單臺脈沖管制冷機多溫區(qū)供冷的實驗研究

張 斌 李建國 蔡京輝

(1中國科學院理化技術(shù)研究所 北京 100190)

(2中國科學院大學 北京 100049)

單臺脈沖管制冷機多溫區(qū)供冷的實驗研究

張 斌1，2李建國1蔡京輝1

(1中國科學院理化技術(shù)研究所 北京 100190)

(2中國科學院大學 北京 100049)

為達到單臺制冷機提供多溫區(qū)冷量的目的，提出了從脈管冷端和回熱器同時取冷的構(gòu)想并進行了相關(guān)實驗研究。使用柔性帶傳導從回熱器取出的熱量以增強熱沉布置的靈活性，計算得出其導熱熱阻為2 K/W。在不同壓縮機輸入功率下，實驗得到了冷端和回熱器的供冷性能曲線圖。在壓縮機功率達到110 W時，冷端可以在100.5 K提供5 W的冷量，跟回熱器相連的熱沉可以在147.5 K提供3 W的冷量。

脈管制冷機 回熱器 多溫區(qū)

1 引言

作為斯特林型低溫制冷機的一種改進形式，脈沖管制冷機具有冷端無運動部件、結(jié)構(gòu)簡單、長壽命和電磁干擾小等優(yōu)點。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，脈沖管制冷機的最低制冷溫度和制冷效率已經(jīng)達到或接近斯特林制冷機的水平，在地面和宇宙空間都有廣泛的應用前景，正逐步發(fā)展為新一代的小型低溫制冷機［1］。

隨著新器件的開發(fā)，在脈沖管制冷機的實際應用研究中，經(jīng)常面臨多個溫區(qū)制冷量的需求，這就對低溫制冷系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高的要求［2］。為此可以考慮的解決方法主要有:(1)使用多臺脈沖管制冷機。這種方法最直接，但無疑會增大系統(tǒng)的體積和重量，且效率較低。(2)多冷指脈沖管制冷機結(jié)構(gòu)［3］。這種方案結(jié)構(gòu)較緊湊，但存在壓縮機和多冷指的匹配問題。(3)單臺脈沖管制冷機多溫區(qū)供冷。該方案分別從脈沖管制冷機回熱器中部和冷端提取一部分制冷量，從而達到多溫區(qū)供冷的目的，結(jié)構(gòu)比前兩種方案更加簡單，本研究即根據(jù)此方案開展。

2 實驗方案

作為一種回熱式低溫制冷機，脈沖管制冷機主要采用具有一定目數(shù)的絲網(wǎng)作為蓄冷材料，它的主要作用是儲存交變流動過程中產(chǎn)生的冷量，從而使制冷溫度降低。因此，在工作狀態(tài)下，回熱器沿軸向具有一定的溫度梯度，從冷端到熱端溫度逐漸升高［4-5］。根據(jù)脈沖管和回熱器布置方式的不同，脈沖管制冷機主要分為同軸型、U型和直線型3種。其中同軸型結(jié)構(gòu)將脈沖管布置在回熱器內(nèi)部，蓄冷材料與冷指直接接觸，有利于通過冷指從回熱器獲取冷量［6］，此外，同軸型結(jié)構(gòu)冷頭布置在冷指端部，便于同被冷卻器件耦合。因此，選擇同軸型脈沖管制冷機作為實驗用機。圖1為同軸型脈沖管制冷機結(jié)構(gòu)圖。

圖1 同軸型脈沖管制冷機Fig.1 Coaxial pulse tube cryocooler

實驗方案設(shè)計如圖2所示。為了獲取兩個溫區(qū)的冷量，選擇了兩個取溫點，一個在制冷機的冷端，采用直接緊貼耦合的方式布置模擬負載1。另一個取溫點選在冷指上，距脈管熱端法蘭的距離為x，整個冷指的長度設(shè)為L。由于冷指呈圓柱狀，為便于取冷，設(shè)計一個紫銅套環(huán)卡箍在冷指上，然后通過柔性帶連接套環(huán)和熱沉，由熱沉同模擬負載2緊貼耦合。

