雙溫區(qū)高效脈管制冷機(jī)性能研究

劉少帥，蔣珍華，朱海峰，丁 磊，劉碧強(qiáng)，吳亦農(nóng)

（中國(guó)科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所，上海 200083）

0 引言

脈管制冷機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、冷頭振動(dòng)和電磁干擾小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在航天、軍事、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域[1-2]?？臻g觀測(cè)地球衛(wèi)星，要求空間低溫設(shè)備能夠同時(shí)提供兩個(gè)或者多個(gè)不同溫區(qū)用于多探測(cè)器的冷卻，同時(shí)冷卻紅外探測(cè)器、光學(xué)元件或者支撐機(jī)構(gòu)的寄生漏熱。如中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器一般要求冷卻至60～80 K溫區(qū)，電路發(fā)熱及結(jié)構(gòu)漏熱等較小，因此所需冷量一般小于5 W。后光路及光學(xué)支架等需冷卻至110～170 K溫區(qū)，所需冷量一般大于15 W[3-4]。在醫(yī)療、能源等領(lǐng)域，一些小功率低溫存儲(chǔ)設(shè)備需要輕量小型化的制冷方式實(shí)現(xiàn)更低溫度制冷[5]，而一拖二的制冷結(jié)構(gòu)可以使低溫存儲(chǔ)設(shè)備更加緊湊。通常采用兩臺(tái)或以上制冷機(jī)作為冷源的用法，會(huì)有質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。采用單壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙冷指脈管制冷機(jī)，可以在不同位置獲得不同的制冷溫度及制冷量，同時(shí)減少了壓縮機(jī)數(shù)量，降低整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量。近年來(lái)，一些研究單位相繼開展了單壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩臺(tái)及以上冷指的研究，一般采用兩臺(tái)同樣的冷指，以提高同一個(gè)溫區(qū)的制冷量[6-7]。Tang等[7]研究了多脈管冷指之間的氣流分配作用，呂文杰等[8]、李勇等[9]針對(duì)斯特林制冷機(jī)研究了兩個(gè)斯特林冷指的性能及連管設(shè)計(jì)。

基于阻抗特性分析構(gòu)建了一臺(tái)工作在不同溫區(qū)的雙冷指脈管制冷機(jī)，搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，研究?jī)衫渲腹ぷ髟诓煌瑴貐^(qū)及冷量下的氣流分配特性，分析冷指熱負(fù)載變化對(duì)冷指入口壓力波動(dòng)、壓縮機(jī)位移行程的影響。最后給出這臺(tái)雙冷指脈管制冷機(jī)在兩個(gè)不同溫區(qū)的制冷性能，研究結(jié)果可以應(yīng)用在航天、醫(yī)療等領(lǐng)域。

1 雙溫區(qū)脈管制冷機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 雙溫區(qū)脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)

采用單壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)不同的脈管冷指，以滿足兩個(gè)溫區(qū)同時(shí)制冷的需求，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，兩臺(tái)冷指分別工作在高溫區(qū)（HCF）和低溫區(qū)（LCF）。兩冷指均采用慣性管氣庫(kù)調(diào)相方式，回?zé)崞骱兔}管采用同軸型結(jié)構(gòu)布置。

圖1 雙溫區(qū)脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of the double cold finger PTR

1.2 基于阻抗匹配的理論分析

雙溫區(qū)冷指設(shè)計(jì)過程中，需要考慮LCF和HCF的阻抗匹配問題。基于冷指阻抗特性，雙溫區(qū)脈管制冷機(jī)阻抗網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示，有關(guān)雙冷指阻抗圖的解釋參見課題組前期研究[10]。

圖2 雙溫區(qū)制冷機(jī)阻抗網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Impedance network diagram of the double cold finger PTR

當(dāng)兩冷指的冷端特性變化時(shí)，制冷溫度和制冷量的改變均會(huì)帶來(lái)兩者阻抗變化，影響兩冷指之間的氣流分配。脈管制冷機(jī)的制冷量與進(jìn)入脈管冷指的PV功成正比，PV功計(jì)算如式（1）所示[10]。PV功為進(jìn)入冷指?jìng)?cè)的壓縮膨脹功，是冷頭產(chǎn)生冷量的直接動(dòng)力?？梢钥闯?，實(shí)際應(yīng)用過程中一臺(tái)冷指的熱負(fù)載變化會(huì)對(duì)另外一臺(tái)冷指產(chǎn)生影響。通過構(gòu)建兩冷指的阻抗計(jì)算模型，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)兩冷指的結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)分析冷指間負(fù)載變化的影響關(guān)系。

