熊 超 李 娜 楊開響 曲曉萍 吳亦農(nóng)

(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083)

1 引 言

隨著航天技術(shù)、紅外技術(shù)、高溫超導(dǎo)技術(shù)以及低溫電子學(xué)等一系列現(xiàn)代高科技的迅猛發(fā)展，低溫技術(shù)也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和關(guān)注。尤其是近幾年多元陣列紅外探測(cè)器、冷光學(xué)器件和高溫超導(dǎo)等技術(shù)領(lǐng)域?qū)Υ罄淞?、輕質(zhì)量、小體積、高效率和高可靠性的制冷機(jī)需求越來(lái)越迫切［1-3］。

20世紀(jì)70年代末，英國(guó)牛津大學(xué)研制了牛津型分置式斯特林制冷機(jī)［4］，它將膨脹機(jī)與壓縮機(jī)單獨(dú)布置，用連接管相連。采用雙活塞對(duì)置直線驅(qū)動(dòng)，減小了制冷機(jī)的振動(dòng)和噪聲，同時(shí)采用間隙密封、板彈簧支撐、污染控制等技術(shù)，使得制冷機(jī)的性能得到了突破性的提高。然而其膨脹機(jī)受直線電機(jī)的限制難以在體積和質(zhì)量上取得突破。相比牛津型斯特林制冷機(jī)，氣動(dòng)分置式斯特林制冷機(jī)的膨脹機(jī)不用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這樣可以使整機(jī)質(zhì)量和體積進(jìn)一步減小，并有效地降低能耗，在空間制冷和高溫超導(dǎo)等領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景，其研究工作一直是低溫領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。

目前，國(guó)外從事氣動(dòng)式斯特林制冷機(jī)研制的公司主要有:德國(guó) AIM 公司［5］、以色列 Ricor［6］和法國(guó)Thales［7］等，其研制的制冷機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。中國(guó)從事氣動(dòng)分置式斯特林制冷機(jī)研制的單位主要有電子科技集團(tuán)公司16所［8-9］、兵器工業(yè)總公司211所［10］、中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所［11］以及中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所。

表1 國(guó)外氣動(dòng)斯特林制冷機(jī)的主要研究進(jìn)展Table 1 Major recent development of pneumatically driven Stirling cryocoolers in foreign countries

2 制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)描述

基于空間用制冷機(jī)的高可靠性、大冷量、輕質(zhì)量的要求，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研發(fā)的6 W@80 K氣動(dòng)型分置式斯特林制冷機(jī)整機(jī)由動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)和氣動(dòng)分置式斯特林膨脹機(jī)組成。制冷機(jī)整機(jī)質(zhì)量小于5.5 kg，圖1為制冷機(jī)的實(shí)物圖。

圖1 制冷機(jī)的實(shí)物圖Fig.1 Picture of cryocooler

(1)直線壓縮機(jī)

直線壓縮機(jī)采用雙線圈雙磁鋼動(dòng)磁式直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。直線電機(jī)和壓縮活塞對(duì)置分布，活塞和磁鋼組件通過(guò)機(jī)械連接一起運(yùn)動(dòng)，組成動(dòng)子部件。動(dòng)子部件通過(guò)板彈簧支撐，由于板彈簧有一個(gè)很大的徑向剛度和適度的軸向剛度，因此動(dòng)子部件在徑向方向的運(yùn)動(dòng)被限制了，只能在軸向方向往復(fù)振蕩，這樣也就保證了壓縮活塞和汽缸之間的間隙密封效果。直線電機(jī)的靜子組件則由線圈和外磁軛組成，通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)將繞線線圈和外磁軛與氦氣工質(zhì)完全隔離。和動(dòng)圈式直線電機(jī)相比，它解決了電機(jī)繞線的放氣污染、電機(jī)飛線疲勞斷裂以及引線接頭玻璃燒結(jié)處導(dǎo)致的工質(zhì)泄露等問(wèn)題，從而保證了制冷機(jī)的長(zhǎng)壽命和高可靠性。此外，線圈和外磁軛在外部緊貼，也加強(qiáng)了直線電機(jī)在開機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的散熱效果。

