朱嘯爽，周　強，戴　巍，朱文秀，周　遠，王俊杰

（1.中國科學院理化技術(shù)研究所 低溫工程學重點實驗室，北京　100190；2.北京空間飛行器總體設(shè)計部空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室，北京　100094；3.中國科學院大學，北京　100049）

13.5 K兩級氣耦合型高頻脈沖管制冷機實驗研究

朱嘯爽1，3，周強2，戴巍1，朱文秀1，周遠1，王俊杰1

（1.中國科學院理化技術(shù)研究所 低溫工程學重點實驗室，北京100190；2.北京空間飛行器總體設(shè)計部空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室，北京100094；3.中國科學院大學，北京100049）

高頻脈沖管制冷機由于冷端無運動部件、振動小、壽命長等優(yōu)點，廣泛運用于低溫物理實驗、航空航天等領(lǐng)域。通過介紹一種兩級氣耦合高頻脈沖管制冷機，在該脈沖管的第一級中，采用了雙向進氣和多路旁通作為調(diào)相機構(gòu)，為獲取更好的調(diào)相效果，第二級脈沖管的慣性管和氣庫被置于第一級的冷頭處。為了進一步調(diào)節(jié)第二級脈沖管中壓力波質(zhì)量流的相位差，將壓縮機的氣流引入二級脈沖管熱端作為第二級脈沖管的雙向進氣。該制冷機在充氣壓力1.7 MPa，輸入電功250 W的工況下，可以獲得13.5 K的無負荷制冷溫度，0.6 W@30 K的制冷量。文章對該制冷機實驗結(jié)果進行了總結(jié)。

低溫；脈沖管制冷機；氣耦合

0　引言

斯特林型脈沖管制冷機具有體積小、重量輕、效率高、振動小和冷端無運動部件等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于低溫物理實驗、軍事和空間探測等領(lǐng)域。目前已報道的單級斯特林型脈沖管制冷機已達到了13.9 K的無負荷制冷溫度［1］，要進一步獲取更低的溫度宜采用兩級或多級結(jié)構(gòu)。

兩級脈沖管制冷機分為氣耦合和熱耦合兩種耦合形式。熱耦合兩級脈沖管制冷機需要兩臺壓縮機分別驅(qū)動兩臺脈沖管冷頭，通過用熱橋或其他導熱原件連接一級的冷端和二級蓄冷器的中間部分以達到預(yù)冷的目的，熱耦合性脈沖管制冷機可以分為兩個相互獨立的系統(tǒng)，一級和二級可以分別在不同的充氣壓力和運行頻率下工作，兩級間的相互影響較小；氣耦合型脈沖管制冷機將一級冷端引出的一股氣流進入二級，在氣耦合結(jié)構(gòu)中，一級和二級脈沖管共用1套壓縮機，兩級需要在同一充氣壓力和運行頻率下工作，調(diào)節(jié)其中一級的結(jié)構(gòu)參數(shù)，也會對另一級產(chǎn)生影響，因此氣耦合型脈沖管制冷機在研究難度上比熱耦合型更高。

楊魯偉等［2］在2005年研制了1臺無負荷制冷溫度可以達到19.6 K的氣耦合型兩級脈沖管制冷機。胡劍英等［3］在2008年研制研制了1臺熱聲驅(qū)動的氣耦合型兩級脈沖管制冷機，在輸入2 600 W熱量的工況下，可以達到18.1 K的無負荷制冷溫度。Dietrich等［4］2010年研制了1臺在4.6 kW輸入電功下可以達到13.7 K無負荷制冷溫度，并且能夠在25 K提供12.9 W制冷量的氣耦合型兩級脈沖管制冷機。

本實驗室之前已成功研制出了1臺無負荷制冷溫度可以達到14.6 K的單級斯特林型脈沖管制冷機，能夠在20 K提供386 mW制冷量［5］。為獲取更低溫度，在原有基礎(chǔ)上增加了第二級結(jié)構(gòu)，文章介紹了其結(jié)構(gòu)與試驗結(jié)果。

1　制冷機結(jié)構(gòu)及實驗裝置

脈沖管制冷機結(jié)構(gòu)如圖1所示。制冷機由一個掃氣體積為12 mL的線性壓縮機驅(qū)動，在1.6 MPa充氣壓力下，該壓縮機可以為脈沖管入口提供壓比為1.36。運行時脈沖管二級冷頭豎直向下放置，壓縮機由1臺變頻交流電源驅(qū)動（菊水2000PCR）。

