雙溫區(qū)雙冷指斯特林制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究

李勇，潘雁頻，張安，羅新奎，范超，馮天佑

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000）

雙溫區(qū)雙冷指斯特林制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究

李勇，潘雁頻，張安，羅新奎，范超，馮天佑

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000）

隨著空間探測(cè)任務(wù)多元化的發(fā)展，要求空間低溫系統(tǒng)能夠在多載荷多溫區(qū)提供不同冷量，以往的制冷機(jī)多以膨脹機(jī)串聯(lián)式來達(dá)到要求，耦合難度大。雙溫區(qū)雙冷指斯特林制冷機(jī)創(chuàng)新的采用一臺(tái)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)和兩臺(tái)并列膨脹機(jī)的新型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在95 K和150 K提供不同冷量的要求，相比于兩臺(tái)斯特林制冷機(jī)，減小了重量和功耗，增加了集成度，相比于串聯(lián)制冷機(jī)，減小了熱耦合難度，降低了復(fù)雜性，在空間制冷的需求日益復(fù)雜化的背景下，為制冷機(jī)的緊湊性和集成度的方向提供了新的思路。

斯特林制冷機(jī)；線性壓縮機(jī)；氣動(dòng)膨脹機(jī)；制冷量

0 引言

目前斯特林制冷機(jī)已被應(yīng)用于通訊、氣象、軍事、航空航天、低溫物理學(xué)、低溫電子學(xué)、低溫材料學(xué)、低溫醫(yī)學(xué)、低溫光學(xué)、生物工程、地球資源勘探、微觀粒子研究等高科技領(lǐng)域。其中斯特林制冷機(jī)在紅外探測(cè)器中的主要應(yīng)用是紅外預(yù)警和監(jiān)視、精確光電制導(dǎo)、紅外熱成像系統(tǒng)、紅外遙感技術(shù)。隨著新一代紅外探測(cè)器在現(xiàn)代熱成像、紅外探測(cè)、跟蹤、搜索系統(tǒng)中的應(yīng)用，使探測(cè)器的元數(shù)以量級(jí)增加，大幅提高了探測(cè)器的分辨率和靈敏度，對(duì)制冷機(jī)的制冷溫度、制冷量、工作壽命和可靠性等都提出更高的要求，因此星載斯特林制冷技術(shù)已成為我國(guó)遙感衛(wèi)星急需突破的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[1]。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

隨著空間探測(cè)任務(wù)多元化的發(fā)展，未來的空間任務(wù)需要更大的制冷量滿足焦平面和光學(xué)系統(tǒng)的需求，如35 K/5 W前級(jí)冷卻、20 W以上100 K光學(xué)系統(tǒng)冷卻、60 K/2 W前級(jí)冷卻、180 K/10 W等，要求空間低溫系統(tǒng)同時(shí)能夠滿足多載荷多溫區(qū)不同冷量的需求，空間低溫系統(tǒng)集成化、“總線化”，包括制冷機(jī)本體的集成和控制器的集成等，將降低空間低溫系統(tǒng)的復(fù)雜性、重量，提高系統(tǒng)的可靠性。具有多級(jí)制冷能力制冷機(jī)比使用多個(gè)制冷機(jī)具有更高的系統(tǒng)效率。同時(shí)，探測(cè)器、光學(xué)鏡頭和光學(xué)架等需求多負(fù)載制冷的制冷機(jī)系統(tǒng)將對(duì)單壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的集成技術(shù)有迫切的需求。

為滿足不同溫區(qū)、不同冷量的制冷要求，有報(bào)道的主要集成方式包括單壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)雙級(jí)斯特林膨脹機(jī)或脈管膨脹機(jī)、單壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)分置的斯特林脈管膨脹機(jī)[2]、單壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)分置單級(jí)脈管膨脹機(jī)+斯特林膨脹機(jī)。

