單直線壓縮機驅(qū)動雙脈管冷指的實驗研究

曹永剛 陳 曦 吳亦農(nóng) 楊開響 張安闊 熊 超

(1上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 上海 200093)

(2中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083)

單直線壓縮機驅(qū)動雙脈管冷指的實驗研究

曹永剛1，2陳 曦1吳亦農(nóng)2楊開響2張安闊1，2熊 超2

(1上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 上海 200093)

(2中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083)

為了在不同位置獲得不同的制冷性能，設(shè)計了一臺線性對置壓縮機驅(qū)動兩臺同軸型脈管冷指的實驗方案并搭建了試驗臺。通過實驗研究兩臺脈管制冷機耦合的制冷性能。實驗結(jié)果顯示:兩臺設(shè)計相同的脈管冷指性能不同，經(jīng)過耦合后制冷性能差異更大，可同時達到1.79 W@60 K和1.384 W@60 K制冷量。

線性壓縮機 脈管制冷機 制冷性能 實驗研究

1 引言

脈沖管制冷機由于其在冷端完全取消了運動部件，具備了結(jié)構(gòu)簡單、制造較易、成本較低、冷頭振動和電磁干擾小、可靠性高以及預(yù)期壽命長等一系列顯著優(yōu)點。在過去二十年中，脈沖管制冷機得到了蓬勃、迅速的發(fā)展，被應(yīng)用于需要低溫制冷的各領(lǐng)域。低溫紅外儀器及設(shè)備在空間低溫學(xué)有很大的應(yīng)用需求。對于航天、航空和軍事等方面的應(yīng)用，通常要求制冷機系統(tǒng)小型化甚至微型化，以減少火箭、航空器等的載荷，提高系統(tǒng)的機動性和快速反應(yīng)能力，但常規(guī)的小型化手段僅僅減小制冷機各部件的尺寸，導(dǎo)致制冷量隨之成比例減小。如何在保證制冷機小型化的同時仍然滿足制冷量需求及較高的效率成為一個亟待解決的問題。

為了在不同的位置獲得不同的制冷量，例如:0.5 m或1 m間距獲得2 W@60 K和6 W@80 K的制冷量，研究設(shè)計了一臺壓縮機驅(qū)動兩臺冷指的實驗系統(tǒng)。這個系統(tǒng)在滿足制冷需求的同時，明顯減輕了質(zhì)量，也滿足了長壽命需求。目前還沒有完全了解這種制冷系統(tǒng)，分析和實驗研究在揭示系統(tǒng)性能上是十分必要的。研究搭建了一臺線性壓縮機驅(qū)動兩臺脈管制冷機的驗裝置，并通過實驗裝置測試了脈管制冷機耦合的制冷性能。

2 實驗系統(tǒng)及裝置

圖1為一臺壓縮機驅(qū)動兩臺冷指系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 單直線壓縮機驅(qū)動兩臺脈管冷指系統(tǒng)C.壓縮機;T.連管;R1，R2.氣庫;IT1，IT2.慣性管;HE1，HE2.熱端換熱器;CE1，CE2.冷端換熱器;RG1，RG2.蓄冷器;PT1，PT2.脈管;V1，V2.真空罩。Fig.1 System of two pulse tube cryocoolers driven by one linear compressor

實驗采用自主設(shè)計并制造的對置式動圈線性壓縮機，壓縮機參數(shù)如表1所示。兩臺脈管冷指均采用同軸型結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用慣性管及氣庫進行調(diào)相，為脈管冷頭質(zhì)量流與壓力波提供合適的相位角。為了簡化，兩臺脈管冷指最初優(yōu)化的冷頭相位保持不變，并且在平行布置的實驗中也不進行修改?；?zé)崞魈盍嫌?00目的不銹鋼絲網(wǎng)組成;氣庫與脈管熱端通過法蘭連接，慣性管纏繞在氣庫上面，并通過膠體進行固定，在減少體積的同時降低系統(tǒng)對慣性管的振動，增加了整個系統(tǒng)的緊湊性;每個脈管冷指的熱端通過與恒溫水源相連接的水冷塊水冷，它們之間涂以導(dǎo)熱硅增強導(dǎo)熱性;熱端也可采用同軸風(fēng)機進行強風(fēng)冷卻;系統(tǒng)采用氦氣作為工質(zhì);冷頭溫度采用校準的鉑電阻溫度計(Pt100)進行四線制測量，保證了測量溫度的準確性;制冷量通過粘貼在冷頭上的電阻加熱片測量;一個T型銅管用來連接壓縮機和脈管冷指。表1為單直線對置式動圈壓縮機主要參數(shù)。

