低振動大冷量氣動斯特林制冷機的設(shè)計與試驗研究

李 娜 蔣珍華 蔡 詩

(1中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083)

(2上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 上海 200093)

1 引言

氣動斯特林制冷機又稱自由活塞式斯特林制冷機(FPSC)，其特點是膨脹機采用氣體驅(qū)動。自由活塞斯特林制冷機具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、重量輕、運動部件少等優(yōu)點，在輕量化方面具有明顯優(yōu)勢。然而隨著冷量增加，氣動膨脹機排出器質(zhì)量增大，導(dǎo)致冷指振顫力過大，限制了其在紅外探測器領(lǐng)域的應(yīng)用。為了滿足紅外焦平面探測器使用需要，實現(xiàn)大冷量輕量化氣動斯特林制冷機的空間應(yīng)用，迫切地需要研制低振動、輕量化的空間大冷量制冷機。本文開展了低振動大冷量氣動膨脹機的設(shè)計工作，并給出了原理樣機的試驗結(jié)果。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前國外生產(chǎn)大冷量氣動斯特林制冷機產(chǎn)品的公司主要有:以色列 RICOR、法國Thales、美國 SUNPOWER，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，表1中是這幾家公司的產(chǎn)品對比［1-3］，這幾款制冷機由于冷量大，膨脹機動子質(zhì)量大，導(dǎo)致冷指振動力均較大，無法直接應(yīng)用于紅外焦平面探測器制冷。

表1 國內(nèi)外大冷量氣動制冷機性能Table 1 Performance of high capacity pneumatically driven split-Stirlingcryocooler in China and foreign countries

3 制冷機結(jié)構(gòu)設(shè)計

低振動大冷量氣動斯特林制冷機由一臺線性動磁壓縮機驅(qū)動氣動膨脹機，壓縮機部分采用中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研發(fā)的動磁壓縮機，膨脹機部分采用新結(jié)構(gòu)的氣動膨脹機將在文中詳細介紹。

減小膨脹機振動有3種方法。一是增加主動減振裝置［4］，二是增加被動減振裝置［5］，第三是通過減小動子質(zhì)量達到減小膨脹機振動的目的。主動減振這一減振手段在牛津型斯特林制冷機中廣泛使用，但主動減振裝置使膨脹機的結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，增加了整機重量，違背了輕量化的初衷;被動減振的方法在SUNPOWER的氣動制冷機中使用，但減振效果有限，其同樣增加了整機重量;本文從減小動子質(zhì)量方面出發(fā)，設(shè)計一種低振動的大冷量氣動膨脹機。傳統(tǒng)的氣動膨脹機采取的是蓄冷器與排出器集成的方式，見圖1，金屬絲網(wǎng)填料填置在排出器的空心殼體內(nèi)，與排出器一起做往復(fù)運動，使得動子質(zhì)量大，振動力大。本項目擬采用蓄冷器與排出器分置的方式，將蓄冷器絲網(wǎng)填料置于排出器外側(cè)成環(huán)形布置，使得排出器成為一個空心的殼體，見圖2，這種結(jié)構(gòu)將大大減小排出器的質(zhì)量，有效地降低冷指振動。

4 結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)設(shè)計

4.1 蓄冷器設(shè)計

圖1 蓄冷器與排出器集成的氣動膨脹機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of a pneumatically expander with integrated displacer and regenerator

圖2 采用環(huán)形蓄冷器的氣動膨脹機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of a pneumatically expander with a ring form regenerator

研究設(shè)計目標是在80 K時有6 W的制冷量，參照上海技術(shù)物理研究所已研制的80 K@6 W氣動分置式斯特林制冷機，選定了蓄冷器的截面積，對于80 K溫區(qū)，選用200目不銹鋼絲網(wǎng)填料，然后使用制冷機一維數(shù)值模擬軟件計算合適的蓄冷器長度。圖3是不同充氣壓力下冷量隨蓄冷器長度的變化曲線，可見冷量隨著蓄冷器長度的增加先呈增加趨勢，當蓄冷器長度增加到一定程度，冷量的增大趨勢變緩，蓄冷器長度繼續(xù)增加，冷量開始下降。蓄冷器長度并非越長越好，這是因為隨著氦氣在蓄冷器長度方向溫度的降低，氦氣的熱滲透深度降低，因此蓄冷器長度過長，氦氣與填料的換熱效率反而下降。由圖3可見，蓄冷器長度在65ˉ70 mm時，各充氣壓力下制冷量均最優(yōu)，本文選取蓄冷器填料長度65 mm。

4.2 彈簧剛度

膨脹機為自由活塞式，膨脹機與壓縮機的相位調(diào)節(jié)依靠調(diào)整膨脹機彈簧剛度進行，圖4是在選定的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，對膨脹機彈簧剛度進行優(yōu)化的結(jié)果，可見，對于給定結(jié)構(gòu)尺寸的蓄冷器，改變充氣壓力，其最優(yōu)彈簧剛度基本不變，對于本研究設(shè)計的蓄冷器，最優(yōu)彈簧剛度約在2 800 N/m。

