cè)和空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)等方面的應(yīng)用具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是國(guó)內(nèi)外深低溫機(jī)械式制冷機(jī)的研究熱點(diǎn)。而低溫回?zé)岵牧系男阅苁侵萍s深低溫制冷機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵因素。利用實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的液氦溫區(qū)兩級(jí)脈沖管制冷機(jī)及北京科技大學(xué)提供的Gd2O2S（GOS）材料，從填充長(zhǎng)度等方面，對(duì)回?zé)岵牧显谝汉貐^(qū)高頻脈沖管制冷機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在目前工況下，回?zé)岵牧螲oCu2的實(shí)驗(yàn)效果是優(yōu)于GOS，并對(duì)此做出了分析和解釋。

液氦溫區(qū)；回?zé)岵牧?；GOS

0 引言

液氦溫區(qū)斯特林型脈沖管制冷機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，可以為深度空間探測(cè)、衛(wèi)星對(duì)地成像與探測(cè)和弱磁測(cè)量等領(lǐng)域提供必不可少的低溫環(huán)境。因此，洛克西德馬丁、諾斯洛普·格魯門公司（NGST）、浙江大學(xué)、中科院理化所等機(jī)構(gòu)對(duì)液氦溫區(qū)脈沖管制冷機(jī)都展開了相關(guān)的研究。

回?zé)崞髯鳛橹评錂C(jī)關(guān)鍵的部件之一，其主要作用是傳遞制冷循環(huán)過程中的冷量。而回?zé)岵牧系男罾淠芰t是影響回?zé)崞鲹Q熱至關(guān)重要的因素[3]，理想的回?zé)岵牧蠎?yīng)具有較高的體積比熱容。研究顯示，只有回?zé)岵牧系捏w積比熱容比氦氣的體積比熱容大時(shí)，制冷機(jī)回?zé)崞鞑啪哂休^高的回?zé)嵝?。?0 K以下溫區(qū)，不銹鋼絲網(wǎng)等材料的體積比熱容要小于氦氣的體積比熱容[4]。因此，在深低溫區(qū)具有高比熱的回?zé)岵牧鲜且汉貐^(qū)高頻脈沖管制冷機(jī)的一個(gè)重要研究方向。針對(duì)兩級(jí)液氦溫區(qū)空間斯特林型脈沖管制冷機(jī)，對(duì)回?zé)岵牧螱OS進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，從填充長(zhǎng)度等方面研究其對(duì)脈沖管制冷機(jī)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)裝置采用自主設(shè)計(jì)的兩級(jí)制冷機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)采用熱耦合的方式，第一級(jí)制冷機(jī)為預(yù)冷級(jí)脈沖管制冷機(jī)，主要作用是冷卻二級(jí)脈沖管制冷機(jī)，降低二級(jí)制冷機(jī)熱端的溫度；第二級(jí)脈沖管制冷機(jī)為低溫級(jí)脈沖管制冷機(jī)。一級(jí)制冷機(jī)的回?zé)崞魈畛洳讳P鋼絲網(wǎng)。而二級(jí)制冷機(jī)的多路旁通與冷頭之間的回?zé)崞鳎错敹嘶責(zé)崞?，采用Er3Ni、HoCu2和GOS等回?zé)岵牧线M(jìn)行不同形式的分層填充。

兩級(jí)脈沖管制冷機(jī)之間采用熱橋連接。熱耦合方式讓兩級(jí)脈沖管制冷機(jī)只進(jìn)行熱量交換，而工質(zhì)的流動(dòng)彼此之間相互獨(dú)立，因此兩級(jí)制冷機(jī)的相位可以獨(dú)立的調(diào)節(jié)。一級(jí)制冷機(jī)利用慣性管加氣庫(kù)的方式進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，而二級(jí)制冷機(jī)則采用雙向進(jìn)氣、多路旁通、低溫慣性管和低溫氣庫(kù)等多種調(diào)相方式。在此制冷機(jī)裝置上對(duì)GOS材料在高頻脈沖管制冷機(jī)的實(shí)際使用性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

圖1 兩級(jí)高頻脈沖管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of the two-stage high frequency pulse tube cryocooler1、7.壓縮機(jī)；2.過渡蓄冷器；3、10蓄冷器；4.多路旁通；5、11.脈管；6、12.冷頭；8、14.氣庫(kù)；9、15.慣性管；13.熱橋；16.雙向進(jìn)氣