多缸膨脹指的是一臺(tái)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)并聯(lián)的多個(gè)膨脹氣缸在相同溫位制冷的制冷機(jī)，菲利浦四缸空氣液化器是多缸膨脹機(jī)制冷應(yīng)用的一個(gè)典型實(shí)例，是一種具有四個(gè)并聯(lián)膨脹氣缸的整體式斯特林制冷機(jī)[3]。目前，國(guó)內(nèi)外并無單壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)分置式單級(jí)斯特林膨脹機(jī)在不同溫區(qū)制冷的先例?；谶@個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，針對(duì)雙溫區(qū)斯特林制冷機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，制冷機(jī)包括一臺(tái)壓縮機(jī)和兩臺(tái)膨脹機(jī)，壓縮機(jī)和膨脹機(jī)通過一個(gè)分置Y型管來連接[4]，如圖1所示。

圖1 一拖二制冷機(jī)內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 The structureof thenew style refrigerator1.永磁體；2.膨脹腔；3.壓縮腔；4.分置管；5.壓縮活塞；6.板彈簧

2 實(shí)驗(yàn)方法

開始實(shí)驗(yàn)之前需要對(duì)試驗(yàn)各部分系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試準(zhǔn)備，具體操作如下。

2.1 制冷機(jī)真空系統(tǒng)

為滿足絕熱要求，在冷頭外面包有真空多層滌綸鍍鋁薄膜，整個(gè)膨脹機(jī)裝于真空杜瓦內(nèi)，外部連接抽真空管道，被啟動(dòng)后用前級(jí)機(jī)械泵的分子泵連續(xù)的抽真空，以維持膨脹機(jī)外部的真空環(huán)境。外部風(fēng)扇風(fēng)冷，形成強(qiáng)制空氣對(duì)流散熱。

對(duì)真空絕熱系統(tǒng)抽真空，要求其真空度可以達(dá)到10-5Pa。在測(cè)試時(shí)將真空分子泵與系統(tǒng)真空罩抽氣孔連接，先打開機(jī)械泵進(jìn)行抽真空，用復(fù)合真空計(jì)對(duì)真空度進(jìn)行觀察。當(dāng)系統(tǒng)的真空度為1～10 Pa時(shí)，即可啟動(dòng)分子泵，同時(shí)觀察讀數(shù)，直至達(dá)到所需要的10-5Pa真空度。整個(gè)過程中，真空度應(yīng)該呈現(xiàn)整體下降的趨勢(shì)，如果過程中真空度出現(xiàn)異常的浮動(dòng)，說明有地方泄漏，要重新進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。

2.2 制冷機(jī)測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)由溫度測(cè)量、制冷量測(cè)量以及真空度測(cè)量組成。其中溫度測(cè)量采用鉑電阻溫度計(jì)PT100，在溫度計(jì)上涂抹真空硅脂增強(qiáng)導(dǎo)熱。溫度計(jì)的引線為四線制，這樣可以使引線的電阻影響很小，測(cè)量精度高，適用于精密測(cè)量。制冷量一般采用熱平衡法進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于熱接觸良好的系統(tǒng)，當(dāng)制冷機(jī)冷頭產(chǎn)生的冷量和加熱器產(chǎn)生的熱量相互抵消時(shí)，系統(tǒng)就處于熱平衡狀態(tài)，這樣可以通過計(jì)算加熱量來獲得制冷機(jī)冷頭的制冷量。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)

實(shí)驗(yàn)的開機(jī)步驟和需要注意的事項(xiàng)：

（1）氣體置換：在開機(jī)之前，需要將制冷機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行氣體置換。具體做法是先將斯特林制冷機(jī)的內(nèi)部抽成真空，而后充入0.2 MPa的氦氣，保持大約15 min，使氦氣充分?jǐn)U散并與吸附在制冷機(jī)內(nèi)部表面的其他氣體充分置換。再進(jìn)行大約30 min的抽真空。然后重復(fù)上述步驟2～3次，氣體置換過程結(jié)束；

