微型脈沖管制冷機(jī)調(diào)相部件的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究

熊 超，夏 明，陳 軍，黃 偉，習(xí)中立，鄒丁立，蘇 俊，環(huán) 健，劉 燕

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微型脈沖管制冷機(jī)調(diào)相部件的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究

熊 超，夏 明，陳 軍，黃 偉，習(xí)中立，鄒丁立，蘇 俊，環(huán) 健，劉 燕

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

由于脈沖管制冷機(jī)冷端沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于空間領(lǐng)域。本文介紹了一款微型脈沖管制冷機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)性能，其線性壓縮機(jī)采用動(dòng)磁式結(jié)構(gòu)，板彈簧支撐和間隙密封技術(shù)，膨脹機(jī)的蓄冷器和脈沖管為同軸型布置，這種結(jié)構(gòu)使冷頭與器件之間的耦合非常方便。使用SAGE軟件對(duì)脈沖管制冷機(jī)的調(diào)相機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

動(dòng)磁式線性壓縮機(jī)；微型脈沖管制冷機(jī)；調(diào)相機(jī)構(gòu)；數(shù)值模擬

0 前言

近幾十年，空間用紅外探測(cè)器組件成為低溫制冷機(jī)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，由于空間設(shè)備不可維修、單位重量發(fā)射成本高以及能源有限等特點(diǎn)，對(duì)空間用低溫制冷機(jī)提出了嚴(yán)苛要求，制冷機(jī)的壽命、可靠性、效率、低振動(dòng)和緊湊性等成為制冷機(jī)研究者研究的方向[1-2]。斯特林制冷機(jī)和脈沖管制冷機(jī)是兩類典型的空間用回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)，特別是脈沖管制冷機(jī)，由于其冷端完全取消了運(yùn)動(dòng)部件，具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、冷頭振動(dòng)和電磁干擾小、可靠性高以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，成為空間用低溫制冷機(jī)研究的一個(gè)重要方向[3]。1998年，美國(guó)衛(wèi)星上的紅外探測(cè)器組件首次成功使用了兩臺(tái)脈沖管制冷機(jī)為其提供冷源，標(biāo)志著脈沖管制冷機(jī)產(chǎn)品正式進(jìn)入空間領(lǐng)域[4]。

空間用碲鎘汞（HgCdTe）中長(zhǎng)波紅外焦平面陣列一般工作在60～80K溫區(qū)，需要1～2W制冷量，脈沖管制冷機(jī)是其理想冷源。針對(duì)這一應(yīng)用場(chǎng)合，以AIM-IR公司SL400-PTC14和Thales公司LPT9510脈沖管制冷機(jī)為模板[5-6]，昆明物理研究所開展了微型脈沖管制冷機(jī)的研制工作，制冷機(jī)代號(hào)為C391。項(xiàng)目的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為：在60～80K溫區(qū)提供不少于1W的制冷量，獲得1W@80K和1W@60K制冷性能時(shí)，其輸入電功分別不大于60W和100W。針對(duì)空間紅外探測(cè)器組件對(duì)制冷機(jī)的要求以及制冷機(jī)與現(xiàn)有杜瓦之間的耦合方式，本項(xiàng)目主要在制冷機(jī)結(jié)構(gòu)、輕量化設(shè)計(jì)和可靠性提升等方面做了大量工作。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的C391采用動(dòng)磁式線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，相對(duì)動(dòng)圈式線性壓縮機(jī)而言，其可靠性和壽命均有明顯的提升。為了方便與成熟的杜瓦耦合，冷指采用同軸型結(jié)構(gòu)，雖然在制冷性能上有所犧牲，但相對(duì)于其他冷指結(jié)構(gòu)而言，其取冷和與杜瓦耦合更便捷。在制冷機(jī)整機(jī)的輕量化和緊湊性方面，本文對(duì)壓縮機(jī)和冷指結(jié)構(gòu)進(jìn)行了反復(fù)優(yōu)化，在保證制冷性能不明顯衰減的情況下，減小整機(jī)重量，實(shí)現(xiàn)緊湊化和輕量化設(shè)計(jì)。