圖2 直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of linear motor

圖3為直線壓縮機(jī)所使用的雙線圈雙磁鋼動(dòng)磁式直線電機(jī)的磁力線分布圖。這種直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，理論計(jì)算和制作加工相對(duì)容易，它與直線壓縮機(jī)的耦合安裝方便，而且直線電機(jī)的磁力線回路對(duì)稱性好，漏磁小。由于動(dòng)圈式直線電機(jī)在不施加任何激勵(lì)的情況下，其動(dòng)子部件只有銅線線圈，不包含軟磁和硬磁材料，因此它不受電機(jī)回路磁通的影響和干擾，在軸向各個(gè)位置所受到的電磁力為零。而動(dòng)磁式直線電機(jī)的動(dòng)子部件為磁鋼，動(dòng)子部件本身就是電機(jī)磁路的一部分，因此在同樣條件下，會(huì)它會(huì)受到軸向電磁力的作用，其電磁力的大小取決于直線電機(jī)結(jié)構(gòu)和電機(jī)動(dòng)子部件所處位置。

圖3 直線電機(jī)的磁力線分布圖Fig.3 Distribution diagram of magnet flux of linear motor

在直線電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，在有限的尺寸空間內(nèi)，對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的分析計(jì)算和數(shù)值模擬，通過(guò)優(yōu)化，使得直線電機(jī)有較大的軸向電磁比推力，較小的繞線電阻和行程范圍內(nèi)較小的軸向電磁偏置力。使用電磁場(chǎng)分析軟件對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以得到電機(jī)動(dòng)子部件在行程內(nèi)受到不同激勵(lì)條件的軸向電磁力分布情況，以及電機(jī)在不通電時(shí)動(dòng)子在各個(gè)行程下的軸向電磁偏置力，圖4為直線電機(jī)動(dòng)子在行程范圍內(nèi)的軸向電磁力。從圖中可以看出，電機(jī)的平均比推力為27 N/A，軟件模擬值稍大于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，但變化趨勢(shì)非常吻合。本制冷機(jī)所采用直線電機(jī)的軸向電磁力方向?yàn)?當(dāng)動(dòng)子偏離其中心平衡位置時(shí)，軸向的電磁偏置力始終會(huì)將其拉回到平衡位置。

圖4 直線電機(jī)動(dòng)子在行程范圍內(nèi)的軸向電磁力Fig.4 Axial electromagnetic force diagram of linear motor within limits of displacement

(2)氣動(dòng)膨脹機(jī)

相比雙驅(qū)動(dòng)的牛津型斯特林制冷機(jī)，氣動(dòng)分置式斯特林制冷機(jī)的膨脹機(jī)活塞不使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這樣可以使整機(jī)質(zhì)量和體積減小，并有效地降低能耗，是實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)的小型化和輕量化的重要手段。本制冷機(jī)的冷指采用氣動(dòng)分置式斯特林膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)，它是無(wú)背壓腔式的，其推移活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力主要依靠膨脹腔與室溫腔的壓差。推移活塞的熱端通過(guò)圓柱彈簧與膨脹氣缸連接，在冷熱端壓差的驅(qū)動(dòng)下做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。可以通過(guò)改變膨脹機(jī)的柱彈簧剛度來(lái)優(yōu)化推移活塞位移波和壓力波之間的相位差。這種膨脹機(jī)的零件較少，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足制冷機(jī)的輕量化要求。

3 制冷機(jī)的性能優(yōu)化

基于壓縮機(jī)與冷指之間的匹配原理，對(duì)直線壓縮機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)和整機(jī)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化，使它能夠與6 W@80 K氣動(dòng)斯特林冷指更好的匹配，達(dá)到最優(yōu)的制冷性能。針對(duì)已有的6 W@80 K氣動(dòng)斯特林冷指，具體分析能夠與之高效耦合的直線壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，對(duì)壓縮活塞進(jìn)行受力分析和諧振頻率研究［12］。在壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，壓縮活塞在軸向主要受到電機(jī)力Fe、板彈簧回復(fù)力Fk、阻尼力Fre以及活塞兩端的氣體力Fgas的相互作用。氣體力為壓縮腔氣體力pcAc和背壓腔氣體力pbAc的合力，而背壓腔的壓力值在壓縮機(jī)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中波動(dòng)很小，因此可以假定背壓腔壓力pb是一個(gè)恒定的值P0，即制冷機(jī)充氣壓力，所以可以把壓縮活塞所受到的氣體力簡(jiǎn)化為ΔpcAc，其中 Δpc=pc－P0。

圖5 直線壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1.板彈簧;2.直線電機(jī);3.壓縮活塞;4.排氣孔;5.汽缸Fig.5 Structure diagram of moving system of linear compressor

根據(jù)牛頓第二定律建立壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制方程可得:

從壓縮活塞的受力分析可以看出壓縮機(jī)的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，壓縮活塞所受到的軸向力既隨時(shí)間變化，又隨位移變化。這主要是壓縮活塞的運(yùn)動(dòng)特性、速度特性以及彈簧的彈性所引起的。采用旋轉(zhuǎn)矢量法可以清楚地表達(dá)彼此之間的相位關(guān)系(如圖6所示)，圖中各個(gè)力的矢量大小為其振幅。壓縮活塞所受的氣體力ΔpcA與位移xc之間的夾角為φ，也就是壓縮機(jī)壓力波超前位移波的相位角。軸向電機(jī)力Fe與速度之間的相位角為Ψ，即壓縮機(jī)位移波滯后于電流波的相位角為π/2－Ψ。

對(duì)活塞所受的氣體力ΔpcA在位移方向和速度方向進(jìn)行分解，如圖4所示。氣體力可以分解為與彈簧力同相位的Fgas-k和與阻尼力同相位的Fgas-use。定義Fgas-k為氣體彈簧力，F(xiàn)gas-use為有用氣體力，表達(dá)式如式(3)所示:

由于氣體力在位移方向的分力效果與彈簧類似［12］，在壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中只儲(chǔ)存和釋放能量，其本身并不消耗能量，不消耗電功，故將其命名為氣體彈簧力，根據(jù)彈簧剛度的定義式可以得出壓縮機(jī)的氣體彈簧剛度如式(4)所示:

圖6 壓縮活塞的受力分析圖Fig.6 Phasor diagram showing of forces acting on piston

壓縮機(jī)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率計(jì)算公式為:

將氣體彈簧剛度的表達(dá)式(4)帶入上式可得壓縮機(jī)固有頻率的計(jì)算公式為:

從式(6)可以看出，壓縮機(jī)的固有頻率是板彈簧剛度ks、壓縮機(jī)出口壓差Δpc、出口壓力波與位移波之間的夾角φ、動(dòng)子質(zhì)量m、壓縮活塞截面積A和行程Xc的函數(shù)。當(dāng)板彈簧剛度、壓差、活塞直徑增大時(shí)，固有頻率增加;當(dāng)動(dòng)子質(zhì)量和行程增大時(shí)，固有頻率減小。由于壓縮機(jī)在共振時(shí)，電機(jī)效率和制冷效率最高，因此在壓縮機(jī)的動(dòng)力設(shè)計(jì)過(guò)程中，調(diào)整其固有頻率，使它接近制冷機(jī)的運(yùn)行頻率(即電機(jī)的激振頻率)，是優(yōu)化制冷機(jī)性能最有效的方法。

在壓縮機(jī)的性能優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中，為了使它能夠與已有的6 W@80 K氣動(dòng)斯特林冷指更好的匹配，基于上述分析來(lái)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)固有頻率，使它與冷指的固有頻率一致，從而到達(dá)諧振狀態(tài)。由于壓縮機(jī)出口壓力波與位移波之間的相位角是由冷指的熱力參數(shù)來(lái)確定的，而壓縮機(jī)板彈簧剛度與氣體剛度相比很小，因此它們的調(diào)節(jié)范圍有限，在壓縮機(jī)的諧振頻率優(yōu)化中效果不明顯。而制冷機(jī)的充氣壓力、活塞截面積、行程和動(dòng)子質(zhì)量這些參數(shù)對(duì)壓縮機(jī)固有頻率的影響非常明顯，且它們的調(diào)節(jié)范圍較寬，優(yōu)化手段相對(duì)較容易，因此主要通過(guò)對(duì)上述4個(gè)參數(shù)的優(yōu)化來(lái)使壓縮機(jī)與冷指達(dá)到更好的匹配。通過(guò)上面的理論分析，在制冷機(jī)性能優(yōu)化過(guò)程中對(duì)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，壓縮機(jī)與冷指的固有頻率調(diào)整得非常接近，在達(dá)到6 W@80 K制冷性能時(shí)，所需要的輸入電功由之前的163 W變?yōu)楝F(xiàn)在的106 W。

4 制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)布置

為了全面了解制冷機(jī)的性能，分析其內(nèi)部運(yùn)行相關(guān)參數(shù)對(duì)制冷性能的影響，本文搭建了性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)制冷機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，如圖7所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由制冷機(jī)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成。

圖7 制冷機(jī)性能測(cè)試測(cè)試裝置簡(jiǎn)圖Fig.7 Simplified experimental sketch for cryocooler