（2）充氣：充入實(shí)驗(yàn)所需的氦氣。在充注氣體時(shí)，閥門開度要盡量小，使氣體緩慢進(jìn)入壓縮機(jī)。這是因?yàn)閴嚎s機(jī)氣缸之前處于抽真空狀態(tài)，壓力較低，氣體通過很小的密封間隙進(jìn)入，充入壓力變化過大時(shí)，容易使活塞受力不平衡，可能造成壓縮機(jī)的損壞；

（3）打開溫度和冷量測(cè)量測(cè)量系統(tǒng)，同時(shí)打開外部風(fēng)扇開關(guān)，加強(qiáng)散熱；

（4）對(duì)真空絕熱系統(tǒng)進(jìn)行抽真空。啟動(dòng)機(jī)械泵，達(dá)到1～10 Pa時(shí)可啟動(dòng)分子泵，直至真空系統(tǒng)達(dá)到10-5Pa的真空度；

（5）啟動(dòng)壓縮機(jī)輸入變頻電源。在啟動(dòng)之前，要將電壓旋鈕調(diào)至最小。調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)所需的輸入功率和頻率。壓縮機(jī)功率不是直接加到220 W，而是從50 W開始每隔1 min增加50 W以內(nèi)的功率，逐步增加到220 W，讓制冷機(jī)慢慢適應(yīng)，避免啟動(dòng)過快以致撞缸、摩擦、磨損等不必要的麻煩。另外在調(diào)節(jié)頻率過程中，要盡快跳過板彈簧的共振頻率，以免對(duì)板彈簧造成損壞。

3 實(shí)驗(yàn)分析

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖2所示，其中外部有3臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，加強(qiáng)空氣對(duì)流散熱。

3.1 95 K膨脹機(jī)調(diào)試試驗(yàn)

試驗(yàn)總參數(shù)：輸入功率110 W，充氣壓力2.5 MPa，在輸入功率為110 W，冷腔初始溫度294 K，經(jīng)過13 min降溫，達(dá)到最低制冷溫度41.6 K，如圖3所示，制冷量為@95 K/1.90 W。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.2 The principle of the experimentalsystem

圖3 95 K膨脹機(jī)降溫曲線Fig.3 The cooling cuurve of95 K expander

圖4按實(shí)際最佳工作頻率由小到大變化，最低制冷溫度先降低后增大，且在工作頻率為52 Hz的時(shí)候，取得41.6 K的最低制冷溫度，并且在此工況下也獲得了1.9 W的最大制冷量，最低制冷溫度和最大制冷量高度統(tǒng)一。

3.2 150 K膨脹機(jī)調(diào)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)配重塊質(zhì)量和板彈簧剛度調(diào)節(jié)膨脹機(jī)固有頻率。在輸入功率125 W，充氣壓力均為2.5 MPa，工作頻率為47 Hz時(shí)，初始溫度293.8 K，降低到最低溫度用時(shí)14 min，如圖5所示，獲得的最大制冷量為@150 K/10.098 W。工作頻率在47 Hz得到最大制冷量，且最低制冷溫度也在此頻率下得到，如圖6所示，此時(shí)膨脹機(jī)的固有頻率等于工作頻率，形成共振，制冷效果達(dá)到最佳。由圖7、圖8看出，大部分試驗(yàn)中，最佳工作頻率近似等于膨脹機(jī)的固有頻率，理論分析和實(shí)驗(yàn)部分較為吻合。

圖4 95 K膨脹機(jī)最佳工作頻率與最低溫度的關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between frequency and temperature of 95 K expander

圖5 150 K膨脹機(jī)降溫曲線Fig.5 The cooling cuurveof 150 K expander

圖6 150 K膨脹機(jī)實(shí)際工作頻率與最低溫度關(guān)系曲線Fig.6 The relationship between frequency and temperatureof 150 K expander

