1.6 kg小型同軸脈沖管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)研究

邢恩春，陳厚磊，唐清君，荀玉強(qiáng)，蔡京輝，梁驚濤

（1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190；2.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190）

1.6 kg小型同軸脈沖管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)研究

邢恩春1，2，陳厚磊2，唐清君2，荀玉強(qiáng)2，蔡京輝2，梁驚濤2

（1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190；2.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190）

小型脈沖管制冷機(jī)在空間以及軍事領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，通過提高制冷機(jī)的工作頻率可減小制冷機(jī)的體積與質(zhì)量。研制了1臺重1.6 kg的脈沖管制冷機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。采用實(shí)驗(yàn)室研制的小型直線壓縮機(jī)驅(qū)動，慣性管氣庫、雙向進(jìn)氣作為調(diào)相機(jī)構(gòu)，在輸入電功45 W，冷端溫度80 K時可獲得2.12 W的制冷量，相對卡諾效率13.0%。由于運(yùn)行頻率高，冷指尺寸小，冷指降溫時間短，2 m in降溫到80 K，并且冷頭溫度受重力影響較小。

小型；同軸；脈沖管制冷機(jī)

0 引言

脈沖管制冷機(jī)由于冷端沒有運(yùn)動部件，具有結(jié)構(gòu)簡單、振動小、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天以及低溫超導(dǎo)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。脈沖管制冷機(jī)多為針對空間應(yīng)用設(shè)計(jì)，為保障制冷機(jī)的壽命和可靠性，體積質(zhì)量一般較大，目前國內(nèi)的空間脈沖管制冷機(jī)質(zhì)量一般在5 kg以上，遠(yuǎn)大于地面軍用斯特林制冷機(jī)1～2 kg的質(zhì)量。

近年來，美國對脈沖管制冷機(jī)開展了小型化研究。美國學(xué)者Radebaugh等提出通過提高頻率，并配合較高的充氣壓力與更小水力直徑的回?zé)崽盍?，可以在減小制冷機(jī)體積與質(zhì)量的同時保持較高的制冷機(jī)效率，并通過Regen3.2模擬計(jì)算了回?zé)崞餍阅茈S頻率的變化曲線，指出選取合適的運(yùn)行條件及回?zé)崞鞒叽纾? 000 Hz超高頻下的回?zé)崞魍?0 Hz回?zé)崞餍氏嗖畈淮骩1]。

2009年NGST報道了其研制的小型同軸脈沖管制冷機(jī)，整機(jī)質(zhì)量857 g，冷指外徑11.2 mm，長度48 mm，在49 W電功輸入下，冷指無負(fù)荷最低溫度47 K、77 K可獲得1.3 W的制冷量[2]。

2014年NGST報道了研制的小型化脈沖管制冷機(jī)的最新結(jié)果，該制冷機(jī)整機(jī)質(zhì)量900 g，在51 W電功輸入時，冷指的最低無負(fù)荷溫度38 K左右，150 K可以獲得5 W的制冷量[3]。同年Lockheed Martin公司報道了研制的小型同軸性脈沖管制冷機(jī)，該制冷機(jī)整機(jī)質(zhì)量328 g，在10 W的電功輸入下，冷指的最低無負(fù)荷溫度在90 K左右，150 K可獲的0.85 W的制冷量[4]。

2009年浙江大學(xué)報道了1臺工作頻率120 Hz的高頻、大冷量直線型脈沖管制冷機(jī)，該制冷機(jī)最低無負(fù)荷溫度為49.6 K、78.5 K可提供8.0 W的制冷量[5]。2012年理化所熱聲組王曉濤等[6]又報道了研制的同軸型脈沖管制冷機(jī)，該制冷機(jī)冷指在40 W聲功輸入下，冷指的無負(fù)荷最低溫度49.3 K、77 K可獲得2.8 W制冷量。

從2008年開始研制超高頻小型同軸脈沖管制冷機(jī)。采用研制的頻率為100 Hz的同軸型冷指匹配諧振頻率50 Hz的壓縮機(jī)，該制冷機(jī)在運(yùn)行頻率80 Hz，80 W電功輸入下，80 K可獲得2 W的制冷量[7]。在此基礎(chǔ)上研制了諧振頻率為100 Hz的小型壓縮機(jī)，質(zhì)量從4.5 kg減小至1.2 kg，整機(jī)質(zhì)量為1.6 kg。