由于膨脹機(jī)為氣動(dòng)分置式，沒(méi)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)是通過(guò)壓縮機(jī)提供的壓力波動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此控制系統(tǒng)只包括壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)，具體為:驅(qū)動(dòng)電源、電控箱和功率計(jì)。驅(qū)動(dòng)電源通過(guò)電控箱給壓縮機(jī)提供某個(gè)特定頻率的正弦電壓。功率計(jì)用來(lái)測(cè)量壓縮機(jī)的兩個(gè)對(duì)置直線電機(jī)的相關(guān)電參數(shù)，包括電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓V、驅(qū)動(dòng)電流I、運(yùn)行頻率f、功耗W和功率因素。通過(guò)分析功率計(jì)的電參數(shù)可以判斷壓縮機(jī)的運(yùn)行情況和兩個(gè)電機(jī)的對(duì)稱性，同時(shí)還能計(jì)算直線電機(jī)的電機(jī)效率。

在壓縮機(jī)一側(cè)的活塞上布置有差動(dòng)變壓器型位移傳感器(LVDT)，它可以間接地測(cè)量壓縮活塞的位移波。在壓縮機(jī)與膨脹機(jī)之間的連管上布置了壓力傳感器，用來(lái)測(cè)量壓縮機(jī)出口的壓力波。位移波信號(hào)和壓力波信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換之后在示波器上顯示，可以得到位移波動(dòng)和壓力波動(dòng)的幅值、平均值以及它們之間的相位角。

在膨脹機(jī)的冷端布置了測(cè)溫鉑電阻和電加熱片。使用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量鉑電阻的電阻值，通過(guò)鉑電阻溫度對(duì)照表可以轉(zhuǎn)換為制冷溫度，同時(shí)通過(guò)觀察鉑電阻阻值的變化，了解降溫過(guò)程中的冷頭溫度變化情況。制冷量采用熱平衡法測(cè)量，通過(guò)直流穩(wěn)壓電源給加熱片一個(gè)直流電壓，用萬(wàn)用表測(cè)量加熱片上的電流與電壓，得到的加熱功率可等效為制冷量。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

(1)降溫實(shí)驗(yàn)

維持壓縮機(jī)輸入80 W的電功，膨脹機(jī)冷端熱負(fù)載為0，在300 K的初始溫度下開機(jī)，測(cè)試制冷機(jī)的降溫速度，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和繪制降溫曲線如圖8所示。從降溫曲線可以看出，制冷機(jī)在冷端溫度降到80 K所用的時(shí)間為260 s。

圖8 制冷機(jī)降溫曲線圖Fig.8 Cooling down curve of cryocooler

(2)全性能實(shí)驗(yàn)

分別控制冷指冷端溫度為60 K、70 K、80 K和90 K，對(duì)制冷機(jī)進(jìn)行全性能實(shí)驗(yàn)研究，其中:126 W電功輸入得到4 W@60 K制冷性能，此時(shí)制冷機(jī)的COP和比卡諾效率分別為3.17%和11.8%;135 W電功輸入得到6 W@70 K制冷性能;106 W電功輸入得到6 W@80 K制冷性能，此時(shí)制冷機(jī)的COP和比卡諾效率分別為5.66%和14.4%;170 W電功輸入得到9 W@80 K制冷性能;86.3 W電功輸入得到6 W@90 K制冷性能，153 W電功輸入得到10 W@90 K制冷性能。繪制這4個(gè)制冷溫度下的全性能實(shí)驗(yàn)圖，見圖9。從圖9可以看出制冷機(jī)在這幾個(gè)溫度下的制冷性能都有很好的適應(yīng)性。

圖9 制冷機(jī)在60 K、70 K、80 K和90 K 4個(gè)制冷溫度的制冷性能圖Fig.9 Performance map of cooling power vs.input power at 60 K，70 K，80 K and 90 K

6 結(jié) 論

介紹了一臺(tái)6 W@80 K氣動(dòng)分置式斯特林制冷機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)思想，以及制冷機(jī)整機(jī)的優(yōu)化匹配和實(shí)驗(yàn)性能。該制冷機(jī)包括雙線圈雙磁鋼動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)和氣動(dòng)型膨脹機(jī)，壓縮機(jī)與膨脹機(jī)之間通過(guò)連管連接，制冷機(jī)整機(jī)質(zhì)量為5.5 kg。經(jīng)過(guò)對(duì)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和整機(jī)的運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整，制冷機(jī)在達(dá)到6 W@80 K的制冷性能時(shí)，其輸入電功由之前的163 W減少到現(xiàn)在的106 W。在此基礎(chǔ)上，對(duì)該制冷機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的下一步工作主要是:

(1)直線電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括結(jié)構(gòu)、材料、加工和裝配工藝等的改進(jìn);

(2)壓縮機(jī)與冷指的匹配機(jī)理分析和實(shí)驗(yàn)研究;

(3)制冷機(jī)制作工藝的完善和制作流程的標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)其長(zhǎng)壽命和可靠性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考核。

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