式中：E為聲功，W；Re為實(shí)部；*為復(fù)數(shù)共軛；p為壓力，Pa；U為體積流，m3/s；Z為阻抗，Pa·s/m3。

2 試驗(yàn)裝置

基于阻抗匹配計(jì)算，設(shè)計(jì)了一臺(tái)雙溫區(qū)脈管制冷機(jī)，包括LCF（60～80 K）和HCF（110～ 170 K）。為測(cè)試兩臺(tái)冷指的制冷效果，搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，如圖3所示，雙溫區(qū)脈管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置主要由壓縮機(jī)、兩臺(tái)脈管冷指及測(cè)量系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)所用線性壓縮機(jī)為自研的動(dòng)磁式線性壓縮機(jī)，通過外接變頻電源控制其輸入功率和頻率用于驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)工作在不同溫區(qū)的脈管冷指。

圖3 雙溫區(qū)脈管制冷機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3 Experimental photograph of the double cold finger PTR

為了從內(nèi)部了解兩冷指的相互影響變化情況，在壓縮機(jī)兩側(cè)安裝有位移傳感器用以測(cè)量活塞位移，壓縮機(jī)出口采用三通連管連接LCF和HCF。兩臺(tái)冷指入口處分別安裝壓力傳感器，用以測(cè)量進(jìn)入冷指的壓力波動(dòng)。采用示波器監(jiān)測(cè)位移與壓力之間的相位關(guān)系，可以計(jì)算出進(jìn)入兩冷指的PV功，分析熱負(fù)載變化對(duì)冷指阻抗的影響。采用PT-100測(cè)量冷指制冷溫度，測(cè)量精度為±0.1 K。制冷量通過粘貼在冷頭的陶瓷加熱片采用熱平衡法測(cè)量，功率計(jì)用于監(jiān)測(cè)壓縮機(jī)的輸入電參數(shù)。

3 結(jié)果分析

兩臺(tái)冷指的制冷溫度之間的影響關(guān)系是雙溫區(qū)脈管制冷機(jī)能否應(yīng)用的關(guān)鍵，基于1.2中的理論分析可知，當(dāng)壓縮機(jī)輸入功率一定時(shí)，一臺(tái)冷指的制冷負(fù)載發(fā)生變化會(huì)對(duì)兩臺(tái)冷指的聲學(xué)負(fù)載產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響兩冷指的制冷溫度。其中，Q表示制冷量，圖中PTR表示兩側(cè)冷指，1和2分別表示低溫側(cè)和高溫側(cè)。

圖4為Q1變化時(shí)，LCF和HCF的溫度變化。保持輸入功率為180 W，HCF制冷量Q2為10 W不變。當(dāng)Q1從0 W增加到2.5 W時(shí)，LCF的制冷溫度T1從46.7 K升高至63.3 K，增幅為16.6 K；HCF的制冷溫度T2從128.7 K降低至124 K，降幅為4.7 K。當(dāng)LCF的制冷負(fù)載變化時(shí)，冷指1的溫度變化較大，而冷指2的溫度變化較小。這是由于Q1變化改變了LCF的阻抗，使得進(jìn)入HCF的流量略微增加，因此帶來(lái)T2的降低。同樣，當(dāng)Q2由0 W增大到15 W時(shí)，T2隨之升高（溫差103.4 K），T1略微降低（溫差9.7 K）。其原因同樣是由于HCF的阻抗變化引起的氣流分配改變，如圖5所示。

圖4 Q1變化對(duì)兩冷指制冷溫度的影響曲線Fig.4 T of LCF and HCF vs.Q1

圖5 Q2變化對(duì)兩冷指制冷溫度的影響曲線Fig.5 T of LCF and HCF vs.Q2

圖6給出了不同輸入電功下，兩臺(tái)冷指的最低制冷溫度變化情況（保持兩者加熱量均為0 W），電功為輸入壓縮機(jī)的總電功。當(dāng)輸入電功為120 W時(shí)，LCF的溫度為58.2 K，HCF的溫度為79.7 K。原因是由于基于阻抗匹配的冷指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得LCF可以獲得更低的制冷溫度。當(dāng)輸入功率增加至200 W時(shí)，隨著進(jìn)入兩冷指的氣流增加，壓力波動(dòng)增大，LCF和HCF的制冷溫度分別降低至48.4 K和71.2 K，降幅為9.8 K和8.5 K。兩者最低溫度隨輸入功率的變化關(guān)系在一定程度上表明了這臺(tái)制冷機(jī)的制冷性能，改變輸入功率會(huì)同時(shí)對(duì)兩冷指的制冷性能產(chǎn)生影響。