在第一級中，采用了多路旁通管作為調(diào)相機構(gòu)。如圖1所示，二級脈沖管的熱端、氣庫和慣性管布置在一級脈沖管的冷端。為了降低系統(tǒng)的軸向?qū)釗p失，蓄冷器外壁和脈沖管均使用薄壁不銹鋼管。兩級蓄冷器都采用不銹鋼絲網(wǎng)作為蓄冷材料。兩級都采用了雙向進氣、氣庫和慣性管作為調(diào)相機構(gòu)。根據(jù)文獻［6］低溫下的長頸管加氣庫結(jié)構(gòu)可以獲得更好的調(diào)相效果，所以在本實驗裝置中，二級的長頸管和氣庫被置于一級的冷頭處。二級雙向進氣由壓縮機前腔直接引入二級脈沖管熱端，以增加二級脈沖管壓比，并且調(diào)節(jié)二級脈沖管中壓力波和質(zhì)量流的相位差。由壓縮機前腔到二級脈沖管熱端的連管纏繞在蓄冷器外壁，由蓄冷器進行預(yù)冷，以減小由于熱氣直接進入二級熱端而引起的漏熱損失。為了減小輻射漏熱損失，二級的氣庫同時起到輻射屏的作用，防止室溫向二級冷頭直接輻射熱量。兩級的冷頭處都分別設(shè)有康銅加熱絲用以測量制冷機的制冷量。水冷溫度被設(shè)定為5℃。

圖1　脈沖管制冷機結(jié)構(gòu)圖

2　實驗結(jié)果與討論

制冷機的降溫曲線如圖2所示。在250 W輸入功率時，二級冷頭溫度在30 min之內(nèi)可以從300 K降到50 K，之后90 min可以到達最低溫度。由于一級冷頭需要對二級氣庫進行冷卻，所以一級冷頭需要更長的時間才能到達最終穩(wěn)定溫度。

圖2　制冷機的降溫曲線圖

在所測溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)后，分別對充氣壓力和工作頻率進行調(diào)節(jié)。

2.1頻率和壓力對制冷機性能影響

表1和圖3展示了運行頻率對制冷機的影響。從表1中可以看出，隨著運行頻率從28 Hz逐步降低到26.5 Hz的過程中，所測三處的溫度逐步降低。由于壓縮機運行頻率的降低，氣體的流動阻力也隨之降低，從而降低了工質(zhì)的流動損失，令制冷機性能得到優(yōu)化，在流動阻力降低的同時氣體與蓄冷器的換熱效果會降低，如果運行頻率進一步降低，則二級冷頭的最低溫度開始上升。

表1　充氣壓為2.25 MPa時各部分溫度隨運行頻率的變化

圖3　充氣壓力為2.2 MPa時運行頻率對最低溫度的影響圖

圖4表示了在運行頻率為26.5 Hz時，充氣壓力對無負荷制冷溫度的影響。在實驗范圍之內(nèi)，無負荷制冷溫度隨著充氣壓力的降低而單調(diào)降低?？紤]到壓縮機的設(shè)計工況，沒有對制冷機在更低充氣壓力下的性能進行測試。

圖4　運行頻率為26.5 Hz時充氣壓力對最低溫度的影響圖

2.2蓄冷器對制冷機性能影響

在運行頻率不變的情況下，充氣壓力的降低意味著質(zhì)量流量的降低，這使得蓄冷器可以將工質(zhì)氣體冷卻到更低的溫度。這意味著蓄冷器的體積比熱成為了阻礙無負荷制冷溫度進一步下降的瓶頸。根據(jù)文獻［8］，將蓄冷器中的不銹鋼絲網(wǎng)替換為具有較大體積比熱的稀土材料，如圖5所示，可以進一步提高制冷機的性能，所以將蓄冷器最冷端4.5 mm的蓄冷器由不銹鋼絲網(wǎng)更換為Er3Ni后，制冷機的無負荷制冷溫度上升為14.5 K。經(jīng)過測量，發(fā)現(xiàn)冷端為Er3Ni的蓄冷器阻力明顯大于純不銹鋼絲網(wǎng)蓄冷器，導致二級脈沖管內(nèi)壓比降低，從而使得制冷機的整體性能下降，如圖6所示。

圖5　各種蓄冷材料比熱曲線圖

圖6　蓄冷器阻力測量結(jié)果曲線圖

2.3制冷機在不同充氣壓力和溫度下的制冷量

圖7表示在1.7 MPa和2.4 MPa時，二級冷頭在不同溫度下的制冷量。從圖中可以看出，在較低的充氣壓力下，制冷機可以獲得更低的無負荷制冷溫度，但是在高于20 K時，較高的充氣壓力可以提供相對較高的制冷量。而表1給出，在充氣壓力1.7 MPa時，無負荷的最低溫度可低至13.5 K，說明蓄冷器填料的比熱較低，制約了制冷機性能的提升。

