王海敏 戴 巍 王曉濤 羅二倉

(1中國科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

(2中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

20 K溫區(qū)單級(jí)斯特林型脈管制冷機(jī)研究

王海敏1，2戴 巍1王曉濤1羅二倉1

(1中國科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

(2中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

為進(jìn)一步研究降低20 K溫區(qū)單級(jí)斯特林型脈管制冷機(jī)關(guān)鍵部件中損失的方法，提高整機(jī)性能，采用計(jì)算軟件Sage對(duì)制冷機(jī)進(jìn)行模擬。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Sage計(jì)算的對(duì)比對(duì)模擬程序的有效性進(jìn)行了考察，并從調(diào)相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及水冷器結(jié)構(gòu)方面尋找優(yōu)化途徑。結(jié)果表明，在單純使用慣性管氣庫調(diào)相時(shí)，計(jì)算最低制冷溫度比實(shí)驗(yàn)值低9 K左右;當(dāng)采用雙向進(jìn)氣與慣性管調(diào)相組合時(shí)，計(jì)算同實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。最后引入虛擬的振子阻尼調(diào)相機(jī)構(gòu)對(duì)制冷機(jī)的最佳性能進(jìn)行研究，計(jì)算表明在這種調(diào)相結(jié)構(gòu)下，制冷機(jī)的無負(fù)荷制冷溫度及30 K時(shí)的制冷量均可以得到比雙向進(jìn)氣加慣性管組合調(diào)相更優(yōu)的結(jié)果。

斯特林型脈管制冷機(jī) Sage模擬軟件 調(diào)相 雙向進(jìn)氣

1 引言

20 K溫區(qū)低溫制冷機(jī)在空間技術(shù)、超導(dǎo)體冷卻、液氫無損貯存、低溫電子和低溫泵等方面有著廣闊的應(yīng)用前景［1］。傳統(tǒng)制冷機(jī)如G-M制冷機(jī)、斯特林制冷機(jī)等由于低溫區(qū)有運(yùn)動(dòng)部件，存在可靠性、振動(dòng)、制造成本等問題。脈管制冷機(jī)除了室溫下壓縮機(jī)有運(yùn)動(dòng)部件外，在低溫下沒有任何運(yùn)動(dòng)部件，具有制造簡(jiǎn)單、壽命長、振動(dòng)小等突出優(yōu)點(diǎn)而倍受關(guān)注。

脈管制冷機(jī)分為G-M型脈管制冷機(jī)和斯特林型脈管制冷機(jī)。目前在20 K以下溫區(qū)包括液氦溫區(qū)應(yīng)用的小型低溫制冷機(jī)主要是G-M型制冷機(jī)和G-M型脈沖管制冷機(jī)。綜上所述，G-M制冷機(jī)因?yàn)榈蜏囟擞羞\(yùn)動(dòng)部件而存在可靠性差等問題，G-M型脈管制冷機(jī)盡管取消了低溫下的運(yùn)動(dòng)部件，但由于存在配氣閥門，會(huì)引起流動(dòng)損失，對(duì)整機(jī)效率有顯著影響;而且由于采用的是有油壓縮機(jī)，需要定期維護(hù)，且體積龐大。這些缺點(diǎn)使得其應(yīng)用受到一定限制。采用無閥壓縮機(jī)提供壓力波動(dòng)的斯特林型脈管制冷機(jī)取消了旋轉(zhuǎn)閥和單向閥，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)低溫下沒有運(yùn)動(dòng)部件在應(yīng)用上更具有優(yōu)勢(shì)。但是目前20 K溫區(qū)附近應(yīng)用的斯特林型脈管制冷機(jī)大多采用多級(jí)結(jié)構(gòu)布置，且整機(jī)相對(duì)卡諾效率普遍較低［2-3］，為4%以下;采用單級(jí)結(jié)構(gòu)達(dá)到20 K以下的斯特林型脈管制冷機(jī)相對(duì)較少，整機(jī)效率也非常低。陳六彪等人已經(jīng)將一臺(tái)單級(jí)斯特林型脈管制冷機(jī)無負(fù)荷溫度降至18.6K，是目前公布的單級(jí)高頻斯特林型脈管制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)的最低溫［4］，這臺(tái)制冷機(jī)采用同軸結(jié)構(gòu)，調(diào)相方式為慣性管氣庫、雙向進(jìn)氣和多路旁通聯(lián)合調(diào)相。針對(duì)此研究現(xiàn)狀，為了研制出高效的單級(jí)斯特林型脈管制冷機(jī)，本實(shí)驗(yàn)室在前期工作中使用Matlab程序進(jìn)行模擬計(jì)算及優(yōu)化并搭建了一臺(tái)20 K溫區(qū)單級(jí)斯特林型脈管制冷機(jī)，已經(jīng)將最低無負(fù)荷制冷溫度降低到22.7 K［5］。為進(jìn)一步研究降低制冷機(jī)關(guān)鍵部件中損失的方法，提高整機(jī)性能，采用計(jì)算軟件Sage［6］對(duì)制冷機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，與自主程序進(jìn)行互補(bǔ)和交叉驗(yàn)證。結(jié)合Sage的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，初步分析了Sage軟件計(jì)算的準(zhǔn)確性，并從調(diào)相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及水冷器結(jié)構(gòu)等方面尋找優(yōu)化途徑，為后續(xù)研究提供指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及Sage模擬軟件介紹