圖6 輸入電功對(duì)兩冷指制冷溫度的影響曲線Fig.6 T of LCF and HCF vs.Input power

圖7給出了壓縮機(jī)位移及兩臺(tái)冷指入口壓比隨Q1的變化關(guān)系，其中固定壓縮機(jī)輸入功率180 W，且保持Q2為10 W不變。當(dāng)Q1增大時(shí)，兩冷指的入口壓比略微增加，變化不大。主要是由于HCF的加熱量較大，同時(shí)LCF加熱量的變化相對(duì)較小。此時(shí)，改變Q1對(duì)HCF阻抗的影響較小，結(jié)合圖2同樣可以看出HCF的制冷溫度降低較少。當(dāng)進(jìn)入兩冷指的氣流分配變化不大，且輸入功率一定時(shí)，Q1的增加帶來(lái)LCF溫度的升高。進(jìn)入兩臺(tái)冷指的總阻抗增大使得同樣輸入功率下壓縮機(jī)的位移略微減小。同樣的，當(dāng)保持Q1為2 W，改變Q2時(shí)。由于Q2的變化跨度較大，LCF和HCF的入口壓比均有較大幅度的增大，帶來(lái)HCF溫度的大幅增加，LCF溫度略微降低，相位差降低，如圖8所示。

圖7 兩冷指入口壓比和相位差隨Q1的變化關(guān)系曲線Fig.7 Pressure ratio and phase angle vs.Q1

圖9給出了兩臺(tái)冷指分別在60 K和170 K工作的制冷性能，同時(shí)對(duì)比了模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致，表明前期設(shè)計(jì)中對(duì)兩冷指氣流分配計(jì)算準(zhǔn)確，為后續(xù)的優(yōu)化和實(shí)際應(yīng)用中的冷量調(diào)節(jié)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。LCF和HCF可以同時(shí)在60 K和170 K提供最大3.3 W和20 W的制冷量，滿足低溫冷光學(xué)和探測(cè)器的同時(shí)制冷需求。兩者之間的冷量分配也可以在一定程度內(nèi)適量調(diào)節(jié)。

圖8 兩冷指入口壓比和相位差隨Q2的變化關(guān)系曲線Fig.8 Pressure ratio and phase angle vs.Q2

圖9 不同制冷性能實(shí)驗(yàn)與模擬值對(duì)比（60 K和170 K）曲線Fig.9 Comparison of simulation results and experimental results at different cooling capacity（70 K&170 K）

圖10給出了兩臺(tái)冷指分別在80 K和110 K的制冷性能。

圖10 整機(jī)制冷性能（80 K和110 K）Fig.10 Cooling performance（80 K&110 K）

LCF和HCF可以同時(shí)在80 K和110 K提供最大5.7 W和10.9 W的制冷量。調(diào)節(jié)兩者制冷溫度可以改變其最大制冷量。雙溫區(qū)脈管制冷機(jī)在兩者溫區(qū)改變時(shí)依然能夠獲得較好的制冷效果。

4 結(jié)論

基于阻抗匹配特性設(shè)計(jì)了一臺(tái)雙溫區(qū)脈管制冷機(jī)并開展實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)測(cè)試了高溫區(qū)冷指和低溫區(qū)冷指工作在不同制冷溫度下兩者制冷量的變化。同時(shí)監(jiān)測(cè)兩臺(tái)冷指入口壓比及壓縮機(jī)活塞位移的變化情況。得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)輸入功率為200 W時(shí)，LCF和HCF的無(wú)負(fù)荷最低制冷溫度分別可以達(dá)到48.4 K和71.2 K，兩者分別針對(duì)高溫區(qū)和低溫區(qū)設(shè)計(jì)；

（2）LCF和HCF的熱負(fù)載增加會(huì)對(duì)兩者的制冷溫度產(chǎn)生影響，熱負(fù)載增加使冷指溫度升高，另一臺(tái)略微降低，冷端參數(shù)帶來(lái)的阻抗變化對(duì)另一臺(tái)影響較?。?/p>

（3）兩臺(tái)冷指分別在低溫區(qū)和高溫區(qū)獲得較好的制冷性能，其中60 K和170 K最大可分別提供3.3 W和20 W制冷量；80 K和110 K最大可分別提供5.7 W和10.9 W制冷量。

此雙冷指脈管制冷機(jī)可以同時(shí)滿足紅外探測(cè)器和低溫光學(xué)的冷卻需求，通過兩者的冷量調(diào)節(jié)可以在醫(yī)療設(shè)備中用于不同器官的冷卻存儲(chǔ)。