空間用3 W@80 K脈沖管制冷機實驗研究

張安闊 劉少帥 朱海峰 蔣珍華 闞安康

(中國科學院上海技術物理研究所 上海 200083)

空間用3 W@80 K脈沖管制冷機實驗研究

張安闊 劉少帥 朱海峰 蔣珍華 闞安康

(中國科學院上海技術物理研究所 上海 200083)

為冷卻某空間用紅外探測器，研制了一臺斯特林型脈沖管制冷機。該制冷機為單級同軸型結構，整機重量4.5 kg，設計壽命5年。系統(tǒng)介紹了脈沖管制冷機系統(tǒng)結構及實驗裝置，測試了制冷機性能及其與杜瓦耦合后的降溫特性曲線，實驗結果表明，脈沖管制冷機在80 K可提供0—3 W制冷量，比卡諾效率11%，其制冷量可充分滿足杜瓦組件的低溫和長壽命的工程需求。

脈沖管制冷機 3 W@80 K 杜瓦 紅外 實驗研究

1 引 言

紅外探測器正常工作通常需要一個合適的溫度環(huán)境，包括20 K以下的超長波溫區(qū)、40 K附近的長波溫區(qū)、90 K附近的紅外溫區(qū)以及200 K附近的紫外溫區(qū)[1]。各類探測器尤其空間用紅外探測器的迅猛發(fā)展，推動了小型低溫制冷技術的快速進步。1963年，Gifford和Longsworth提出了脈沖管制冷機概念[2]，但此時的制冷性能較低，很難滿足項目冷量需求。隨著一些關鍵技術問題得到了解決，近年來,脈沖管制冷機制冷效率有了很大提升，促進了其工程應用的進展。星載脈沖管制冷機工作過程為逆向斯特林循環(huán)，即等溫壓縮、定容放熱、等溫膨脹和定容吸熱4個基本過程，利用外部能量的輸入，采用主動閉合回熱式交變流動制冷循環(huán)，在冷端相應溫區(qū)提供紅外探測器所需冷量。脈沖管制冷機的顯著特點就是在低溫端沒有機械運動部件，且其具有結構簡單、效率高、體積小、重量輕、冷端低振動、高可靠性及長壽命等諸多優(yōu)點[3-4]，能較好地滿足空間工程應用需求。

本研究研制了一臺斯特林型單級同軸型脈沖管制冷機，用于冷卻某空間用中波紅外探測器。介紹了脈沖管制冷機和杜瓦組件的結構特點和耦合方法，實驗研究了制冷機性能以及與杜瓦組件耦合后的冷卻效果，驗證了制冷機高效的制冷性能，具備滿足紅外探測器正常工作的低溫制冷能力。

2 實驗裝置

圖1是脈沖管制冷機系統(tǒng)及杜瓦組件耦合裝置簡圖。整個組件包括脈沖管制冷機系統(tǒng)和杜瓦系統(tǒng)，脈沖管制冷機與杜瓦采用直接插入接觸式耦合方式，制冷機冷端和杜瓦內(nèi)光學組件接觸良好。

圖1 脈沖管制冷機杜瓦組件結構簡圖Fig.1 Component diagram of pulse tuberefrigeratord and dewar

制冷機系統(tǒng)包括3個部分。一是壓縮機部分，采用對置式活塞壓縮機，為系統(tǒng)提供不同頻率和功率的壓力波；二是冷指部分，包括回熱器熱端換熱器、蓄冷器、冷端、脈沖管和熱端換熱器等。冷指部分通過系統(tǒng)內(nèi)往復穿梭振蕩的可壓縮流體工質(zhì)與固體介質(zhì)之間相互換熱作用時產(chǎn)生時均能量效應而制冷；三是調(diào)相機構(慣性管和氣庫)，調(diào)節(jié)并優(yōu)化整個系統(tǒng)的質(zhì)量流、壓力波相位以及兩者間的相位差值大小。系統(tǒng)內(nèi)相位關系的優(yōu)化對整機制冷性能好壞非常重要[5]。在高頻脈沖管制冷機中，壓力、質(zhì)量流和溫度的波動都十分接近于正弦波。本系統(tǒng)中換熱器均采用狹縫式換熱結構，換熱效率高[6]?；責崞鲀?nèi)部填料為400目不銹鋼絲網(wǎng)，水力直徑為55.8 μm。脈沖管為薄壁鈦合金結構，兩端填有數(shù)片低目數(shù)磷銅絲網(wǎng)作為導流絲網(wǎng)，這樣有利于實現(xiàn)氦氣工質(zhì)在脈沖管內(nèi)的層流流動，減小紊流換熱損失[7]。慣性管采用組合式慣性管，由兩段不同內(nèi)徑和不同長度的銅管連接而成，用于調(diào)節(jié)制冷機系統(tǒng)需要的相位值。參照美國NIST的Radebaugh焓流理論，當回熱器冷端質(zhì)量流滯后于壓力波相位30°時，輸入相同PV功，回熱器中的損失小，制冷機性能較好[8-9]。而組合慣性管具有較強的相位調(diào)節(jié)能力，可在制冷機熱端溫度和運行頻率等參數(shù)改變時，調(diào)整系統(tǒng)相位值，有利于制冷機在空間軌道穩(wěn)定和長壽命運用。制冷機采用對置式線性壓縮機驅動和純慣性管氣庫的調(diào)相方式，冷指為同軸型結構，該制冷機結構具有緊湊、穩(wěn)定性高等特點，廣泛用于空間軍事項目。