1 小型同軸脈沖管制冷機(jī)樣機(jī)

小型脈沖管制冷機(jī)主要包括壓縮機(jī)、冷指、調(diào)相機(jī)構(gòu)。壓縮機(jī)主要提供不同功率及頻率壓力波，冷指是產(chǎn)生冷量的主要部件，包括蓄冷器熱端換熱器、蓄冷器、冷端換熱器、脈沖管，調(diào)相機(jī)構(gòu)主要調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)的壓力波、體積流相位及兩者之間相位差。當(dāng)壓縮機(jī)連接交流電源時，壓縮機(jī)內(nèi)部的音圈電機(jī)帶動活塞做直線往復(fù)運(yùn)動，利用活塞的往復(fù)運(yùn)動驅(qū)動工質(zhì)流動，當(dāng)氣體流過冷指時，冷指通過系統(tǒng)內(nèi)往復(fù)穿梭震蕩的可壓縮流體工質(zhì)與固體介質(zhì)之間相互換熱時產(chǎn)生制冷效應(yīng)。圖1和圖2分別是制冷機(jī)的示意圖與實(shí)物，表1是制冷機(jī)的外形參數(shù)。

圖1 同軸型脈沖管制冷機(jī)示意圖Fig.1 Schematic of the pulse tube cryocooler 1.氣庫；2.冷指；3.壓縮機(jī)

圖2 同軸型脈沖管制冷機(jī)實(shí)物圖Fig.2 Photo of the pulse tubem icrocoole

表1 制冷機(jī)的主要參數(shù)Table1 Key parameter of the PTm icrocooler

2 實(shí)驗(yàn)方法及條件

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括充氣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)以及溫度采集系統(tǒng)。充氣系統(tǒng)主要為制冷機(jī)提供高純氦氣。水循環(huán)系統(tǒng)的主要作用是維持制冷機(jī)冷指熱端溫度恒定。真空系統(tǒng)主要用于維持冷指所處的真空環(huán)境減少冷指與環(huán)境之間的換熱損失。溫度采集主要采用PT100鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)中制冷量的測量采用熱平衡原理，在冷指冷端布置加熱塊，通過控制加熱絲兩端的電壓控制制冷機(jī)冷端的加熱量。實(shí)驗(yàn)中采用四線制進(jìn)行溫度測量來減小測量誤差以及使用四線制來模擬制冷機(jī)冷端熱負(fù)荷。圖3為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，實(shí)驗(yàn)中氣體工質(zhì)為氦氣，制冷機(jī)運(yùn)行頻率70～130 Hz，充氣壓力4.2 MPa，冷指外徑12 mm，長度45 mm，循環(huán)冷卻水溫15℃。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic of theexperimentalapparatus

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 調(diào)相機(jī)構(gòu)對制冷機(jī)性能的影響

根據(jù)焓流相位理論脈沖管制冷機(jī)的制冷量取決于脈沖管內(nèi)部的焓流以及蓄冷器內(nèi)部的損失。合理的調(diào)相機(jī)構(gòu)將使得制冷機(jī)回?zé)崞髋c脈沖管內(nèi)部的壓力與體積流率處于合理的范圍，從而增大焓流減少回?zé)釗p失，提高制冷機(jī)的制冷量。通常慣性管、氣庫以及雙向進(jìn)氣能夠發(fā)揮較好的調(diào)相作用，調(diào)相機(jī)構(gòu)的改變使得脈沖管熱端阻抗幅值與壓力體積流率間的相位差發(fā)生改變，一方面影響了制冷機(jī)的性能；另一方面也會改變制冷機(jī)的阻抗，影響壓縮機(jī)的效率。

3.1.1 慣性管對冷指性能的影響

慣性管型調(diào)相機(jī)構(gòu)是一種被動型的調(diào)相機(jī)構(gòu)，利用細(xì)長管內(nèi)氣體的慣性效應(yīng)調(diào)節(jié)氣體壓力波與體積流率之間的相位差。采用組合式慣性管作為調(diào)相機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)中壓縮機(jī)的輸入功率為45 W，表2給出不同內(nèi)徑以及長度的慣性管組合方式。