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1 直線壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)單級(jí)斯特林脈沖管制冷機(jī)Fig.1 A single-stage Stirling type pulse tube cooler driven by linear compressor

表1 制冷機(jī)各主體部件尺寸Table 1 Dimensions of each component in cryocooler

制冷機(jī)由主水冷器、回?zé)崞鳌⒗漕^、脈沖管、次水冷器、慣性管以及氣庫組成，其模型和各部件尺寸分別如圖1和表1所示。實(shí)驗(yàn)中壓縮機(jī)是用的是中科力函公司生產(chǎn)的Tc2221型雙活塞動(dòng)磁式直線壓縮機(jī)，線圈電阻R=7.5 Ω，活塞半徑R=17.85 mm，壓縮機(jī)等效機(jī)械阻尼Rmech=35—40，前腔空體積Vf=3.95×10-5m3，背腔單邊體積 Vb=6.55 ×10-4m3，最大有效電流Imax=3.5 A，活塞的最大振幅Xamp=6 mm。實(shí)驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)源采用KIKUSU電源T03930，用以調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的頻率及電壓。

壓縮機(jī)背腔壓力波動(dòng)測(cè)量采用PCB壓電傳感器，編號(hào)為22666;制冷機(jī)入口壓力波動(dòng)測(cè)量采用昆侖壓力傳感器以同時(shí)讀取系統(tǒng)平均壓力;冷頭溫度測(cè)量采用標(biāo)定過的小型陶瓷殼銠鐵溫度計(jì)，溫度計(jì)直徑2.2 mm，長20 mm，安插于冷頭異型孔槽中;溫度計(jì)分度溫區(qū)1.2—300 K，準(zhǔn)確度0.1 K。

2.2 模擬計(jì)算軟件——Sage

Sage是有著可視化圖形界面的計(jì)算軟件，由Gedeon Associate的David Gedeon編制，有斯特林系統(tǒng)模型、脈管系統(tǒng)模型及低溫制冷機(jī)系統(tǒng)模型3個(gè)子模塊，分別用于相應(yīng)系統(tǒng)的計(jì)算。低溫制冷機(jī)模型適用范圍最廣，可選擇的部件模塊較多，同時(shí)可以考慮氣體的非理想性，故本研究計(jì)算采用低溫制冷機(jī)模型。Sage軟件采用樹形結(jié)構(gòu)，主面板上有各個(gè)部件的模型及參數(shù)定義，圖2即為本文制冷機(jī)在Sage程序中的模擬界面。菜單欄中包含各種計(jì)算命令，包括給結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)賦初值，自定義函數(shù)，限制參數(shù)變化范圍、優(yōu)化過程參數(shù)設(shè)置、定義目標(biāo)函數(shù)、求解、優(yōu)化等，工具欄中有各個(gè)模塊部件，如活塞、氣庫、薄壁管、換熱翅片、氣缸、管道等;雙擊進(jìn)入每一種模塊后可選擇這個(gè)模塊的具體組成部分，如回?zé)崞魍獗凇⒔z網(wǎng)、氣體或者換熱器翅片等，并可定義各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如壁厚、絲網(wǎng)目數(shù)、絲徑、翅片厚度、材料等。本文根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際尺寸建立了相應(yīng)的Sage中的系統(tǒng)模型并進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

圖2 Sage界面中制冷機(jī)模型Fig.2 Model of single stage Stirling-type pulse tube cooler in Sage

