2 W@40 K 單級斯特林制冷機(jī)性能優(yōu)化試驗(yàn)研究

寇翠翠 姜 昆 方露露 羅高喬 王 波 吳維薇

(1 低溫技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230088)

(2 中國電子科技集團(tuán)公司第十六研究所 合肥 230088)

1 引言

以大口徑光學(xué)為代表的空間高精度成像任務(wù)中,長線列、大面陣紅外探測器冷卻需要更大制冷量,針對探測溫度更低(40 K)的目標(biāo)時(shí)探測器需要更低的溫度環(huán)境。為進(jìn)一步提升探測精度,對焦面冷卻的同時(shí)也需要對鏡頭進(jìn)行冷卻,抑制自身產(chǎn)生的背景噪聲提升信噪比。所以綜合性工程中制冷機(jī)需求數(shù)量和溫區(qū)多,任務(wù)中迫切需要更加高效、功耗低、壽命長、振動低、重量輕及體積小的制冷機(jī)。

針對某航天工程應(yīng)用環(huán)境,需要一款2 W@40 K制冷機(jī),要求制冷機(jī)輸入功率180 W 以下,整機(jī)質(zhì)量5 kg 以內(nèi)。

目前國內(nèi)研制的40 K 溫區(qū)制冷機(jī)多采用脈管結(jié)構(gòu),具體如表1 所示。并且多采用分置式結(jié)構(gòu),體積、重量較大,制冷機(jī)的COP為均小于1%,無法滿足工程需求。

表1 國內(nèi)40 K 溫區(qū)制冷機(jī)比較Table 1 Comparison of 40 K cryogenic refrigerators at home

中國電子科技集團(tuán)公司第十六研究所跟蹤國外新一代斯特林制冷機(jī)技術(shù)路線,在國內(nèi)首次成功研制了氣浮軸承斯特林制冷機(jī)工程樣機(jī),并形成氣浮軸承斯特林制冷機(jī)譜系產(chǎn)品,該系列產(chǎn)品是目前國內(nèi)制冷機(jī)中重量最輕、效率最高的制冷機(jī)[4-5]。冷指溫度40K 條件下,制冷量2 W,整機(jī)質(zhì)量3.5 kg,輸入功率240 W,制冷量及質(zhì)量指標(biāo)滿足需求,但COP偏低。

2 制冷機(jī)參數(shù)計(jì)算

以上述型號制冷機(jī)為基礎(chǔ),對其充氣壓力、網(wǎng)片填充孔隙率和回?zé)崞鏖L度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,提高COP滿足工程型號需求。鑒于本單位的研制基礎(chǔ),在建立模型時(shí),絲徑直接選取12 μm,以滿足熱滲透深度參數(shù)要求[6]。該機(jī)型模型圖見圖1,利用Sage建立40 K 溫區(qū)整機(jī)的熱力學(xué)模型,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),Sage 模型見圖2 所示。

圖1 該斯特林制冷機(jī)的模型圖Fig.1 Model of Stirling refrigerator

圖2 該斯特林制冷機(jī)的Sage 模型圖Fig.2 Sage model of Stirling refrigerator

2.1 充氣壓力對COP 影響

氣浮軸承單級斯特林制冷機(jī)充氣壓力對制冷機(jī)的影響主要有兩方面:一是對運(yùn)動部件提供支撐作用,另一方面是在膨脹機(jī)中膨脹產(chǎn)生制冷效應(yīng),因此充氣壓力大小對制冷機(jī)性能有關(guān)鍵的影響作用。由圖3 可以看出,制冷機(jī)COP隨充氣壓力先緩慢增大,后緩慢減小,因此為了獲得最大的制冷效率,選取充氣壓力為1.87—2.29 MPa 的范圍值,此時(shí)COP為1.31%—1.34%。