1 微型脈沖管制冷機(jī)（C391）簡(jiǎn)介

為了給空間紅外探測(cè)器組件提供低振動(dòng)噪聲的冷源，根據(jù)小型氣動(dòng)分置式斯特林制冷機(jī)的樣機(jī)外形，昆明物理研究所研制了一款單級(jí)同軸微型脈沖管制冷機(jī)，代號(hào)為C391，制冷機(jī)整機(jī)質(zhì)量小于2.3kg，其中線性壓縮機(jī)重量小于1.6kg，脈沖管膨脹機(jī)質(zhì)量小于0.7kg。

線性壓縮機(jī)采用動(dòng)磁式直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用活塞對(duì)置分布、板彈簧支撐和間隙密封等技術(shù)，保證了壓縮機(jī)的無(wú)油潤(rùn)滑和低振動(dòng)噪聲的設(shè)計(jì)目標(biāo)。動(dòng)磁式直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的線性壓縮機(jī)相對(duì)于動(dòng)圈式線性壓縮機(jī)而言，它的勵(lì)磁線圈在工質(zhì)氣體之外，因此解決了飛線斷裂、引出線部位工質(zhì)泄露和漆包線釋放有機(jī)氣體導(dǎo)致工質(zhì)污染等問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)更緊湊，可靠性更高，壽命更長(zhǎng)。能滿足空間用探測(cè)器組件對(duì)制冷機(jī)提出的使用要求。

為了使用成熟的杜瓦組件與之耦合，不需要專門設(shè)計(jì)杜瓦組件與之匹配，本項(xiàng)目研制的C391冷端與昆明物理研究所已有的小型氣動(dòng)分置式斯特林制冷機(jī)冷端一致，脈沖管膨脹機(jī)采用同軸結(jié)構(gòu)，即蓄冷器為環(huán)形，脈沖管布置在蓄冷器中間。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是冷頭存在180°折彎，造成很大的氣流擾動(dòng)和轉(zhuǎn)彎損失，同時(shí)蓄冷器與脈沖管沿軸向的溫度不匹配使其內(nèi)部存在徑向不可逆溫差傳熱，降低了制冷機(jī)效率，因此為了滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化難度更大。慣性管和氣庫(kù)組成的調(diào)相部件設(shè)計(jì)在脈沖管制冷機(jī)的熱端，氣庫(kù)體積在100cm3左右，慣性管采用多段不同尺寸的無(wú)氧銅管制成。根據(jù)實(shí)際的使用要求，以及整機(jī)結(jié)構(gòu)布置的合理性與緊湊性，可以將調(diào)相部件安裝在合適的地方，比如脈沖管冷指的熱端、壓縮機(jī)的一側(cè)或單獨(dú)形成一個(gè)模塊。

2 C391調(diào)相部件的數(shù)值模擬

回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)之所以能達(dá)到制冷效果，主要是由于工質(zhì)氣體的壓力波和質(zhì)量流之間存在一定的相位差。斯特林制冷機(jī)的膨脹機(jī)中存在一個(gè)運(yùn)動(dòng)的推移活塞，通過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮活塞與推移活塞之間的相位，使壓力波與質(zhì)量流之間的相位關(guān)系最優(yōu)化，從而保證較優(yōu)的制冷效果。而脈沖管制冷機(jī)與斯特林制冷機(jī)最大的不同在于其膨脹機(jī)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因此在可靠性和壽命方面具有先天的優(yōu)勢(shì)。但正因如此，脈沖管制冷機(jī)只能通過(guò)調(diào)相部件來(lái)被動(dòng)獲得所需的壓力波與質(zhì)量流之間的相位?？v觀脈沖管制冷機(jī)的發(fā)展歷程，其性能的每一次大幅度提升也基本上是伴隨著調(diào)相部件的優(yōu)化和改進(jìn)而獲得的。所以對(duì)脈沖管制冷機(jī)調(diào)相部件的研究是提高制冷機(jī)整機(jī)效率的關(guān)鍵所在。調(diào)相部件是脈沖管制冷機(jī)的核心部件，對(duì)性能影響較大，為了提升脈沖管制冷機(jī)的性能，本文使用美國(guó)Gedeon Associates公司的SAGE軟件著重對(duì)C391的調(diào)相部件進(jìn)行數(shù)值模擬和優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。SAGE軟件通過(guò)對(duì)制冷機(jī)內(nèi)部工質(zhì)的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程，以及理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行數(shù)值求解，模擬內(nèi)部復(fù)雜的交變流動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算內(nèi)部動(dòng)態(tài)參數(shù)和制冷性能，能夠較真實(shí)地反應(yīng)C391內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)的變化。通過(guò)選擇SAGE軟件內(nèi)部提供的各種模型組成制冷機(jī)整機(jī)模型，改變和調(diào)整模型的相應(yīng)參數(shù)，使其盡量與實(shí)際情況相對(duì)應(yīng)，其建模界面如圖1所示。在其余參數(shù)調(diào)整到最佳狀態(tài)或制冷機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)下，重點(diǎn)對(duì)脈沖管制冷機(jī)調(diào)相部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬和優(yōu)化，這些參數(shù)包括：慣性管的段數(shù)、長(zhǎng)度、內(nèi)徑以及氣庫(kù)的體積。