3 兩種重要的調(diào)相形式簡(jiǎn)介及計(jì)算同實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

慣性管氣庫及雙向進(jìn)氣是兩種重要的調(diào)相形式。對(duì)于某些制冷機(jī)，慣性管氣庫就可以滿足其調(diào)相需求。而對(duì)于一些尺寸比較小，同時(shí)制冷量也很小的脈沖管制冷機(jī)，其需要的阻抗幅值通常比較大同時(shí)對(duì)相位也有較高要求，導(dǎo)致單純的慣性管調(diào)相無法為脈沖管制冷機(jī)提供最佳阻抗，需要引入雙向進(jìn)氣作為輔助的調(diào)相機(jī)構(gòu)。研究所涉及制冷機(jī)就屬于后者。

由于實(shí)際系統(tǒng)中慣性管氣庫的尺寸簡(jiǎn)單，而雙向進(jìn)氣閥門在Sage中無嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，因此先模擬在單純的慣性管氣庫調(diào)相模型下系統(tǒng)的性能，用以考察Sage的準(zhǔn)確性，然后在此基礎(chǔ)上再進(jìn)一步研究加入雙向進(jìn)氣后制冷機(jī)的性能。下面對(duì)比的實(shí)驗(yàn)工況為:氦氣工質(zhì)，平均壓力2.5 MPa，工作頻率為35 Hz，室溫設(shè)定為20℃。雙向進(jìn)氣開度大小使用針閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，其一般結(jié)構(gòu)如圖3a所示，通過控制針閥的開度來控制進(jìn)入脈管熱端的體積流率，從而調(diào)節(jié)脈管熱端阻抗。Sage計(jì)算中采用的閥門模型如圖3b所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的冷頭溫度和計(jì)算優(yōu)化的最低冷頭溫度如表2所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)及Sage計(jì)算中選用的針閥模型Fig.3 Configurations of needle valves in experiments and simulations

表2 加入雙向進(jìn)氣前后計(jì)算最低制冷溫度同實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison between calculation and experimental results under different phase-shiftors

從表2中很明顯可以看出，沒有雙向進(jìn)氣時(shí)，計(jì)算最低制冷溫度與與實(shí)驗(yàn)值相差9 K左右，計(jì)算值明顯優(yōu)于實(shí)驗(yàn)值;而加入雙向進(jìn)氣后，計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相同。在單純慣性管氣庫調(diào)相時(shí)引起實(shí)驗(yàn)與計(jì)算偏離的因素可能是，慣性管入口端阻抗的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值有一定偏差，其規(guī)律性還有待進(jìn)一步研究。另外，制冷機(jī)中存在的損失主要有導(dǎo)熱損失、氣固表面?zhèn)鳠釗p失、流動(dòng)損失、脈管中流動(dòng)混合損失、瑞利流損失、重力影響帶來的損失等。Sage模型對(duì)于脈管中的流動(dòng)混合損失及射流損失等缺少估計(jì)，從而使得實(shí)驗(yàn)與計(jì)算存在一定偏差。而雙向進(jìn)氣的加入，對(duì)調(diào)相阻抗起到了一定的修正作用，而且在20 K左右時(shí)，最低溫對(duì)于熱端阻抗的敏感程度降低，這可能是采用雙向進(jìn)氣后實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算值更加接近的原因。

雙向進(jìn)氣的工作機(jī)理主要在于雙向進(jìn)氣直接將一部分工作氣流引入脈管熱端，改善了回?zé)崞髦袎毫腕w積流率的相位差，減少了回?zé)崞髦械牧鲃?dòng)損失;雙向進(jìn)氣的存在還會(huì)改變回?zé)崞髦械捏w積流率;同時(shí)容易引起直流分量，影響制冷機(jī)中的能量平衡造成損失。雙向進(jìn)氣對(duì)于制冷機(jī)的影響是上述各因素綜合的結(jié)果?？梢哉J(rèn)為在慣性管和氣庫調(diào)相能力達(dá)不到系統(tǒng)所需的最優(yōu)狀態(tài)時(shí)，合適的雙向進(jìn)氣機(jī)構(gòu)有助于提高制冷機(jī)性能;而如果小孔和慣性管已經(jīng)能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供適合的阻抗，雙向進(jìn)氣就只能給系統(tǒng)帶來負(fù)面影響［5］。