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

高頻脈沖管制冷機(jī)中的回?zé)崞魇且环N高效的換能器，在制冷機(jī)工質(zhì)壓縮和膨脹的過程中不斷的釋放和吸收冷量。而回?zé)岵牧系捏w積比熱容是反映單位體積回?zé)岵牧夏芰看鎯?chǔ)能力的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)圖2所示不同蓄冷材料的體積比熱容隨溫度的變化曲線可知，在5 K溫區(qū)以下，GOS材料的比熱容存在一個(gè)較高的峰值；在5～10 K溫區(qū)，鈥銅的比熱容較大；在10～30 K溫區(qū)，Er3Ni和鉛的體積比熱容較好。而在高頻脈沖管制冷機(jī)中，鉛球作為回?zé)岵牧希渲评湫Ч^差[5]。這是由于鉛的熱導(dǎo)率較高，從而有可能造成制冷機(jī)較大的冷量損失，此外鉛球阻力系數(shù)較大，造成回?zé)崞鲀?nèi)較大的壓降損失。因此，采用GOS、HoCu2、Er3Ni等三種回?zé)岵牧献鳛轫敹嘶責(zé)崞鞯奶畛洳牧?。而在顯微鏡下觀察表明，回?zé)岵牧镶€銅和GOS均呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀。

圖2 回?zé)岵牧系捏w積比熱容隨溫度的變化曲線[6]Fig.2 Temperature dependence of the volumetric specific heatof regeneratormaterials

根據(jù)前人的研究結(jié)果顯示，采用合理的分層填充，可以提高回?zé)崞鞯膿Q熱效率，使制冷機(jī)獲得更好的性能[7]。如圖3所示，在多路旁通與二級(jí)冷頭之間的部分，即頂端回?zé)崞鞑糠?，采用Er3Ni、HoCu2和GOS等回?zé)岵牧线M(jìn)行不同形式的分層填充。

圖3 分層填充的形式Fig.3 The design ofmulti-layer filled style1.Er3Ni（顆粒直徑約0.089 mm）；2.Er3Ni（顆粒直徑約0.061 mm）；3.HoCu2（顆粒直徑約0.053 mm）；4.GOS（顆粒直徑約0.053 mm）；5.HoCu2+GOS（顆粒直徑約0.053 mm）

由于不同回?zé)岵牧系淖罴压ぷ鳒貐^(qū)不同，而GOS的最佳工作溫區(qū)僅為6 K以下。因此，需要對(duì)GOS的最佳長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化，以保證其工作在最佳溫區(qū)。在Case1～4中，Er3Ni和HoCu2的填充長(zhǎng)度不斷增大，而GOS的填充長(zhǎng)度不斷減小，直至為零。即在實(shí)驗(yàn)中不斷增大在6～30 K溫區(qū)具有高比熱容的蓄冷材料的填充長(zhǎng)度，不斷減小在6 K溫區(qū)以下具有高比熱容的蓄冷材料的填充長(zhǎng)度。

對(duì)GOS長(zhǎng)度的系列測(cè)試中，一級(jí)制冷機(jī)的輸入功率250 W，工作頻率43 Hz，充氣壓力3.5 MPa保持不變。而二級(jí)制冷機(jī)的輸入功率200 W，充氣壓力1.3 MPa保持不變，Case1、2、3的最佳工作頻率均為23 Hz，而Case4的最佳工作頻率為25 Hz。如圖4所示，二級(jí)制冷機(jī)冷頭的最低無(wú)負(fù)荷溫度隨著GOS長(zhǎng)度的減小而降低。在GOS的填充長(zhǎng)度為零時(shí)，最低無(wú)負(fù)荷溫度最低，為5.043 K。如圖5所示，二級(jí)制冷機(jī)的制冷量隨GOS長(zhǎng)度的減小而增大，在GOS的填充長(zhǎng)度為零時(shí)，制冷機(jī)的制冷量最大，為57.8 mW@ 15 K。即制冷機(jī)的性能隨GOS長(zhǎng)度的減小而不斷提高，當(dāng)GOS長(zhǎng)度為零時(shí)，制冷機(jī)的性能最佳。

圖4 最低無(wú)負(fù)荷溫度隨GOS長(zhǎng)度的變化曲線Fig.4 The cold end temperature varying filling length ofGOS

圖5 制冷量隨GOS長(zhǎng)度的變化曲線Fig.5 The cooling capacity change varying filling length of GOS