2.1 慣性管尺寸數(shù)值模擬

與斯特林制冷機(jī)不同，脈沖管制冷機(jī)的膨脹機(jī)冷端沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，它通過(guò)調(diào)相機(jī)構(gòu)來(lái)獲得所需的質(zhì)量流和壓力波之間的相位差。調(diào)相機(jī)構(gòu)經(jīng)歷了小孔、雙向進(jìn)氣、多路旁通和慣性管加氣庫(kù)等階段的研究，其中，慣性管加氣庫(kù)調(diào)相機(jī)構(gòu)具有調(diào)節(jié)范圍寬和不大幅增加壓縮機(jī)功耗等優(yōu)點(diǎn)，而且不會(huì)產(chǎn)生直流現(xiàn)象，是脈沖管制冷機(jī)目前被廣泛應(yīng)用的一種調(diào)相方式。本項(xiàng)目采用多段慣性管加氣庫(kù)的調(diào)相方式，通過(guò)SAGE軟件對(duì)慣性管的內(nèi)徑和長(zhǎng)度分別進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合制冷機(jī)的實(shí)際情況，固定制冷機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和尺寸參數(shù)，對(duì)制冷機(jī)使用一段慣性管和兩段不同尺寸慣性管時(shí)的性能系數(shù)（Coefficient of Performance，以下簡(jiǎn)稱COP）進(jìn)行優(yōu)化模擬，使COP滿足項(xiàng)目要求的同時(shí)，保證脈沖管制冷機(jī)整機(jī)的輕量化和緊湊性設(shè)計(jì)。

圖1 C391的SAGE軟件數(shù)值模擬

慣性管是利用工質(zhì)氣體在長(zhǎng)頸管內(nèi)的慣性、阻性和容性作用而產(chǎn)生質(zhì)量流與壓力波之間的相移，從而獲得所需的慣性管入口處的相位關(guān)系。理想狀態(tài)下的慣性管為一段變截面的細(xì)長(zhǎng)管，而實(shí)際上這種細(xì)長(zhǎng)管制作工藝非常復(fù)雜，定制則價(jià)格高昂，所以一般采用一段或多段不同尺寸的細(xì)長(zhǎng)管進(jìn)行替代，以達(dá)到相似的調(diào)相效果。

首先對(duì)制冷機(jī)使用一段細(xì)長(zhǎng)管時(shí)的整機(jī)COP進(jìn)行數(shù)值模擬，如果一段慣性管能達(dá)到制冷機(jī)的性能要求，且體積較小，則優(yōu)先考慮使用一段慣性管作為制冷機(jī)的調(diào)相部件。圖2為制冷機(jī)使用不同內(nèi)徑的單段慣性長(zhǎng)度與整機(jī)COP之間的關(guān)系。根據(jù)已有的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)長(zhǎng)管尺寸來(lái)確定單段慣性管的內(nèi)徑，從圖中可以看出，內(nèi)徑為2.0mm，長(zhǎng)度為2.9m時(shí)，制冷機(jī)的COP達(dá)到最大5.33%。每一種內(nèi)徑的慣性管均對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳的長(zhǎng)度，此時(shí)COP最大。