當(dāng)制冷機(jī)入口壓比一定時(shí)，制冷機(jī)阻抗大小以及通過雙向進(jìn)氣支路的體積流率同閥門開度有關(guān)，因此閥門開度對(duì)制冷機(jī)性能影響是比較大的。圖4顯示了制冷機(jī)入口壓比為1.28時(shí)，計(jì)算得到的最低制冷溫度與閥門流量系數(shù)的關(guān)系?？梢悦黠@看出存在一最佳的閥門開度使得制冷溫度最低，為23.75 K，即表2中對(duì)應(yīng)的雙向進(jìn)氣聯(lián)合調(diào)相時(shí)計(jì)算制冷溫度最低值，開度過大或過小都會(huì)引起制冷性能的下降。這是由于閥門開度過大時(shí)，流經(jīng)回?zé)崞饔糜诒脽岬臍怏w量減少，會(huì)影響制冷性能;而閥門開度過小時(shí)，從雙向進(jìn)氣管道直接進(jìn)入脈管熱端的氣體過少，對(duì)于調(diào)相的修正力度不大，因此也不能得到很好的制冷性能。

圖4 制冷溫度隨雙向進(jìn)氣閥門流量系數(shù)分布Fig.4 Dependence of cold-head temperatures on discharge coefficient of double-inlet needle valve

4 虛擬調(diào)相機(jī)構(gòu)下的優(yōu)化及與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

慣性管氣庫、雙向進(jìn)氣等調(diào)相結(jié)構(gòu)的作用都是為脈管熱端提供合適的聲學(xué)阻抗，包括阻抗幅值以及壓力波和體積流率的相位差，以使得制冷機(jī)性能最佳。類似于電路中的電阻、電感、電容等參數(shù)，熱聲系統(tǒng)中聲學(xué)阻抗可以由聲阻、聲感、聲容來表示。聲阻可以調(diào)節(jié)阻抗幅值的大小，聲感、聲容除可以調(diào)節(jié)阻抗幅值之外，還可以調(diào)節(jié)壓力波動(dòng)和體積流的相位。熱聲系統(tǒng)中很多部件都兼具有阻性、感性和容性的性質(zhì)，最終體現(xiàn)出的阻抗特性是三者綜合的結(jié)果，如慣性管等細(xì)長的管結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為感性，氣庫等大容積的調(diào)相元件主要體現(xiàn)為容性。喻力宏等人［7-8］通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到慣性管阻抗特性，并與DeltaEC計(jì)算結(jié)果做了詳細(xì)對(duì)比，結(jié)果表明，在一定頻率和壓力波動(dòng)范圍內(nèi)，測(cè)量得到的阻抗與湍流計(jì)算結(jié)果相當(dāng)接近，而在小氣庫下的阻抗相位角和高頻率下的阻抗幅值差別較為明顯，需做進(jìn)一步研究修正，這為今后研究慣性管氣庫等調(diào)相機(jī)構(gòu)的阻抗提供了依據(jù)。在利用Sage程序進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算時(shí)，如果同時(shí)采用雙向進(jìn)氣和慣性管氣庫，尤其是當(dāng)慣性管本身又是多段組合時(shí)，優(yōu)化中的自由變量多且相互關(guān)聯(lián)，使得優(yōu)化的過程將變得更復(fù)雜而且過程不明晰。為此，本文提出利用虛擬的彈簧振子調(diào)相機(jī)構(gòu)來迅速考察脈沖管制冷機(jī)熱端所需要的最佳相位，然后可以根據(jù)此相位另外去尋找合適的調(diào)相結(jié)構(gòu)參數(shù)甚至采用該彈簧振子調(diào)相機(jī)構(gòu)滿足制冷機(jī)要求。

在優(yōu)化計(jì)算中，為考察理想最佳調(diào)相下制冷機(jī)的性能，應(yīng)將阻性元件、感性元件和容性元件模型都引入阻抗模型，并且不限制參數(shù)的取值范圍，以實(shí)現(xiàn)阻抗相角和幅值在任意范圍的連續(xù)性調(diào)節(jié)。由于聲感的實(shí)質(zhì)是慣性，聲容的本質(zhì)是彈性，因此可以分別用振子和彈簧來表示，加上表示阻性特性的阻尼元件和連接次水冷器的空體積，就組成了圖5所示的Sage中的調(diào)相結(jié)構(gòu)模型，從左至右依次為:連接空體積、振子、彈簧及阻尼。

圖5 Sage中振子阻尼調(diào)相模型Fig.5 Model of reciprocator-damper phase shifter in Sage

對(duì)振子做受力分析

其中:

式中:p為一階波動(dòng)壓力，Pa;A為振子橫截面積，m2;D為調(diào)相結(jié)構(gòu)的阻尼系數(shù)，N/(m/s);X為振子的位移，m;u為振子的運(yùn)動(dòng)速度，m/s;a為振子的加速度，m/s2;m為振子質(zhì)量，kg;U為系統(tǒng)體積流率，m3/s;Z為調(diào)相機(jī)構(gòu)阻抗，Pa·s/m3;ω為系統(tǒng)的角頻率，rad/s;K為彈簧的剛度，N/m。

由式(2)可看出，在系統(tǒng)頻率不變的情況下，阻抗實(shí)部受振子橫截面積和阻尼大小的影響，阻抗虛部受振子橫截面積、振子質(zhì)量、彈簧剛度的影響，故調(diào)相阻抗共受D、A、m、K4個(gè)自由變量的影響。在實(shí)際優(yōu)化過程中，固定A和K，僅把D和m作為優(yōu)化變量，理論上可以實(shí)現(xiàn)同樣的覆蓋范圍。將采用此方法最終得到的優(yōu)化結(jié)果同雙向進(jìn)氣聯(lián)合調(diào)相的實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，如表3和表4中所示。

計(jì)算得到最終得到阻抗為

表3 最低制冷溫度實(shí)驗(yàn)值及兩種調(diào)相形式下計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 3 Contrast of experimental and computational results of the lowest cryogenic temperature

表4 30 K時(shí)制冷量實(shí)驗(yàn)值及兩種調(diào)相形式下計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 4 Contrast of experimental and computational results of refrigerating output under two different phase shifters at 30 K

從表3可以看出，理想調(diào)相下可達(dá)到的最低無負(fù)荷制冷溫度比雙向進(jìn)氣調(diào)相時(shí)降低0.7 K左右;而表4指出，理想調(diào)相時(shí)的計(jì)算制冷量大于雙向進(jìn)氣調(diào)相時(shí)計(jì)算值的2倍。其中的原因可能是因?yàn)檫x定了慣性管氣庫導(dǎo)致即便采用雙向進(jìn)氣也無法實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)本身所需的最佳阻抗。此結(jié)果為進(jìn)一步改善制冷機(jī)調(diào)相結(jié)構(gòu)，優(yōu)化制冷性能提供了參考，根據(jù)此相位去尋找合適的調(diào)相結(jié)構(gòu)參數(shù)甚至采用該振子阻尼調(diào)相機(jī)構(gòu)滿足制冷機(jī)要求有可能進(jìn)一步提高制冷性能，是下一步將要開展的工作。

5 次水冷器結(jié)構(gòu)的影響

除調(diào)相機(jī)構(gòu)外，脈管熱端的換熱性能及損失的大小也均對(duì)對(duì)制冷機(jī)性能有較大影響。上文中使用的翅片式次水冷器由于現(xiàn)有加工工藝的原因，能切出的翅片厚度和流道寬度是有限的，即氣固換熱面積有限，這不利于水冷器的充分換熱;而且翅片式結(jié)構(gòu)與脈管耦合處出現(xiàn)氣道面積的急劇變化，這可能容易引發(fā)射流，造成流動(dòng)不穩(wěn)定，增大損失?？紤]到以上因素，在實(shí)驗(yàn)中也采用了絲網(wǎng)式次水冷器進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)也在Sage中進(jìn)行了模擬計(jì)算。絲網(wǎng)式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于它的比表面積和孔隙率大，且導(dǎo)流性能更好。表5顯示了對(duì)比結(jié)果。計(jì)算表明采用燒結(jié)紫銅絲網(wǎng)次水冷器后制冷機(jī)最低溫度可以多降1 K，實(shí)驗(yàn)中最低溫降低了近2 K。這表明除優(yōu)化換熱外，絲網(wǎng)式次水冷器對(duì)于抑制脈管熱端射流等損失也應(yīng)當(dāng)起到了積極作用。

表5 兩種不同次飲水冷器結(jié)構(gòu)下，制冷機(jī)無負(fù)荷冷頭溫度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Table 5 Contrast of experimental and computational results with different secondary ambient heat exchanger configurations

6 總結(jié)