表2 慣性管組合方式Table2 Different combinationsof the inertance tubes

Case2～Case5為內(nèi)徑1 mm慣性管長度由0.1 m增加到0.6 m，Case1～Case2為內(nèi)徑2 mm慣性管長度由1 m增加到1.5 m。從圖4中可以看出隨著慣性管長度的增加，冷指的最佳運(yùn)行頻率降低，當(dāng)內(nèi)徑為1 mm的連管由0.1 m變?yōu)?.6 m時，運(yùn)行頻率降低20 Hz。當(dāng)內(nèi)徑2 mm的慣性管由1 m變?yōu)?.5 m時，運(yùn)行頻率降低5 Hz。當(dāng)調(diào)相機(jī)構(gòu)采用Case3與Case4時，冷指的最低溫度分別為51.1 K、50.7 K。當(dāng)調(diào)相機(jī)構(gòu)采用Case1時，冷指最低溫度為48.8 K。

圖5是不同組合慣性管下冷指的性能曲線。當(dāng)熱端調(diào)相機(jī)構(gòu)選擇Case1時，冷指80 K制冷量為2.01 W，當(dāng)采用Case3與Case4時，冷指80 K制冷量分別為1.82 W、1.83 W。當(dāng)熱端調(diào)相機(jī)構(gòu)采用Case2時，冷指的單位制冷量溫升為14.75 K/W，采用Case5時，冷指的單位溫升制冷量17.06 K/W，增加2.31 K/W。從冷指的制冷量以及單位制冷量的溫升都可以看出慣性管對微型脈沖管制冷機(jī)的影響較大，合適的慣性管組合對于提升脈沖管制冷機(jī)性能有較大作用。

圖4 不同頻率下慣性管對冷指溫度的影響曲線Fig.4 The temperaturesof the cold end at the different operating frequency using differentcombinationsof the inertance tubes

圖5 不同組合慣性管下冷指的性能曲線Fig.5 The performance of the cold end at the different tempreatureusing differentcombinationsof the inertance tubes

3.1.2 氣庫對制冷機(jī)性能的影響

脈沖管制冷機(jī)氣庫體積的縮小可有效減小制冷機(jī)的體積與質(zhì)量。相比較于高頻脈沖管制冷機(jī)，超高頻脈沖管制冷機(jī)頻率提高，活塞行程減小，所需氣體工質(zhì)的質(zhì)量減小，因此為減小氣庫的體積與質(zhì)量提供了可能性。文章中考查了氣庫體積0 cm3與30 cm3時，冷指的性能。Case0與Case1分別為慣性管連接氣庫體積0 cm3與30 cm3。

圖6顯示當(dāng)慣性管連接氣庫時，冷指的最低無負(fù)荷溫度約為48.8 K。當(dāng)采用純慣性管時，冷指的最低無負(fù)荷溫度約為55.0 K。相比較于純慣性管作為調(diào)相機(jī)構(gòu)，氣庫的加入使冷指的最低溫度降低了6 K。當(dāng)采用純慣性管作為調(diào)相機(jī)構(gòu)時，制冷機(jī)的運(yùn)行頻率為115～120 Hz冷指達(dá)到最低溫度，當(dāng)采用氣庫時制冷機(jī)的運(yùn)行頻率為95～100 Hz，冷指達(dá)到最低溫度。氣庫引入后制冷機(jī)的運(yùn)行頻率降低，流過冷頭的氣體質(zhì)量增加，換熱時間增加，因此冷指的無負(fù)荷最低溫度降低。但隨著制冷機(jī)內(nèi)部氣體的增加，蓄冷器內(nèi)部損失也會增加，因此實(shí)驗(yàn)中對制冷機(jī)的制冷量進(jìn)行了測量。

圖6 有無氣庫下冷指溫度隨頻率的變化曲線Fig.6 The temperaturesof the cold end at the different operating frequency using different reservoir volume