由Case1、2、3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，回?zé)崞鞯撞刻畛銰OS時(shí)，二級(jí)制冷機(jī)最低無(wú)負(fù)荷溫度未能達(dá)到6 K以下，即GOS未在其最佳溫區(qū)工作，反而降低了頂端回?zé)崞鞯男罾淠芰?。而由Case4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，回?zé)崞鞯撞刻畛銱oCu2時(shí)，二級(jí)制冷機(jī)最低無(wú)負(fù)荷溫度在6 K以下。因此為了保證制冷機(jī)達(dá)到GOS最佳的工作溫區(qū)，將Case3中一部分HoCu2與GOS進(jìn)行混合填充，其他實(shí)驗(yàn)條件保持不變，即Case5。如圖6所示，在二級(jí)制冷機(jī)輸入功率為100、150、200 W時(shí)，圖為Case3與Case5的最低無(wú)負(fù)荷溫度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，制冷機(jī)性能并未得到提高，反之最低無(wú)負(fù)荷溫度是略有增大。

圖6 混合填充前后最低無(wú)負(fù)荷溫度的比較曲線Fig.6 The comparison of the cold end temperature before and aftermixed filing

從實(shí)驗(yàn)可以得出，對(duì)制冷機(jī)的性能而言，Case4實(shí)驗(yàn)效果是最佳的。即在頂端回?zé)崞髦刑畛銭r3Ni和HoCu2，制冷機(jī)性能是最佳的。因此，在該制冷機(jī)的運(yùn)行工況下，鈥銅在5 K溫區(qū)的蓄冷能力要優(yōu)于GOS的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用回?zé)崞鬈浖EGEN，對(duì)GOS在制冷機(jī)中的使用性能進(jìn)行了分析。REGEN模擬輸入的回?zé)岵牧系膮?shù)，如填充材料、長(zhǎng)度和顆粒直徑等方面，與實(shí)驗(yàn)中一致，如表1所列。在相同的工況下，如圖7所示，隨著GOS長(zhǎng)度的減小，回?zé)崞鞯男屎椭评淞侩S之增大，與實(shí)驗(yàn)的變化趨勢(shì)一致。當(dāng)GOS填充長(zhǎng)度減小至零時(shí)，即回?zé)崞骼涠颂幹挥锈€銅時(shí)，制冷量和回?zé)崞餍蔆OP是最大的。因此REGEN的模擬結(jié)果也表明，回?zé)岵牧镶€銅在5 K溫區(qū)的蓄冷能力是優(yōu)于GOS的。

表1 REGEN模擬輸入的主要參數(shù)Table1 The input parametersof the simulation in REGEN

圖7 COP和制冷量隨GOS長(zhǎng)度的變化曲線Fig.7 The cooling capacity and COP varying filling length of GOS

針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及模擬分析，從回?zé)岵牧系膸缀螀?shù)及熱物性參數(shù)等方面進(jìn)行具體的分析計(jì)算。熱穿透深度是回?zé)岵牧系闹匾臒嵛镄詤?shù)之一，表示單位時(shí)間內(nèi)回?zé)岵牧蠀⑴c換熱的有效深度，表達(dá)式如式（1），熱穿透深度的增加會(huì)增加回?zé)岵牧系膫鳠崦娣e。根據(jù)回?zé)岵牧系奈镄詤?shù)及制冷機(jī)的工作參數(shù)計(jì)算得出，在5～15 K溫區(qū)，回?zé)岵牧螱OS的熱穿透深度是大于HoCu2的，如圖8所示。因此，從熱穿透深度方面的分析和比較得出，回?zé)岵牧螱OS是優(yōu)于鈥銅的，并不是其導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)性能下降的原因。

此外，為保證氣體工質(zhì)與回?zé)岵牧系某浞謸Q熱及減小氣體流動(dòng)過程中的阻力損失，回?zé)岵牧系乃χ睆奖仨毾喈?dāng)或小于氣體工質(zhì)的熱穿透深度，相當(dāng)或大于氣體工質(zhì)的黏性滲透深度。由式（1）、式（2）及氦氣的熱物性參數(shù)計(jì)算得出，氦氣在6 K溫區(qū)的熱穿透深度和黏性滲透深度分別為0.025 mm和0.023 mm。而根據(jù)式（3）及回?zé)岵牧系膸缀螀?shù)計(jì)算得出，鈥銅和GOS在6 K溫區(qū)的水力直徑大約均在0.023 mm左右。分析計(jì)算可知，回?zé)岵牧螱OS從水力直徑等方面考慮，也不是其導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果較差的原因。

圖8 回?zé)岵牧显?3 Hz下熱穿透深度隨溫度變化曲線Fig.8 The change curve of the regeneratormaterials’thermal penetration varying the temperature in the frequency of 23 Hz