圖2 實驗原理圖Fig.2 Schematic diagram of experiment

采用柔性帶連接的方式可以靈活布置熱沉的位置，方便和被冷卻器件耦合，但也使傳熱過程更復雜，因此柔性帶的傳熱特性對冷量的有效利用至關(guān)重要。柔性帶的組成單元為矩形結(jié)構(gòu)的紫銅薄片，l為其長度，m;d為寬度，m;δ為厚度，mm;λ為紫銅導熱系數(shù)，W/(m·K);則單片薄片的熱阻(K/W)為:

為了強化導熱效果，增強柔性帶的堅固性，一般采用將N片紫銅薄片壓疊在一起的結(jié)構(gòu)，則整個柔性帶的導熱熱阻(K/W)為:

實驗中所用的柔性帶參數(shù)包括，紫銅薄片片數(shù)N為50，薄片長度 0.08 m，寬度 0.02 m，厚度為0.1 mm，紫銅的導熱系數(shù)取為401 W/(m·K)，帶入公式(2)可得柔性帶的導熱熱阻為2 K/W。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 制冷機性能測試

脈沖管制冷機的主要組成部件包括壓縮機、回熱器、脈沖管和調(diào)相機構(gòu)。壓縮機輸出PV功使工質(zhì)氣體在制冷機內(nèi)形成交變流動，從而在回熱器和脈沖管的交界處產(chǎn)生制冷效應。對于同軸型結(jié)構(gòu)來說，最低制冷溫度發(fā)生在冷指末端即冷端處，因此冷端最低溫度和對負載的響應是制冷機性能的重要指標。本實驗所用壓縮機活塞直徑19 mm，冷指直徑20 mm，充氣壓力3.8 MPa，工作頻率50 Hz。只啟用冷端模擬負載1時，制冷機性能測試結(jié)果如圖3所示。

實驗分別測試了在壓縮機輸入功率為60、80、110 W時的制冷機性能，相應的無負載最低制冷溫度分別為48、45.5、43 K。從圖中可以看出，隨著負載的增大，冷端制冷溫度近似線性升高，曲線斜率即為負載每增加1 W時的冷端溫度溫升值。隨著壓縮機輸入功率的增加，斜率逐漸變小，表示單位制冷量的溫升值越小，制冷機制冷能力越強，在壓縮機輸入功率為 60、80、110 W 時，斜率值分別為 11.9、9.8、8.1 K/W。

3.2 冷端和回熱器同時取冷

回熱器內(nèi)存在較高的溫度梯度，從熱端到冷端溫度逐漸降低，并在冷頭處達到最低溫度。因此，紫銅套環(huán)在冷指上的位置決定了熱沉的供冷溫度，本實驗主要測試了套環(huán)離脈管熱端距離為x=3L/4處時，制冷機冷端和熱沉的供冷性能，其它實驗條件同3.1。

圖4為壓縮機輸入功率60 W時，冷端和熱沉供冷性能曲線圖。其中，冷端熱負載1分別設(shè)定為0、1、3、5 W，熱沉負載2分別為0、1、2、3 W。由于負載 2直接與熱沉耦合，因此在負載1不變時負載2的增加必然會導致熱沉溫度的升高，升高值代表了該工況下回熱器的供冷能力。此外，負載2的存在相當于減弱了蓄冷器的蓄冷能力，從而使冷端的溫度也有所升高。從圖中可以看出，在負載1和負載2都為0時，冷端和熱沉達到最低制冷溫度，分別為48 K和68 K;負載1為5 W，負載2為3 W時，冷端和熱沉的制冷溫度達到最大值，分別為138.6 K和185.5 K。

圖5為壓縮機輸入功率80 W時，冷端和熱沉供冷性能曲線圖。在負載1和負載2都為0時，冷端和熱沉的制冷溫度有所降低，分別為45.5 K和60 K。負載1為5 W，負載2為3 W時，冷端和熱沉的制冷溫度為119.5 K和166.5 K。

圖4 熱沉和冷端供冷性能圖(輸入電功率60 W)Fig.4 Performance of the heat sink and the cold end(input electric power 60 W)

圖5 熱沉和冷端供冷性能圖(輸入電功率80 W)Fig.5 Performance of the heat sink and the cold end(input electric power 80 W)