圖7 150 K膨脹機(jī)理論工作頻率與冷量關(guān)系曲線Fig.7 The relationship between frequency and temperature of 150 K expander

3.3 聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)

隨聯(lián)管長(zhǎng)度的增加，氣體彈簧剛度和壓縮機(jī)固有頻率均減小。并且連管內(nèi)工質(zhì)的流阻損失隨著管長(zhǎng)的增加而增加，故而在滿足基本的連接尺寸的基礎(chǔ)上，Y形管要盡量的減小長(zhǎng)度和空容積。充氣壓力為2.5 MPa，輸入功率為220 W，調(diào)節(jié)兩膨脹機(jī)的固有頻率均為52 Hz。實(shí)驗(yàn)中調(diào)試不同充氣壓力，得到的兩膨脹的降溫曲線分別如圖9和圖10所示。

圖8 150 K膨脹機(jī)實(shí)際工作頻率與冷量關(guān)系曲線Fig.8 The relationship between frequency and temperature of 150 K expander

圖9 不同充氣壓力下150 K膨脹機(jī)降溫曲線Fig.9 The cooling curve of150 K expanderunderdifferent pressure

圖10 不同充氣壓力下95 K膨脹機(jī)降溫曲線Fig.10 The cooling curve of 95 K expanderunderdifferent pressure

隨著充氣壓力的增大，膨脹機(jī)冷頭的降溫速度明顯加快，且最低制冷溫度分別為75.9 K、61.7 K和62.4 K。95 K膨脹機(jī)在不同充氣壓力下的最低制冷溫度分別67.4 K、60.6 K和62.4 K。其中充氣壓力為3.5 MPa時(shí)降溫速度最快，150 K膨脹機(jī)在12 min后就降低到了63.5 K，剩余時(shí)間只降低了約1 K的溫度；95 K膨脹機(jī)在12 min就降低到66.4 K，剩余時(shí)間僅降低4 K。

并且在3.5 MPa充氣壓力下，在15 min時(shí)，兩膨脹機(jī)均降低到63 K；19 min時(shí)均降低到了最低溫度62.4 K。因兩膨脹機(jī)通過Y型連管與壓縮機(jī)相連，兩膨脹腔內(nèi)的膨脹過程是在相同壓力下同時(shí)發(fā)生的，因而產(chǎn)生同溫位制冷。

圖11為在壓縮機(jī)工作頻率均為46 Hz，其余工況全部一致，充氣壓力分別為2.5 MPa、3.0 MPa、3.5 MPa下兩膨脹機(jī)的制冷量，隨著充氣壓力的提高，制冷量明顯增大。

圖11 46 Hz下不同充氣壓力制冷量曲線Fig.11 The refrigeration atdifferentpressure

圖12輸入功率220 W，充氣壓力3.5 MPa，其他工況相同的情況下，隨著工作頻率的改變，制冷機(jī)在46 Hz時(shí)有著最大的制冷量。一般較高的工作頻率意味著較大的制冷量，而聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)最佳工作頻率小于固有頻率52 Hz，這是因?yàn)閮蓚€(gè)膨脹機(jī)并聯(lián)，與壓縮機(jī)的相位差相互影響，且各靜壓損失和動(dòng)壓損失也為兩膨脹機(jī)的損失相加，所以實(shí)驗(yàn)最佳工作頻率必然低于兩膨脹機(jī)的固有頻率。其中靜壓損失包括對(duì)流和導(dǎo)熱損失、熱輻射損失和接觸面損失；動(dòng)壓損失包括穿梭損失、空容積損失、流體壓降損失、機(jī)械摩擦損失等。