由于單段慣性管的調(diào)相能力相對(duì)于多段慣性管而言較弱，接下來(lái)對(duì)制冷機(jī)使用兩段慣性管時(shí)的整機(jī)COP進(jìn)行數(shù)值模擬。當(dāng)制冷機(jī)使用兩段慣性管時(shí)，其組合方式非常多，經(jīng)過(guò)前期的大量數(shù)值分析，綜合考慮調(diào)相結(jié)構(gòu)的輕量化和緊湊性，以及已有的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)長(zhǎng)管尺寸，選取第一段慣性管內(nèi)徑為1.5mm，第二段慣性管內(nèi)徑為2.5mm。對(duì)這兩段慣性管的最優(yōu)長(zhǎng)度組合使用SAGE軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖3所示。

圖2 不同內(nèi)徑的單段慣性管長(zhǎng)度與COP之間的關(guān)系

圖3中，固定第一段慣性管的長(zhǎng)度為某一定值，模擬第二段慣性管的長(zhǎng)度與整機(jī)COP之間的關(guān)系，接著改變第一段慣性管長(zhǎng)度，重復(fù)之前的模擬。從圖中的數(shù)據(jù)可以看出，不同的第一段慣性管長(zhǎng)度均存在一個(gè)最佳的第二段慣性管長(zhǎng)度，此時(shí)COP最大，而每個(gè)最佳COP之間的差別不大，因此在慣性管設(shè)計(jì)過(guò)程中，長(zhǎng)度和內(nèi)徑的選擇具有較寬的適應(yīng)性。在設(shè)計(jì)和制作時(shí)，我們應(yīng)該選擇變化比較平緩的區(qū)域作為慣性管的最終尺寸，這樣就能避免存在設(shè)計(jì)或制作偏差時(shí)，制冷機(jī)性能不至于大幅度衰減。當(dāng)兩段慣性管的內(nèi)徑分別為1.5mm和2.5mm時(shí)，數(shù)值模擬所得的最大COP為6.65%，取得最大COP時(shí)兩段慣性管的長(zhǎng)度分別為0.9m和2.6m。

圖3 第二段慣性管尺寸與COP的關(guān)系

上文對(duì)C391采用單段和兩端慣性管的調(diào)相部件進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較模擬結(jié)果可知，兩段慣性管的調(diào)相方式相對(duì)單段而言調(diào)相能力更強(qiáng)，調(diào)相幅度更寬，因此整機(jī)的COP也更高?？紤]到整機(jī)的輕量化和緊湊性，以及裝配的簡(jiǎn)易性，選取兩段慣性管作為C391的調(diào)相部件，為了使大內(nèi)徑的慣性管更短一些，在犧牲一部分制冷效率的情況下，選取小內(nèi)徑和大內(nèi)徑慣性管的長(zhǎng)度分別為1.1m和2.1m，此時(shí)整機(jī)的COP為6.5%。

2.2 氣庫(kù)體積數(shù)值模擬

脈沖管制冷機(jī)的氣庫(kù)體積一般較大，設(shè)計(jì)制冷機(jī)的氣庫(kù)時(shí)，在不明顯降低整機(jī)COP的情況下，盡量減小氣庫(kù)體積，使制冷機(jī)更加緊湊，質(zhì)量更輕。使用SAGE軟件對(duì)氣庫(kù)體積進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖4所示，從模擬結(jié)果可知，氣庫(kù)體積在一定范圍內(nèi)對(duì)制冷性能影響較大，但當(dāng)氣庫(kù)體積大于100 cm3后，制冷機(jī)整機(jī)COP變化不明顯，甚至出現(xiàn)小幅降低的情況，本項(xiàng)目的氣庫(kù)體積設(shè)計(jì)在100 cm3左右。

圖4 氣庫(kù)體積對(duì)制冷機(jī)COP的影響

3 C391的實(shí)驗(yàn)研究

本項(xiàng)目所研制的C391使用兩段慣性管加氣庫(kù)的方式進(jìn)行調(diào)相，第一段慣性管尺寸為內(nèi)徑1.5mm，長(zhǎng)度1.1m，第二段慣性管尺寸為內(nèi)徑2.5mm，長(zhǎng)度2.1m，氣庫(kù)體積為100cm3左右。充氣壓力為4.0MPa，脈管熱端水冷散熱溫度恒定在20℃，最佳運(yùn)行頻率為52Hz，達(dá)到1W@80K制冷性能所需的輸入電功為45.7W，獲得2W@80K、3W@80K和1W@60K制冷性能所需的輸入電功分別為85.3W、129.6W和87.3W。本文主要對(duì)C391的運(yùn)行頻率、電機(jī)效率、慣性管尺寸和氣庫(kù)體積進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