圖6為壓縮機輸入功率110 W時，冷端和熱沉供冷性能曲線圖。在負載1和負載2都為0時，冷端和熱沉的制冷溫度進一步降低，分別為43 K和62 K。負載1為5 W，負載2為3 W時，冷端和熱沉的制冷溫度為100.5 K和147.5 K。

從實驗結(jié)果可以看出，熱沉和脈管冷端可以在兩個不同溫區(qū)同時提供一定制冷量，從而滿足各種器件對多溫區(qū)制冷量的需求。對比以上實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在不同壓縮機輸入功率下，冷端和熱沉供冷的溫度范圍不同。在一定負載條件下，隨著壓縮機輸入功率的增加，冷端和熱沉的制冷溫度降低，表明冷量的品位有了提高，但相應的制冷系數(shù)會有所降低。在實際應用中，需根據(jù)制冷溫度的需求，調(diào)整壓縮機輸入功率。

圖6 熱沉和冷端供冷性能圖(輸入電功率110 W)Fig.6 Performance of the heat sink and the cold end(input electric power 110 W)

4 結(jié)論

(1)針對多溫區(qū)制冷的需求，分析了可供參考的各種方案。利用脈沖管制冷機回熱器的蓄冷能力和溫度梯度的存在，可以從中獲取一定的冷量，從而實現(xiàn)單臺脈沖管制冷機多溫區(qū)供冷的目的。

(2)選擇同軸型脈沖管制冷機作為實驗用機，以便于和負載耦合。設(shè)計了從回熱器獲取冷量的實驗方案，使用柔性帶作為導熱工具以增加熱沉布置的靈活性。

(3)進行了從脈沖管制冷機冷端和回熱器同時取冷的實驗研究。冷端熱負載1分別設(shè)定為0、1、3、5 W，熱沉負載2分別為0、1、2、3 W。隨著壓縮機輸入功率的增加，冷端和熱沉的制冷溫度降低，表明冷量的品位有了提高。在壓縮機輸入功率達到110 W時，冷端可以在100.5 K提供5 W的冷量，跟回熱器相連的熱沉可以在147.5 K提供3 W的冷量。

1 陳國邦，湯 珂.小型低溫制冷機原理［M］.北京:科學出版社，2010.

2 R G Ross Jr，R F Boyle.NASA Space Cryocooler Programs-An overview［C］.Cryocoolers 12，New York:2003.1-8.

3 Chang Xinjie，Yang Luwei，Liang Jingtao.Research of two separated pulse tube cold heads driven by a single compressor［C］.cryocooler 15，Boulder，CO:2009.201-208.

4 Ray Radebaugh.Pulse tube cryocoolers for cooling infrared sensors［C］.Proceedings of SPIE，2000，4130:363-379.

5 孫衛(wèi)佳，梁驚濤.脈沖管制冷機蓄冷器中交變流動過程理論分析［J］. 低溫工程，2000，113(1):36-42.

6 高成名，何雅玲，陳鐘頎.脈管制冷機結(jié)構(gòu)、理論及實用化等方面的進展［J］. 低溫與超導，2001，29(2):12-20.

Experimental study of a pulse tube cryocooler supplying cooling power at multi-temperature levels

Zhang Bin1，2Li Jianguo1Cai Jinghui1

(1Technical Institute of Physics and Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)
(2University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

To achieve the goal of supplying cooling power at multi-temperature levels，the assumption of obtaining cooling power simultaneously from the cold end and regenerator of a pulse tube cryocooler was proposed and experiments were done.Soft belt which could increase the flexibility of the heat sink was used to conduct the cooling power from the regenerator.The thermal resistance of the soft belt was about 2 K/W by calculation.With different input power of compressor，the curves of performance of cold end and regenerator were attained by experiment.With an input electric power of 110 W，the cold end could supply 5 W cooling power at 100.5 K while the heat sink connected with the regenerator could supply 3 W cooling power at 147.5 K.

pulse tube cryocooler;regenerator;multi-temperature levels

TB651

A

1000-6516(2013)05-0016-04

2013-06-28;

2013-10-04

張 斌，男，27歲，博士研究生。