為驗(yàn)證Sage軟件的準(zhǔn)確性，為制冷機(jī)的模擬計(jì)算和優(yōu)化做鋪墊，本研究采用Sage軟件計(jì)算了制冷機(jī)在單純慣性管氣庫調(diào)相以及加入雙向進(jìn)氣聯(lián)合調(diào)相時(shí)的性能，并同實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示在單純的慣性管氣庫調(diào)相下，使用Sage軟件計(jì)算出的冷頭溫度比實(shí)驗(yàn)值低9 K左右，導(dǎo)致這種偏差的原因可能是Sage軟件對(duì)于慣性管氣庫阻抗的計(jì)算有一定的偏離，同時(shí)對(duì)實(shí)際損失的估計(jì)不足，其規(guī)律性還有待進(jìn)一步研究。加入雙向進(jìn)氣后無負(fù)荷制冷溫度的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值比較接近，這可能是由于雙向進(jìn)氣的引入對(duì)于調(diào)相阻抗的計(jì)算起到了一定的修正作用，并且隨著冷頭溫度降低，對(duì)阻抗的敏感性降低。在了解了Sage軟件計(jì)算的準(zhǔn)確性后，繼而又用它計(jì)算了制冷機(jī)在最佳調(diào)相時(shí)的性能，通過引入虛擬的彈簧振子調(diào)相，迅速考察了脈沖管制冷機(jī)熱端所需要的最佳相位，計(jì)算表明此時(shí)的無負(fù)荷制冷溫度以及30 K時(shí)的制冷量均比目前雙向進(jìn)氣調(diào)相時(shí)更優(yōu)。根據(jù)最佳相位去尋找合適的調(diào)相結(jié)構(gòu)參數(shù)甚至采用振子阻尼調(diào)相機(jī)構(gòu)滿足制冷機(jī)要求，并繼續(xù)優(yōu)化最佳調(diào)相時(shí)制冷機(jī)各關(guān)鍵部件的參數(shù)，進(jìn)一步提高制冷機(jī)性能是下一步工作的方向。此外，通過優(yōu)化次水冷器的結(jié)構(gòu)以改善流動(dòng)和換熱性能也可以進(jìn)一步提高制冷機(jī)性能。

1 Roush F，R T.Air force research laboratory space cryogenic technology research initiatives［J］.Cryocooler ，2007(14):11-20.

2 任 嘉.30K至80K溫區(qū)高效脈沖管制冷機(jī)的研究［D］.北京:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，2011.

3 Chen Liubiao，Jin Hai，Wang Junjie，et al，18.6 K single-stage high frequency multi-bypass coaxial pulse tube cryocooler［J/OL］.http://dx.doi.org/10.1016/j.cryogenics.2012.11.

4 Gedeon D.Sage User’s Guide［M］.Sage v8 Edition.Gedeon Associates，2011.

5 喻力弘，王曉濤，戴 巍，等，一種間接測(cè)量慣性管阻抗的方法［C］.工程熱力學(xué)與能源利用學(xué)術(shù)會(huì)議論文，2010.

6 胡劍英，戴 巍，羅二倉，等，雙向進(jìn)氣與慣性管功能的研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2009，30:553-556.

7 Zhang L M.A novel effective suppression of natural convection in pulse tube coolers［J］.Cryogenics，2011，51:85-89.

Stimulation and experimental research on a 20 K single stage Stirling-type pulse tube cooler

Wang Haimin1，2Dai Wei1Wang Xiaotao1Luo Ercang1

(1Key Laboratory of Cryogenics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)
(2University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

A 20 K Stirling-type pulse tube cooler system was developed，whose lowest cold head temperature was 22.7 K.To optimize the system performance further more，Sage software was used to do the simulation and introduce the results.This passage shows the effectiveness of Sage by comparing experimental and results computation.Results show that with inertance-reservoir as the phase shifter，the computational result is 9 K lower than that of the experiment.In case of using double-inlet，all results match well.Finally，a virtual phase shifter was introduced to optimize the system.Computation indicates that under this mode of phase shifter，both the no-load cryogenic temperature and cryogenic power at 30 K can get better performance than when the cooler is under inertance tube and double inlet phase shifters.

Stirling-type pulse tube cooler;Sage software;phase shifting;double-inlet

TB651

A

1000-6516(2013)01-0001-06

2013-01-06;

2013-02-03

國家自然科學(xué)重大基金項(xiàng)目(50890181)，中國科學(xué)院科研裝備研制項(xiàng)目(YZ2009-48)，國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(51206177)資助。

王海敏，女，23歲，碩士研究生。