圖7　制冷機在不同溫度下的制冷量曲線圖

圖8為一級冷頭的制冷量和一級冷頭溫度對二級冷頭溫度的影響。圖中可以看出，在75 K時，一級冷頭可以提供1 W的制冷量，一級冷頭溫度從56 K上升至75 K，二級冷頭僅上升1.2 K。這意味著二級冷頭的最低溫度對一級冷頭溫度并不敏感，這為制冷機在不同溫區(qū)同時提供冷量提供了可能。

圖8　二級溫度隨一級溫度的變化曲線圖

由于在本結(jié)構(gòu)中，氣體需要穿過第一級和第二級蓄冷器之后才能夠到達第二級脈沖管，導致與壓縮機前腔相比，二級脈沖管內(nèi)部壓比明顯降低，使得制冷機的性能進一步提升受到限制，若采用更高壓比的壓縮機，可以進一步提升制冷機的整體性能。

3　結(jié)論

文章介紹了一臺新型的兩級氣耦合型脈沖管制冷機，制冷機僅使用不銹鋼絲網(wǎng)作為蓄冷材料，在250 W輸入功率時，無負荷制冷溫度可達到13.5 K，可以在30 K提供600 mW制冷量。該制冷機可以同時在不同溫區(qū)提供制冷量。由于在該制冷機中，二級蓄冷器中采用不銹鋼絲網(wǎng)為蓄冷材料，而不銹鋼在所工作溫區(qū)比熱明顯下降，二級脈沖管中壓比較小，所以如果采用高壓比壓縮機和高比熱的蓄冷材料，制冷機性能有望獲得進一步提升。

［1］Zhou Q，Chen L，Pan C，et al.Experimental Investigation on Regenerator Materials of Stirling-type Pulse-tube Refrigera?torWorkingat20 K［J］.PhysicsProcedia，2015，67：530-535.

［2］Yang L W，Thummes G.High frequency two-stage pulse tube cryocooler with base temperature below 20 K［J］.Cryogenics，2005，45（2）：155-159.

［3］Hu J Y，Luo E C，Li S F，et al.Heat-driven thermoacoustic?cryocooler operating at liquid hydrogen temperature with a uniquecoupler［J］.JournalofAppliedphysics，2008，103（10）：104906.

［4］Dietrich M，Thummes G.Two-stage high frequency pulse tube cooler for refrigeration at 25 K［J］.Cryogenics，2010，50（4）：281-286.

［5］Chen L，Zhou Q，Jin H，et al.386 mW/20 K single-stage Stir?ling-type pulse tube cryocooler［J］.Cryogenics，2013，57：195-199.

［6］任嘉，胡劍英，羅二倉，等.脈沖管制冷機調(diào)相機構(gòu)的研究第四部分：低溫下高效調(diào)相機構(gòu)的調(diào)相能力研究［C］//第九屆全國低溫工程大會論文集，2009.

［7］De Waele A.Finite heat-capacity effects in regenerators［J］. Cryogenics，2012，52（1）：1-7.

EXPERIMENTAL RESEARCH ON A 13.5 K GAS-COUPLED TWO-STAGE HIGH FREQUENCY PULSE TUBE CRYOCOOLER

ZHU Xiao-shuang1，3，ZHOU Qiang2，DAI Wei1，ZHU Wen-xiu1，ZHOU Yuan1，WANG Jun-jie1
（1.Key Laboratory of Cryogenics，Technical Institute of Physics and Chemistry，CAS，Beijing100190，China；2.Beijing Key Laboratory of Space Thermal Control Technology，Institute of Spacecraft System Engineering，ChinaAcademy of Space Technology，Beijing100049，China；3.University of ChineseAcademy of Sciences，Beijing100049，China）

High frequency pulse tube cryocoolers have been widely used in many fields like physics experimental research and aerospace，for no moving part in cold region，low vibration and long life.A gas-coupled two-stage high frequency pulse tube cryocooler with single compressor is introduced in this paper.In the first stage of the cryocooler，double-inlet and multi-bypass has been adopted as phase shifters.To get a better performance in phase shifting the reservoir and the inertance tube of the second stage has been located on the cold head of the first stage.A stream of gas has been introduced from the compression chamber to the hot end of the second stage as the double-inlet of the second stage，in order to shift the phase difference of the mass flow and the pressure wave.With the charge pressure of 1.7 MPa，input power of 250 W，the no-load temperature of 13.5 K and the cooling capacity of 0.6 W@30 K has been achieved.The experiment has been reported.

cryogenic；pulse tube cryocooler；Gas-coupled

TB651

A

1006-7086（2015）06-0330-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.06.005

2015-09-03

國家自然科學基金項目（No.51176198；No.51327806；No.51276188）

朱嘯爽（1990-），男，山東人，博士研究生，主要從事脈沖管制冷機研究工作。E-mail：zhxsupper@mail.ipc.ac.cn。