圖3 制冷機(jī)COP 隨充氣壓力的變化曲線Fig.3 Variation curve of refrigerator COP with pressure

2.2 網(wǎng)片填充孔隙率對COP 影響

回?zé)崞鞯木W(wǎng)片填充率要盡量高,以減小死容積,同時(shí)在不同溫區(qū)范圍內(nèi)能夠提供足夠的熱容。但為了降低工質(zhì)在回?zé)崞鲀?nèi)部的壓力損失,又需要選擇孔隙率較大的回?zé)崞?因此在回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì)中各個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)大多是相互矛盾的,因此需要綜合考慮并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)尋求最優(yōu)參數(shù)組合。

由圖4 可以看出,制冷機(jī)COP隨孔隙率的增加先增大后減小,因此為了獲得最大的制冷效率,選取網(wǎng)片填充孔隙率為0.864—0.879 的范圍值,此時(shí)COP為1.08%。

圖4 制冷機(jī)COP 隨孔隙率的變化曲線Fig.4 Variation curve of refrigerator COP with porosity

2.3 回?zé)崞鏖L度對COP 影響

圖5 是COP隨回?zé)崞鏖L度變化情況。在回?zé)崞鏖L度為61 mm 左右時(shí),制冷機(jī)的COP達(dá)到最大值1.85%。因此后續(xù)試驗(yàn)中,選取56—66 mm 長度的回?zé)崞?得到回?zé)崞髯罴验L度值。

圖5 制冷機(jī)COP 隨回?zé)崞鏖L度的變化曲線Fig.5 Variation curve of refrigerator COP with length of regenerator

綜上,通過Sage 整機(jī)模擬計(jì)算,選取網(wǎng)片填充孔隙率為0.864—0.879,回?zé)崞鏖L度為56—66 mm,充氣壓力為1.87—2.29 MPa。后續(xù)采用試驗(yàn)的方法對這3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,得到最佳參數(shù)值。

表2 所示為整機(jī)模擬計(jì)算最終結(jié)果。由表2 可以看出,經(jīng)過整機(jī)熱力學(xué)計(jì)算,制冷機(jī)最佳性能為2.11 W@ 40 K,輸入功率168 W,COP為1.256%。此時(shí)回?zé)崞鏖L度為62 mm,網(wǎng)片填充孔隙率為0.87,充氣壓力為2.1 MPa。

表2 整機(jī)熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果Table 2 Thermodynamic calculation results of refrigerator

3 試驗(yàn)研究

模擬計(jì)算結(jié)果顯示,在原機(jī)型的基礎(chǔ)上,通過改變充氣壓力、網(wǎng)片填充孔隙率和回?zé)崞鏖L度,就可以以最小的改動完成40 K 溫區(qū)性能提升。因此,搭建圖6 所示制冷機(jī)性能測試試驗(yàn)裝置進(jìn)行模擬結(jié)果驗(yàn)證。該系統(tǒng)包括制冷機(jī)、溫度顯示器、直流電源、功率計(jì)、制冷機(jī)散熱系統(tǒng)、制冷機(jī)抽空系統(tǒng)、驅(qū)動控制器系統(tǒng)等。其中制冷機(jī)為試驗(yàn)主體,溫度顯示器可以直觀讀取制冷機(jī)冷端溫度值,直流電源用于測試制冷機(jī)冷量,功率計(jì)用于讀取制冷機(jī)交流輸入功率(冷量/輸入功率即為制冷系數(shù)COP)。制冷機(jī)散熱系統(tǒng)包括水冷散熱器、風(fēng)扇、直流電源等,用于制冷機(jī)散熱。制冷機(jī)抽空系統(tǒng)用于保證測試必須的真空環(huán)境,減少冷量的損失。驅(qū)動控制器系統(tǒng)用于給制冷機(jī)提供工作的能量。利用該制冷機(jī)性能測試系統(tǒng),通過調(diào)整充氣壓力、網(wǎng)片填充孔隙率、回?zé)崞鏖L度3 個(gè)參數(shù),對制冷機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測試。