表1 單直線對置式動圈壓縮機主要參數(shù)Table 1 Main parameter of linear opposed moving-coils compressor

3 試驗結(jié)果及分析

本實驗的主要目的是為了研究一臺直線壓縮機驅(qū)動兩臺結(jié)構(gòu)相同脈管冷指的耦合性能。首先通過實驗分別研究了兩臺脈管冷指的制冷性能，然后再通過實驗研究分析它們耦合的制冷性能。

3.1 單脈管冷指性能分析

在研究脈管冷指耦合性能之前，先對每臺脈管冷指的性能進行測試。為了便于描述，記兩臺脈管冷指分別為A和B。兩臺脈管冷指的設(shè)計目標為:在3.2 MPa的充氣壓力下，55—58 Hz壓縮機運行頻率時，熱端散熱溫度300 K，壓縮機輸入功小于等于100 W獲得2 W@60 K以上的制冷量。實驗測量時，充氣壓力固定為3.2 MPa。高頻脈管制冷機的一個顯著特性是快速降溫。圖2和圖3所示為兩脈管冷指在不同熱端溫度不同壓縮機輸入功下情況下獲得的降溫曲線。

圖2 A脈管冷指的降溫曲線Fig.2 Cooling down curve of A cryocooler

圖3 B脈管冷指的降溫曲線Fig.3 Cooling down curve of B cryocooler

由圖2和圖3可見，當溫度大于60 K時，降溫比較快，10 min便可降到60—70 K之間;當溫度小于50 K，隨著時間的推移溫度降低很慢，不同熱端溫度不同壓縮機輸入功最低溫均在45 K左右;293 K水冷，120 W輸入功時，A、B脈管冷指達到的最低溫分別為42.43 K和44.03 K;對于A、B冷指，當熱端溫度不變時，隨著輸入功的增加(100 W到120 W)降溫速度有所加快，并且達到的最低溫也更低;當輸入功不變時，隨著熱端溫度的增加，降溫速度也隨之降低，最低溫也有所升高;在一定范圍內(nèi)，熱端溫度及壓縮機輸入功與降溫曲線和無負荷最低溫呈弱相關(guān)。

壓縮機與脈管冷指的耦合對制冷性能有重要影響。圖4為不同頻率下最優(yōu)脈管冷指實驗值。A、B脈管冷指的最優(yōu)頻率十分接近，A冷指的最優(yōu)頻率在55—56 Hz之間，這時獲得2 W@60 K的制冷量需要的壓縮機輸入功最小，56 Hz時需要的輸入功為102.37 W;B冷指的最優(yōu)頻率為55 Hz，獲得2 W@60 K的制冷量需要112.57 W的壓縮機輸入功;雖然A、B冷指結(jié)構(gòu)相同，但A冷指的性能更優(yōu)。

圖4 兩臺脈管冷指不同頻率下制冷性能曲線Fig.4 Curve of refrigeration capacities on cryocoolers at different frequency

圖5給出了兩臺脈管冷指實驗性能比較關(guān)系。對于A、B脈管冷指，隨著輸入功增加制冷量也隨之增加，例如:A脈管冷指的壓縮機從70 W增加到120 W，制冷溫度60 K時制冷量從0.92 W增加到2.35 W;當壓縮機輸入功從70 W增加到120 W時，A脈管冷指的制冷性能總是比B脈管冷指的性能好，例如，100 W輸入功時，A脈管冷指80K的制冷量為4.21 W，B脈管冷指80 K的制冷量為3.91 W，A的制冷量比B高0.3 W。

圖5 兩臺脈管冷指實驗性能比較Fig.5 Comparison of experimental capacities on cryocoolers

綜上所述，雖然A、B脈管冷指的設(shè)計是一樣的，但它們的性能有諸多不同，如降溫性能、最優(yōu)頻率及制冷量等。這些不同可能是加工工藝造成的。加工工藝對脈管制冷機的性能影響將在以后的研究中得到重視，對A、B脈管冷指性能的掌握有助于單直線壓縮機驅(qū)動兩臺脈管冷指系統(tǒng)的實驗研究。