圖7是制冷機(jī)的性能曲線，結(jié)合圖6可看出當(dāng)采用慣性管加氣庫作為冷指的調(diào)相機(jī)構(gòu)時，在45 W電功輸入下，冷指80 K冷量由1.5 W增加到2.01 W。當(dāng)引入氣庫時，制冷機(jī)內(nèi)氣體工質(zhì)增加，在一定范圍內(nèi)由于氣體質(zhì)量增加引起制冷量的增加大于蓄冷器內(nèi)部損失的增加。因此在減輕制冷機(jī)體積與質(zhì)量的時，要考率到氣庫對制冷機(jī)性能的影響。

3.1.3 雙向進(jìn)氣對冷指性能的影響

研究表明在慣性管作為主要調(diào)相機(jī)構(gòu)的高頻脈沖管制冷機(jī)中，雙向進(jìn)氣對脈沖管制冷機(jī)進(jìn)一步降低溫度仍然有較大的作用[8]。對于超高頻的直線型脈沖管制冷機(jī)，雙相進(jìn)氣的引入會使進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，引入閥門后會造成新的流動損失。由于同軸型脈沖管制冷機(jī)回?zé)崞鳠岫伺c脈沖管熱端在冷指的同一側(cè)，因此可以通過在脈沖管熱端打孔的方式實(shí)現(xiàn)雙向進(jìn)氣的功能，同時避免了雙向進(jìn)氣增加空容積對制冷機(jī)性能的影響。

圖7 不同組氣庫體積下冷指的性能曲線Fig.7 The performanceof the cold end at the different tempreatureusing different reservoir volume

選擇熱端調(diào)相機(jī)構(gòu)Case1、Case3、Case4，實(shí)驗(yàn)對比了雙向進(jìn)氣引入前后冷指的無負(fù)荷最低溫度及80 K制冷量。從圖8實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，雙向進(jìn)氣的引入，冷指的最低無負(fù)荷溫度降低。Case1（雙向）的最低溫度45.9 K，相比較Case1降低2.9 K，Case3（雙向）的最低溫度48.1 K，比Case3低3.2 K，Case4（雙向）的最低溫度47.7 K，相比較Case4降低3.0 K。

圖8 引入雙向進(jìn)氣后冷指溫度對比曲線Fig.8 The influence of the double-inleton the cold end tempreature

從圖9可以看出引入雙向進(jìn)氣后冷指的性能有所提高。采用雙向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)后，單位溫升制冷量減小，采用Case1（雙向）、Case3（雙向）與Case4（雙向）時，冷指的斜率分別為16.04 K/W、16.54 K/W、16.97 K/W，相比較于Case1、Case3與Case4時，冷指的斜率升高0.36 K/W、0.78 K/W、0.95 K/W，但由于冷端溫度的降低，使制冷機(jī)冷量有所增加，當(dāng)采用Case1時，引入雙向進(jìn)氣后冷指80 K冷量由2.01 W增加到2.12 W。

圖9 引入雙向進(jìn)氣后冷指性能對比曲線Fig.9 The influenceof the double-inleton the performance

4 小型制冷機(jī)的使用特性

4.1 不同功率下制冷機(jī)的性能

當(dāng)壓縮機(jī)在特定頻率工作時，隨著功率的增加，壓縮機(jī)活塞的行程增大，掃氣量增加，壓比提高，流過冷指冷頭的氣體量增加，根據(jù)焓流相位理論制冷機(jī)的制冷量增加。圖10為壓縮機(jī)運(yùn)行頻率95 Hz，不同輸入功率條件下，制冷量隨冷頭溫度的變化在一定的輸入功率下，制冷量隨著冷頭溫度的上升線性增加。隨著壓縮機(jī)輸入功率的增加，單位制冷量減小，當(dāng)輸入功率由45 W變?yōu)?00 W時，冷指的斜率由15.48 K/W變?yōu)?.44 K/W。輸入功率增加對冷頭無負(fù)荷最低溫度的改變不大，冷指冷頭的最低溫度由48.8 K變?yōu)?4.1 K，但由于單位溫升制冷量變大，對各個溫區(qū)下的制冷量有較大的提高，45 W增加到100 W時，80 K制冷量由2.01 W增加到4.31 W。