GOS材料本身較高的熱導(dǎo)率，會(huì)造成較大的軸向?qū)釗p失，致使頂端回?zé)崞鞯臏囟忍荻葴p小，造成制冷機(jī)較多的漏熱損失，如圖9所示。因此，GOS材料較高的熱導(dǎo)率是造成制冷機(jī)性能下降的重要原因之一。

圖9 回?zé)岵牧系臒釋?dǎo)率隨溫度的變化Fig.9 The thermal conductivity of the regeneratormaterials varying the temperature

此外減小回?zé)崞鲀?nèi)填充材料的顆粒直徑，可以增大換熱面積，提高制冷機(jī)回?zé)崞鞯男?。而過度減小顆粒直徑，回?zé)崞鲀?nèi)的壓降損失增加，同時(shí)會(huì)降低制冷機(jī)冷端的PV功，造成制冷機(jī)的性能降低。因此將在后續(xù)的工作中，針對(duì)GOS材料的顆粒直徑等方面繼續(xù)展開相關(guān)的研究。

4 結(jié)論

雖然GOS材料在5 K溫區(qū)具有更高的體積比熱容，但是對(duì)回?zé)岵牧螱OS在極低溫高頻脈沖管制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和模擬分析表明，在5 K溫區(qū)，GOS并不適合作為制冷機(jī)回?zé)崞鞯幕責(zé)岵牧希瑢?lái)制冷機(jī)的最低無(wú)負(fù)荷溫度的明顯升高。文章從熱穿透深度，黏性滲透深度和水力直徑等方面計(jì)算分析了GOS作為6 K以下溫區(qū)回?zé)岵牧系目尚行?，但是其較高的熱導(dǎo)率和換熱面積不足等原因可能是導(dǎo)致其回?zé)嵝Ч患训闹饕蛩亍?/p>

[1]甘志華.空間液氦溫區(qū)機(jī)械式制冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，46（12）：2160-2177.

[2]Collaudin B，RandoN.Cryogenicsinspace:a reviewofthemis?sions and of the technologies[J].Cryogenics，2000，40（12）: 797-819.

[3]陳國(guó)邦，湯柯.小型低溫制冷機(jī)原理[M].（第三版）.北京：科學(xué)出版社，2010.

[4]劉彥杰.10 K溫區(qū)高頻多級(jí)脈沖管制冷機(jī)理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，2011.

[5]楊魯偉.鉛蓄冷材料的二級(jí)脈沖管制冷機(jī)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2007，28（s1）:33-36.

[6]MasuyamaS，F(xiàn)ukuda Y，Imazu T，etal.Characteristicsofa4K Gifford-McMahon cryocooler using the Gd2O2S regenerator material[J].Cryogenics，2011，51（6）:337-340.

[7]Quan J，Liu Y J，Liang JT，etal.RegenerativeMaterialon Per?formanceofMulti-stageHigh FrequencyPulseTubeCryocool?er[C]//ICC，2012.

EXPERIMENT STUDY ON REGENERATORMATERIALSOFGd2O2S IN HIGH FREQUENCY PULSE TUBE CRYOCOOLERWORK ING AT LIQUID HELIUM TEMPERATURE

LIXiao-yong1，2，QUAN Jia1，LIU Yan-jie1，CAIJing-hui1，YERong-chang3
（1.Technical Institute of Physicsand Chem istry，CAS，Beijing 100190，China；2.Graduate University of Chinese Academ y of Sciences，Beijing 100190，China；3.University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

The high frequency pulse tube cryocoolerwhich can achieve 4.2 K（liquid helium temperature）has the advantage of low electromagnetic，lightweightand small volume.Itwould be used in the field of THz communication，deep spaceexploration and space scienceexperiments.At the same time，it isa hot research area inmechanical cryogenic refrigerator.The performance of regeneratormaterials hasa vital influence on the developmentof cryogenic refrigerator.Based on the two-stage pulse tube cryocoolerworking at liquid helium temperaturewhich is a independentself-design in our laboratory and the regenerator materials of Gd2O2S provided by University of Science and Technology Beijing，the paper shows a series of experiment studieswhich focus on the regeneratormaterials of GOS.The result of experiments points out that the regeneratormaterialsof HoCu2isbetter than GOSunder currentconditions.And the phenomenon is specifically discussed in the paper.

liquid helium temperature；regenerativematerials；GOS

TB651

A

1006-7086（2017）03-0158-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.03.007

2017-02-02

李曉永（1989-），男，河南安陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事液氦溫區(qū)制冷機(jī)研究工作。E-mail：xyl@mail.ipc.ac.cn。