3.2 雙脈管冷指性能分析

單直線壓縮機驅(qū)動兩臺脈管冷指不但可以滿足不同位置不同的制冷需求，而且減小了整個系統(tǒng)的質(zhì)量，因此對其進行了實驗性能研究及分析。

由圖3已知實驗結(jié)果，將系統(tǒng)的頻率設(shè)為55 Hz，并且充氣壓力保持3.2 MPa不變。兩臺脈管冷指耦合的制冷實驗性能如圖6所示。壓縮機輸入功為120 W，熱端溫度為293 K，當制冷量相同時，A脈管冷指的制冷溫度明顯比B脈管冷指的低，例如，制冷量為2 W時，A脈管冷指的制冷溫度為77.6 K，而B脈管冷指的制冷溫度為85.5 K;由3.1的實驗結(jié)果可知A脈管冷指的性能比B脈管冷指的性能好，耦合之后A脈管冷指性能依然比B脈管冷指好。

圖6 兩臺脈管冷指耦合制冷性能比較Fig.6 Comparison of experimental capacities on coupling cryocoolers

當壓縮機輸入功為217.27 W時，A脈管冷指的制冷性能為1.79 W@60 K，B脈管冷指的制冷性能為1.384 W@60 K。與單直線壓縮機驅(qū)動單臺脈管冷指相比較，耦合后的制冷性能有所下降。耦合后整個系統(tǒng)更加復(fù)雜，將通過進一步的研究對其進行分析。

4 結(jié)論

通過實驗研究了單直線壓縮機驅(qū)動兩臺設(shè)計結(jié)構(gòu)相同的脈管冷指系統(tǒng)的制冷性能。結(jié)果顯示，雖然兩臺脈管冷指的設(shè)計相同但其性能明顯不同，耦合之后這種不同會被放大;兩臺脈管冷指能夠在不同的位置同時獲得1.79 W@60 K和1.384 W@60 K的制冷性能，與耦合之前相比制冷性能有所下降;兩臺脈管冷指耦合后，整個系統(tǒng)更加復(fù)雜，關(guān)于質(zhì)量流的分配，將通過實驗對系統(tǒng)進行細致的研究與分析。

1 Chang X J，Yang L W，Liang J T.Performances investigation of two parallel PTCs driven by one linear compressor［J］.Refrigeration，2011，34:773-780.

2 Dang H Z，Wang L B，Wu Y N.Development of a 2.0W at 60K single-stage coaxial pulse tube cryocooler for long wave infrared focal plane array applications［C］.Proceedings of SPIE，2010，25-31.

3 黨海政，王立保，楊開響.60K單級高頻同軸脈沖管制冷機性能研究［C］.第十二屆中國工程熱物理學(xué)會論文集，2011，1639-1642.

4 王立保.高頻脈沖管制冷機幾何參數(shù)及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的理論與實驗研究［D］.上海:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，2012.

5 陳國邦.最新低溫制冷技術(shù)(第二版)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.

Experimental investigation on two pulse tube cryocoolers driven by single linear opposed compressor

Cao Yonggang1，2Chen Xi1Wu Yinong2Yang Kaixiang2Zhang Ankuo1，2Xiong Chao2

(1School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)
(2Shanghai Institute of Technical Physics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200083，China)

In order to achieve refrigeration at different positions，two coaxial pulse tube cryocoolers operated by single linear opposed compressor were designed to investigate.The test bench was conducted.The performances of two matching pulse tube cryocoolers were investigated by the test bench.Experimental results show that the characters of two pulse tube cryocoolers designed identically were different.After coupling，the differences on the performances between the two pulse tube cryocoolers were more obvious.The two pulse tube cryocoolers could achieve cooling capacities of 1.79 W at 60 K and 1.384 W at 60 K simultaneously.

linear compressor;pulse tube cryocooler;performance of refrigeration;experimental study

TB651

A

1000-6516(2013)01-0015-04

2012-11-12;

2013-02-03

國家自然科學(xué)基金項目資助(50906054)，教育部博士點新教師資金項目資助(20093120120006)。

曹永剛，男，25歲，碩士研究生。