3.1 C391運(yùn)行頻率的實(shí)驗(yàn)研究

制冷機(jī)的運(yùn)行頻率對(duì)整機(jī)的COP影響較大，只有將冷指的最佳運(yùn)行頻率設(shè)計(jì)在壓縮機(jī)的諧振頻率附近時(shí)，制冷機(jī)才能達(dá)到最佳制冷效果，而冷指的最佳運(yùn)行頻率可以通過(guò)優(yōu)化調(diào)相部件尺寸的方式來(lái)調(diào)節(jié)。本項(xiàng)目開發(fā)的C391冷指的最佳運(yùn)行頻率設(shè)計(jì)在50Hz附近，通過(guò)優(yōu)化調(diào)相部件，使制冷機(jī)在50Hz左右運(yùn)行時(shí)效率最高。圖5是制冷機(jī)的制冷性能維持在1W@80K時(shí)得到的運(yùn)行頻率與輸入電功之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，圖中冷指與壓縮機(jī)達(dá)到最佳匹配的運(yùn)行頻率為52Hz，與膨脹機(jī)設(shè)計(jì)的最優(yōu)頻率存在2Hz的偏差，但膨脹機(jī)設(shè)計(jì)在50Hz左右，且具有寬泛的頻率適應(yīng)性，因此這個(gè)運(yùn)行頻率的偏差對(duì)整機(jī)COP影響較小。

圖5 制冷機(jī)頻率曲線

3.2 C391電機(jī)效率的實(shí)驗(yàn)研究

圖6表示C391的制冷性能維持在1W@80K時(shí)，壓縮機(jī)的電機(jī)效率隨頻率的變化曲線，此處的電機(jī)效率只考慮動(dòng)磁式線性壓縮機(jī)的定子線圈的銅損耗，沒(méi)有考慮壓縮機(jī)的鐵芯損耗以及阻尼損耗等。

從圖中可以看出，在運(yùn)行頻率為56Hz時(shí)，電機(jī)效率最高，它與52Hz達(dá)到最佳制冷性能存在偏差，且最高電機(jī)效率只有55.6%，因此需要進(jìn)一步開展壓縮機(jī)與冷指的匹配和直線電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化等工作。

3.3 C391調(diào)相部件的實(shí)驗(yàn)研究

圖7表示C391采用單段慣性管調(diào)相時(shí)的制冷機(jī)性能曲線，分別使用內(nèi)徑為1.5mm、2.0mm和2.5mm的單段細(xì)長(zhǎng)管作為調(diào)相慣性管。圖中曲線表示脈管制冷機(jī)性能達(dá)到1W/80K時(shí)所消耗的電功與慣性管長(zhǎng)度的關(guān)系，由圖可知，每種內(nèi)徑的慣性管均存在一個(gè)最佳的長(zhǎng)度值使制冷機(jī)取得最佳制冷性能，采用內(nèi)徑為2.0mm，長(zhǎng)度為2.9m的慣性管達(dá)到1W/80K制冷性能所耗的電功為58W，此時(shí)整機(jī)的COP為1.7%。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖2的模擬結(jié)果趨勢(shì)非常接近，只是整機(jī)的COP差別較大，造成這種差別的原因主要有以下兩點(diǎn)：一是模擬結(jié)果得到的COP是基于壓縮機(jī)出口PV功來(lái)計(jì)算的，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果是基于壓縮機(jī)的輸入電功來(lái)計(jì)算的；二是模擬結(jié)果是基于理想模型而言，而樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程存在各種非理想過(guò)程帶來(lái)的損耗。