4.2 冷指的降溫曲線

高頻脈沖管制冷機(jī)冷指尺寸小、質(zhì)量輕、能量密度高，而同軸型脈沖管制冷機(jī)由于結(jié)構(gòu)更加緊湊，進(jìn)一步減輕了冷端質(zhì)量，因此冷指降溫時間快。圖11為同軸型脈沖管制冷機(jī)在運(yùn)行頻率95 Hz、輸入功率45 W無熱負(fù)荷條件下冷指的降溫曲線，從室溫300 K降至80 K降溫時間在2 min內(nèi)。當(dāng)增加制冷機(jī)的功率，冷指的降溫時間會更快，適用于需要快速降溫的紅外探測設(shè)備。

圖10 制冷機(jī)的性能曲線Fig.10 The performanceof themicrocooler

圖11 冷指的降溫曲線Fig.11 A cooling-down curve of them icrocooler

4.3 冷指方向?qū)渲感阅艿挠绊?/p>

在脈沖管制冷機(jī)中，脈沖管兩端存在很大的溫差，當(dāng)處于重力場中，重力的作用會對脈沖管制冷機(jī)內(nèi)部的流場和溫度場產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)而影響脈沖管制冷機(jī)的性能。

脈管制冷機(jī)的方向性問題是制約其在航天、航空、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用的因素之一。通過提高脈沖管制冷機(jī)的頻率可以有效遏制方向性問題[9]，因?yàn)檩^高的頻率使得脈管中流動的氣體具有較大加速度，從而減弱重力加速度對氣體微團(tuán)運(yùn)動的影響；另一方面，高頻脈管制冷機(jī)具有相對較小的脈管尺寸，也會從一定程度上抑制方向性問題[10]。圖12是冷指方向?qū)χ评錂C(jī)溫度的影響，制冷機(jī)在運(yùn)行頻率95 Hz、45 W電功輸入下冷端熱負(fù)載分別為0 W、1.53 W。0°是指冷指的方向豎直向下與重力方向一致，180°指冷指豎直向上與重力方向相反。當(dāng)負(fù)載為0 W、1.53 W時，冷指最低溫度相差1.2 K、0.7 K。

圖12 冷指方向?qū)渲笢囟鹊挠绊懬€Fig.12 The influenceof the direction on the cold end

5 結(jié)論

研制了1臺運(yùn)行頻率100 Hz的脈沖管制冷機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。通過對熱端調(diào)相機(jī)構(gòu)的優(yōu)化，研究了慣性管以及雙向進(jìn)氣對冷指性能的影響，確定了最佳的調(diào)相方式。采用諧振頻率100 Hz的高頻壓縮機(jī)工作在95 Hz，在45 W電功輸入下，熱端溫度300 K時，80 K可獲得2.12 W制冷量，相對卡諾效率13%。所研制的同軸型脈沖管制冷機(jī)質(zhì)量輕、降溫快、重力因素對制冷機(jī)性能影響較小，從室溫300 K降至液氮溫區(qū)80 K小于2 min。

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INVESTIGTION ON THE 1.6 kg M INIATURECOAXIAL PULSE TUBECRYOCOOLER

XING En-chun1，2，CHEN Hou-lei1，TANG Qing-jun2，XUN Yu-qiang2，CAIJing-hui2，LIANG Jing-tao2
（1.University of the ChineseAcademy of Science，Beijing 100190，China；2.Technical Institution of Physicsand Chem istry，Beijing 100190，China）

Increasing the drive frequency can yield a more compact pulse tube cooler，which is very attractive for many applications，especially for the space and military applications. In this paper，experimental study has been carried out for a coxial pulse tube cryocooler which is driven by self-designed linear compressor and uses an inertance tube with a reservoir and double-inlet value as the phase shifter. The pulse tube cryocooler has achieved cooling capacity of 2.12 W at 80K with the input power of 45 W，around of 13% relative Carnot efficiency is achieved at 80 K when the reject temperature is 300 K. Because of the low mass and the high operating frequency，the temperature of the cold end can decrease to 80 K from 300 K in two minutes and the gravity has little effects on the temperature.

miniature；coaxial；pulse tube cryocooler

TB651

A

1006-7086（2017）04-0217-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.04.006

2017-03-10

國家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（613322）

邢恩春（1989-），男，山東濱州人，主要從事超高頻脈沖管制冷機(jī)。E-mail：1058848097@qq.com。