杜瓦由低溫組件、真空腔體及杜瓦外殼等部件組成[10]。低溫組件部件是制冷型紅外探測器模塊的核心載體，主要由冷端、導熱片、冷平臺和探測器模塊等構成。低溫組件的底部與制冷機冷端緊密連接，其接觸面接觸良好，有利于冷量的傳導。溫度傳感器布置在低溫組件的一側，與冷端有一定的熱傳導距離，造成在整個組件制冷漏熱平衡時該處與冷端間存在幾度的傳熱溫差。整個杜瓦內(nèi)采用真空處理，大大降低了系統(tǒng)的輻射漏熱。研制過程中需要重點關注杜瓦外殼的輻射漏熱和電引線、芯柱等熱傳導損失，從而保障杜瓦組件良好的保溫效果，整個杜瓦置于真空罩內(nèi)，真空度需保持在10-4Pa以下。

3 實驗結果及討論

3.1 脈沖管制冷機性能測試

脈沖管制冷機為一臺斯特林型同軸型脈沖管制冷機，整機質(zhì)量4.5 kg，其中壓縮機質(zhì)量3.5 kg。實驗過程中系統(tǒng)充氣壓力3.0 MPa，整機最優(yōu)工作頻率62 Hz，回熱器熱端水冷溫度為300 K，壓縮機冷卻方式為強制風冷。

圖2為制冷機的降溫曲線。脈沖管制冷機輸入功率維持在80 W運行，10分鐘后，冷端溫度可降至61 K；20分鐘后，制冷機可獲得48 K 的最低溫度。圖3是脈沖管制冷機的制冷曲線圖，可知，固定制冷溫度為80 K，冷端制冷量隨壓縮機輸入電功的增加成線性變化，當冷端提供0.5 W制冷量時制冷機需26 W輸入電功，1 W時需34 W電功。制冷機最大可提供3 W制冷量，此時的輸入電功為74 W，比卡諾效率為11%。通過制冷機性能試驗可知，制冷機在80 K具有良好的制冷性能。

圖2 脈沖管制冷機降溫曲線Fig.2 Cooling curve of pulse tube refrigerator

圖3 脈沖管制冷機制冷性能曲線Fig.3 Performance diagram of pulse tube refrigerator

圖4 制冷機杜瓦組件降溫曲線Fig.4 Components’ cooling curve

3.2 制冷機杜瓦組件耦合測試

圖4為制冷機運行時杜瓦內(nèi)溫度傳感器溫度變化曲線，考慮到杜瓦內(nèi)低溫組件的結構可靠性，需控制降溫速度。制冷機剛開機時輸入電功為1 W，3分鐘后輸入電功增加至19 W。由圖可知，隨著脈沖管制冷機的正常運行，在制冷機冷端產(chǎn)生冷量，冷量及時傳至低溫組件，表現(xiàn)為杜瓦內(nèi)溫度傳感器溫度在前3分鐘內(nèi)緩慢下降，之后溫度急速下降。7分鐘時溫度降為209 K，14分鐘降為110 K，20分鐘降為82 K，而后經(jīng)過一段時間的熱平衡過程，傳感器溫度最終穩(wěn)定在80 K溫區(qū)。基于該實驗結果，在外部條件相近的條件下，可用熱平衡法反推杜瓦的漏熱情況，假定杜瓦溫度傳感器與制冷機冷端存在一定的溫度差，即當溫度傳感器溫度到達80 K時，此時制冷機冷端溫度低于該溫度。