圖6 制冷機(jī)性能測試系統(tǒng)Fig.6 Refrigerator performance test system

3.1 制冷機(jī)充氣壓力對性能影響研究

圖7 給出了輸入功率為180 W 左右時(shí),充氣壓力對制冷系數(shù)COP的影響。在保證充分散熱的情況下,隨著充氣壓力的增加,制冷系數(shù)COP先增長后降低,在充氣壓力2.2 MPa 時(shí),制冷機(jī)性能最佳,達(dá)到1.52 W@40 K,輸入功率180.4 W,制冷系數(shù)COP為0.84%。因此,制冷機(jī)性能最佳的充氣壓力為2.2 MPa,在仿真結(jié)果1.87—2.29 MPa 的范圍內(nèi),驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖7 充氣壓力對COP 的影響Fig.7 Influence of pressure on COP

3.2 網(wǎng)片填充孔隙率對性能影響研究

圖8 為制冷機(jī)充氣壓力為2.2 MPa、輸入功率為180 W 左右時(shí)網(wǎng)片填充孔隙率對制冷系數(shù)COP的影響。在保證充分散熱的情況下,隨著網(wǎng)片填充孔隙率的增加,制冷系數(shù)COP先增長后降低,在網(wǎng)片填充孔隙率0.875 時(shí),制冷機(jī)性能最佳,達(dá)到1.77 W@40 K,輸入功率179.4 W,制冷系數(shù)COP為0.99%。因此,制冷機(jī)性能最佳的網(wǎng)片填充孔隙率為0.875,在仿真結(jié)果0.864—0.879 的范圍內(nèi),驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖8 網(wǎng)片填充孔隙率對COP 的影響Fig.8 Influence of filling porosity of mesh on COP

3.3 回?zé)崞鏖L度對性能影響研究

圖9 為制冷機(jī)充氣壓力為2.2 MPa、網(wǎng)片填充孔隙率為0.875、輸入功率為180 W 左右時(shí)回?zé)崞鏖L度對制冷系數(shù)COP的影響。在保證充分散熱的情況下,隨著回?zé)崞鏖L度的增加,制冷系數(shù)COP先增長后降低,在回?zé)崞鏖L度62 mm 時(shí),制冷機(jī)性能最佳,達(dá)到2.15 W@40 K,輸入功率179.6 W,制冷系數(shù)COP為1.2%。因此,制冷機(jī)性能最佳的回?zé)崞鏖L度為62 mm,在仿真結(jié)果56—66 mm 的范圍內(nèi),驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖9 回?zé)崞鏖L度對COP 的影響Fig.9 Influence of length of regenerator on COP

綜上,經(jīng)試驗(yàn)研究,該氣浮軸承單級斯特林制冷機(jī)在充氣壓力為2.2 MPa、網(wǎng)片填充孔隙率為0.875、回?zé)崞鏖L度為62 mm 時(shí)達(dá)到最佳性能,性能為2.15 W@40K,輸入功率179.6 W,制冷系數(shù)COP為1.2%。

該試驗(yàn)結(jié)果與整機(jī)模擬計(jì)算結(jié)果基本吻合。因此,該Sage 模型建模合理,可以指導(dǎo)40 K 溫區(qū)附近單級斯特林制冷機(jī)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

(1)使用Sage 模型對制冷機(jī)進(jìn)行整機(jī)模擬計(jì)算,最佳性能為2.11 W@40 K,輸入功率168 W,制冷系數(shù)1.256%。此時(shí)回?zé)崞鏖L度62 mm,網(wǎng)片填充孔隙率0.87,充氣壓力2.1 MPa。

(2)經(jīng)試驗(yàn)研究,該氣浮軸承單級斯特林制冷機(jī)在充氣壓力為2.2 MPa、網(wǎng)片填充孔隙率為0.875、回?zé)崞鏖L度為62 mm 時(shí)達(dá)到最佳性能,性能2.15 W@40 K,輸入功率179.6 W,制冷系數(shù)1.2%。

(3)該制冷機(jī)相對于分置式制冷機(jī)體積小、重量輕、制冷效率相對較高、運(yùn)行頻率高。但該機(jī)型仍存在振動較大的問題,制約其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。為推廣其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用,后續(xù)可通過減振和隔振的方法降低振動水平,滿足航天要求。