圖6 壓縮機(jī)電機(jī)效率曲線

圖7 不同內(nèi)徑的單段慣性管長(zhǎng)度與輸入電功之間的關(guān)系

圖8表示脈管制冷機(jī)的氣庫(kù)為100 cm3，依據(jù)之前的數(shù)值模擬，第一段和第二段慣性管的內(nèi)徑分別為1.5mm和2.5mm，此時(shí)固定第一段或第二段慣性管的長(zhǎng)度，另一段慣性管長(zhǎng)度對(duì)制冷機(jī)整機(jī)性能的影響。當(dāng)固定第二段慣性管長(zhǎng)為2.1m時(shí)，第一段慣性管長(zhǎng)度為1.1m能使制冷機(jī)獲得最佳制冷性能，獲得1W/80K制冷性能所需的輸入功為45.7W，COP為2.19%。當(dāng)固定第一段慣性管長(zhǎng)為1.1m時(shí)，第二段慣性管長(zhǎng)度為2.3m能使制冷機(jī)獲得最佳制冷性能，獲得1W/80K制冷性能所需的輸入功為45.4W，COP為2.20%?？紤]到制冷機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)，C391制冷機(jī)選擇兩段慣性管的長(zhǎng)度分別為1.1m和2.1m，圖8與圖3中第一段慣性管為1.1m的那條曲線對(duì)比，其變化趨勢(shì)一致。

圖8 變化兩段慣性管長(zhǎng)度對(duì)輸入電功的影響

圖9表示氣庫(kù)體積對(duì)C391性能的影響，圖中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖4的模擬結(jié)果基本一致，當(dāng)氣庫(kù)體積大于100 cm3時(shí)，它對(duì)制冷機(jī)性能的影響不大，考慮到C391的輕量化，以及實(shí)際工程制作過(guò)程中將慣性管內(nèi)置于氣庫(kù)內(nèi)的空間需求，選擇氣庫(kù)體積在100 cm3左右比較合適。

圖9 氣庫(kù)體積對(duì)輸入電功的影響

表1為C391與AIM-IR公司和Thales公司相應(yīng)型號(hào)脈沖管制冷機(jī)的參數(shù)對(duì)比[5-6]。這3款脈沖管制冷機(jī)外形結(jié)構(gòu)和體積重量相近，均采用動(dòng)磁式線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)。從參數(shù)對(duì)比可以看出，C391無(wú)論是在制冷性能還是在整機(jī)重量上均和上述兩款制冷機(jī)相當(dāng)。

表1 C391與AIM-IR和Thales脈沖管制冷機(jī)參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

本文借助SAGE軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款微型脈沖管制冷機(jī)，制冷機(jī)采用動(dòng)磁式線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，膨脹機(jī)采用同軸結(jié)構(gòu)，整機(jī)重量小于2.3kg，獲得1W@80K和1W@60K制冷性能所需的輸入電功分別為45.7W和87.3W，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。借助SAGE軟件重點(diǎn)對(duì)制冷機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和調(diào)相機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)制冷機(jī)的運(yùn)行頻率、電機(jī)效率和調(diào)相部件尺寸的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了軟件設(shè)計(jì)的正確性。

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Numerical Simulation and Experiment Analysis of Phasor Shiftof a Micro Pulse Tube Cryocooler

XIONG Chao，XIA Ming，CHEN Jun，HUANG Wei，XI Zhongli，ZOU Dingli，SU Jun，HUAN Jian，LIU Yan

（Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China）

With no moving parts at cold head, the pulse tube cryocooler has merits of high reliability, long life and low vibration, which are evident advantages in space use. Basic structure, numerical simulation and experiment performance of a micro pulse tube cryocooler(C391) are introduced in this paper. The compressor is driven by a moving-magnet linear motor, supported by flexure bearings and clearance seal technology, and the expander is with coaxial structure between regenerator and pulse tube, which is very convenient for coupling between cold head and infrared devices. The phasor shift characteristics of C391 is simulated using SAGE software, and it is verified by experiments.

moving magnet linear compressor，micro pulse tube cryocooler，phasor shift，numerical simulation

TB651

A

1001-8891(2017)06-0558-06

2016-07-07；

2016-08-20.

熊超（1984-），男，湖南長(zhǎng)沙人，博士，主要從事小型低溫制冷機(jī)的研究，E-mail：chao612816@sina.com。

夏明（1977-），男，博士，研究員，主要從事小型低溫制冷機(jī)的研究，E-mail：15969586435@163.com。