雙溫區(qū)雙冷指制冷機(jī)聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)調(diào)試中，需要多個(gè)參數(shù)的耦合調(diào)試，過程較為復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)后，顯然制冷機(jī)冷量較單機(jī)有大幅下降，這說明實(shí)驗(yàn)調(diào)試還未找到兩膨脹機(jī)的最佳適配參數(shù)，部分器件由于加工精度、裝配等問題導(dǎo)致的漏熱損失遠(yuǎn)大于估計(jì)值，故聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)還需要進(jìn)一步的調(diào)試。且95 K膨脹機(jī)的性能較150 K膨脹機(jī)下降較大，所以在頻率調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)使工作頻率更傾向于95 K膨脹機(jī)的固有頻率。同時(shí)在Y形連管的設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮減小95 K膨脹機(jī)連管的流動(dòng)阻力，加粗其管徑。

圖12 3.5 MPa不同工作頻率的制冷量曲線Fig.12 The refrigeration atdifferent ferquency

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

對(duì)“一拖二”形式的斯特林制冷機(jī)進(jìn)行預(yù)先實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了不同溫位的制冷。由于分置氣動(dòng)的雙溫區(qū)雙冷指制冷機(jī)理論基礎(chǔ)較為薄弱，工質(zhì)通過管道、回?zé)崞鳌⒂嗫p容積等會(huì)有較大的壓力損失和換熱損失，另外兩膨脹機(jī)同頻率制冷下的耦合調(diào)節(jié)較為困難，這都增加了實(shí)驗(yàn)的難度。并且，聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)壳暗淖顑?yōu)實(shí)驗(yàn)效果是充氣壓力為3.5 MPa，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率47 Hz，輸入220 W的功率時(shí)，兩膨脹機(jī)分別達(dá)到1.4 W@95 K和7.83 W@150 K的制冷量。盡管這種集成結(jié)構(gòu)的制冷機(jī)沒有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，并聯(lián)式多膨脹機(jī)斯特林制冷機(jī)具有較強(qiáng)的實(shí)用應(yīng)用價(jià)值，并為制冷機(jī)集成方式提供新的參考思路，以后甚至可能實(shí)現(xiàn)分置式“一拖多”等新型集成結(jié)構(gòu)的斯特林制冷機(jī)。

[1]朱建炳，潘雁頻.星載斯特林制冷機(jī)技術(shù)研究發(fā)展[J].真空與低溫，2005，10（3）：131-138.

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[3]陳國(guó)邦，湯坷.小型低溫制冷機(jī)原理[M].北京：科學(xué)出版社，2010：120-121.

[4]呂文杰，霍英杰，朱建炳，等.雙溫區(qū)雙冷指斯特林制冷機(jī)連管的設(shè)計(jì)[J].真空與低溫，2015，21（4）：241-245.

THE EXPERIMENTAL STUDY ON THE STIRLING TYPECRYOCOOLERW ITH TWO COLD FINGER REFRIGERATING AT DIFFERENT TEMPERATURE

LIYong，PANYan-pin，ZHANG An，LUO Xin-kui，F(xiàn)AN Chao，F(xiàn)ENG Tian-you
（Scienceand Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

With the development of diversification of the spacem issions，cryogenic system is required to provide different refrigeration capacity at different temperature.To meet the requirement，we alwaysmade expanders in series，which was difficult in coupling.In this paper，we innovatively use a single compressor to drive two parallel expanders to implement the requirementof providing different refrigeration capacity at95 K and 150 K.Compared to using two refrigerators，it reduces the weight and power，increases the level of integration.Compared to the tandem structure，it reduces the heat coupling difficulty and complexity.While the background of the space refrigeration requirement becom ingmore andmore complicated，this kind of refrigeration structure providesa new train of thought for the compactnessand integration of refrigerators.

stirling type cryocooler；linear compressor；airoperated expander；refrigeration

TB651+.5

A

1006-7086（2017）03-0163-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.03.008

2016-12-26

李勇（1991-），男，陜西商洛人，碩士研究生，主要從事空間制冷技術(shù)研究。E-mail：443434529@qq.com。