根據(jù)脈沖管制冷機單機實驗結果可知28 W輸入功在80 K可獲得冷量約為0.5 W，因此可推算出該脈沖管制冷機杜瓦組件性能測試過程中，傳感器溫度穩(wěn)定在80 K時，杜瓦整體漏熱約為0.5 W，杜瓦具有較高的熱屏蔽性。

4 結 論

空間用某紅外探測器正常工作在液氮溫度，需要小型低溫制冷機為其提供低溫環(huán)境。本文研制了一款3 W@80 K同軸型脈沖管制冷機，整機重量為4.5 kg，完成了制冷機性能實驗研究，驗證了脈沖管制冷機在80 K溫區(qū)具有良好的制冷性能，在74 W輸入電功下可提供3 W的制冷量，比卡諾效率11%。當制冷機與杜瓦耦合成組件后，制冷機在28 W的輸入電功下可將杜瓦組件冷卻至80 K，基于熱平衡法反推杜瓦的漏熱約為0.5 W。制冷機80 K可提供3 W的冷量充分考慮了整個探測器組件5年以上的工作壽命需求。本文通過脈沖管制冷機的實驗研究，驗證了脈沖管制冷機良好的制冷性能以及其與杜瓦組件理想的耦合效果，為接下來的紅外探測器的相關科學實驗提供保障。

1 湯定元. 光電器件概論[M]. 上海：上?？茖W技術文獻出版社,1989.

Tang Dingyuan. Overview of photoelectric device[M]. Shanghai：Shaihai Scientific and Technical Publishers, 1989.

2 Gfford W E, Longsworth R C. An experimental investigation of pulse tube refrigetation heat pumping rates[J].Adrances in Cryogenic Engineering 1976(12):608-618.

3 Ross R G, Boyle Jr R F.An Overview of NASA Space CryocoolerPrograms-2006[C].Cryocooler 14,2007:1-10.

4 Raab J, Tward E. Northrop Grumman Aerospace Systems cryocooleroverview[J]. Cryogenics, 2010,50: 572-581.

5 Radebaugh R. Thermodynamics of Regenerative Refrigerators, Generation of Low Temperature and It’s Applications, 2003:1-20.

6 Taekyung Ki, Sangkwon Jeong. Stirling-type pulse tube refrigerator with slit-type heat exchangers for HTS superconducting motor[J]. Cryogenics 2011,51:341-346.

7 Ercolani E, Ponce J M, Charles I,et al.Design and prototyping of a large capacity high frequency pulse tube [J]. Cryogenics, 2008,48:439-447.

8 Radebaugh R. Development of Miniature, High Frequency Pulse Tube Cryocoolers[C]. Proceedings of SPIE 7660, 2010.

9 Cai Huikun, Yang Luwei, Luo Ercang,et al.A 300 Hz two-stage pulse tube cryocooler that attains 58 K[J].Cryogenics,2010,50:469-470.

10 張海燕，管建安，汪 洋,等.一種在線測量杜瓦冷損的數(shù)值方法[J].半導體光電,2015,36(6)：909-913.

Zhang Haiyan, Guan Jianan, Wang Yang,et al. A numerical method of in-situ measurement of dewar heat leakage[J].Semiconductor Optics,2015,36(6)：909-913.

Experimental study on an aerospace Stirling type pulse tube refrigerator with 3 W@80 K

Zhang Ankuo Liu Shaoshuai Zhu Haifeng Jiang Zhenhua Kan Ankang

(Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200083,China)

A Stirling type pulse tube refrigerator (PTR)has been designed and manufactured for cooling an aerospace einfrared detector. The PTR is coaxial and its whole weight is 4.5 kg with the lifetime of 5 years. The structure and experimental equipment of PTR are described and its cooling performance and cooling curve are presented, respectively. The results show that the PTR can offer 0—3 W cooling power at 80 K temperature and its Carnot efficiency is 11%. After the PTR is coupled with the dewar assembly, the assembly can be cooled down to 80 K with 28 W input power of the PTR. It is found that 3 W cooling power of the PTR can fully meet the cooling requirement of the infrared detector.

pulse tube refrigerator; 3 W @ 80 K; dewar; infrared;experimental study

2016-06-15；

2016-09-29

上海市自然科學基金(16ZR1441500)項目資助。

張安闊，男，34歲，博士。

TB651

A

1000-6516(2016)05-0030-03