圖3 制冷量隨蓄冷器長度的變化Fig.3 Capacity and COP vs.length of regenerator

圖4 不同充氣壓力下冷量、COP隨彈簧剛度的變化Fig.4 Capacity and COP vs.spring stiffness under different charging pressure

4.3 熱力參數(shù)優(yōu)化

在選定的蓄冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)和膨脹機彈簧剛度下，對整機的運行參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

4.3.1 充氣壓力

圖5為制冷量與COP隨充氣壓力的變化曲線，該COP為SAGE軟件計算冷量與壓縮機出口PV功的比值。可見，充氣壓力越大，冷量越大。但是如果為了獲得大冷量，一味提高充氣壓力，可能會造成壓縮機氣體彈簧剛度Kgas大幅增加，根據(jù)頻率計算公式，充氣壓力過大會導(dǎo)致壓縮機工作頻率大幅上升，使得壓縮機偏離其機械共振頻率，因而壓縮機效率降低，整機效率隨之降低;并且過大的充氣壓力對制冷機制作密封工藝的要求會大幅增加。

圖5 冷量和COP隨充氣壓力的變化Fig.5 Capacity and COP vs.charging pressure

圖6為不同充氣壓力下，制冷量與壓縮機行程的關(guān)系，壓縮機行程越大，制冷量越大，為了保證制冷機壽命，不希望其長期在滿行程下工作，通常希望額定冷量在壓縮機80%行程時產(chǎn)生，對于壓縮機，80%行程約為10 mm，為了在10 mm行程下能獲得80 K@6 W的冷量，需要充氣壓力達到3.2 MPa以上。綜合以上分析，需要在3.2 MPa附近通過試驗獲得合適的充氣壓力。

圖6 不同充氣壓力下制冷量隨壓縮機行程的變化Fig.6 Capacity and COP vs.displacement of compressor under different charging pressure

4.3.2 運行頻率

圖7為不同充氣壓力下，膨脹機效率隨運行頻率的變化，可見，對于該款膨脹機來說，最佳運行頻率在48ˉ50 Hz。

5 樣機試驗

5.1 制冷性能測試

圖7 不同充氣壓力下膨脹機效率隨運行頻率的變化Fig.7 Efficiency of expander vs.operation frequency under different charging pressure

對設(shè)計制作的樣機開展性能測試，圖8為該樣機的實物照片。圖9為試驗獲得的不同充氣壓力下膨脹機、整機效率與頻率的關(guān)系，可見該膨脹機效率較優(yōu)的范圍在各充氣壓力下均為46ˉ48 Hz，試驗結(jié)果較Sage模擬的最優(yōu)頻率48ˉ50 Hz略低。而整機效率較優(yōu)的頻率受充氣壓力影響較大，這是因為整機效率受到壓縮機效率的影響，見圖10，充氣壓力越大，壓縮機最優(yōu)效率對應(yīng)的頻率越高，因而充氣壓力越大，整機最優(yōu)效率對應(yīng)的頻率也越高，即整機最優(yōu)運行頻率越高。

圖8 低振動大冷量氣動斯特林制冷機實物圖Fig.8 Picture of low vibration pneumatically driven Stirling-cycle cryocooler

選取了整機效率較優(yōu)的3.0 MPa為充氣壓力，運行頻率44 Hz，進行了80 K溫區(qū)的性能試驗，圖11為樣機在80 K時的性能曲線，該樣機在123 W電功輸入下課獲得80 K@6 W的制冷量，比卡諾效率達到13.4%，此時壓縮機效率約73%。

圖9 不同充氣壓力下膨脹機和整機效率隨頻率的變化Fig.9 Efficiency of expander and cryocooler vs.operationfrequency under different charging pressure

圖10 不同充氣壓力下壓縮機效率隨頻率的變化Fig.10 Efficiency of compressor vs.operation frequency under different charging pressure

圖11 80 K制冷溫度下樣機試驗性能曲線Fig.11 Performance map of cooling power vs.input power at 80 K

5.2 冷指振顫力測試

低振動大冷量氣動膨脹機采用環(huán)形蓄冷器與排出器分離的方式，相比傳統(tǒng)氣動膨脹機，冷指振動可大大減小，實現(xiàn)大冷量氣動制冷機的工程實用化。本項目采用蓄冷器與排出器分置的方案，在同等蓄冷能力下，將活塞質(zhì)量從60 g減少到19 g，對樣機進行冷指振顫力測試，測試結(jié)果見圖11，可見，在123 W功耗即80 K@6 W冷量時，制冷機振動最大的軸向振動力僅2.35 N，而傳統(tǒng)蓄冷器和排出器一體結(jié)構(gòu)的氣動膨脹機在80 K@6 W時軸向振動力超過6 N，此設(shè)計有效減小了大冷量氣動膨脹機的冷指振動。

圖11 冷頭振顫力測試Fig.11 Vibration test of cold finger

6 結(jié)論

基于制冷機一維數(shù)值模擬軟件，設(shè)計并制造了一臺低振動大冷量氣動膨脹機，該膨脹機在動磁線性壓縮機驅(qū)動下，可達到設(shè)計冷量80 K@6 W，驅(qū)動交流電功為123 W，比卡諾效率13.4%，該性能下冷指振動僅為2.35 N;最大冷量可達80 K@8.8 W。

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