单台脉冲管制冷机多温区供冷的实验研究

张 斌 李建国 蔡京辉

(1中国科学院理化技术研究所 北京 100190)

(2中国科学院大学 北京 100049)

单台脉冲管制冷机多温区供冷的实验研究

张 斌1，2李建国1蔡京辉1

(1中国科学院理化技术研究所 北京 100190)

(2中国科学院大学 北京 100049)

为达到单台制冷机提供多温区冷量的目的，提出了从脉管冷端和回热器同时取冷的构想并进行了相关实验研究。使用柔性带传导从回热器取出的热量以增强热沉布置的灵活性，计算得出其导热热阻为2 K/W。在不同压缩机输入功率下，实验得到了冷端和回热器的供冷性能曲线图。在压缩机功率达到110 W时，冷端可以在100.5 K提供5 W的冷量，跟回热器相连的热沉可以在147.5 K提供3 W的冷量。

脉管制冷机 回热器 多温区

1 引言

作为斯特林型低温制冷机的一种改进形式，脉冲管制冷机具有冷端无运动部件、结构简单、长寿命和电磁干扰小等优点。经过几十年的发展，脉冲管制冷机的最低制冷温度和制冷效率已经达到或接近斯特林制冷机的水平，在地面和宇宙空间都有广泛的应用前景，正逐步发展为新一代的小型低温制冷机［1］。

随着新器件的开发，在脉冲管制冷机的实际应用研究中，经常面临多个温区制冷量的需求，这就对低温制冷系统的设计提出了更高的要求［2］。为此可以考虑的解决方法主要有:(1)使用多台脉冲管制冷机。这种方法最直接，但无疑会增大系统的体积和重量，且效率较低。(2)多冷指脉冲管制冷机结构［3］。这种方案结构较紧凑，但存在压缩机和多冷指的匹配问题。(3)单台脉冲管制冷机多温区供冷。该方案分别从脉冲管制冷机回热器中部和冷端提取一部分制冷量，从而达到多温区供冷的目的，结构比前两种方案更加简单，本研究即根据此方案开展。

2 实验方案

作为一种回热式低温制冷机，脉冲管制冷机主要采用具有一定目数的丝网作为蓄冷材料，它的主要作用是储存交变流动过程中产生的冷量，从而使制冷温度降低。因此，在工作状态下，回热器沿轴向具有一定的温度梯度，从冷端到热端温度逐渐升高［4-5］。根据脉冲管和回热器布置方式的不同，脉冲管制冷机主要分为同轴型、U型和直线型3种。其中同轴型结构将脉冲管布置在回热器内部，蓄冷材料与冷指直接接触，有利于通过冷指从回热器获取冷量［6］，此外，同轴型结构冷头布置在冷指端部，便于同被冷却器件耦合。因此，选择同轴型脉冲管制冷机作为实验用机。图1为同轴型脉冲管制冷机结构图。

图1 同轴型脉冲管制冷机Fig.1 Coaxial pulse tube cryocooler

实验方案设计如图2所示。为了获取两个温区的冷量，选择了两个取温点，一个在制冷机的冷端，采用直接紧贴耦合的方式布置模拟负载1。另一个取温点选在冷指上，距脉管热端法兰的距离为x，整个冷指的长度设为L。由于冷指呈圆柱状，为便于取冷，设计一个紫铜套环卡箍在冷指上，然后通过柔性带连接套环和热沉，由热沉同模拟负载2紧贴耦合。

图2 实验原理图Fig.2 Schematic diagram of experiment

采用柔性带连接的方式可以灵活布置热沉的位置，方便和被冷却器件耦合，但也使传热过程更复杂，因此柔性带的传热特性对冷量的有效利用至关重要。柔性带的组成单元为矩形结构的紫铜薄片，l为其长度，m;d为宽度，m;δ为厚度，mm;λ为紫铜导热系数，W/(m·K);则单片薄片的热阻(K/W)为:

为了强化导热效果，增强柔性带的坚固性，一般采用将N片紫铜薄片压叠在一起的结构，则整个柔性带的导热热阻(K/W)为:

实验中所用的柔性带参数包括，紫铜薄片片数N为50，薄片长度 0.08 m，宽度 0.02 m，厚度为0.1 mm，紫铜的导热系数取为401 W/(m·K)，带入公式(2)可得柔性带的导热热阻为2 K/W。

3 实验结果及分析

3.1 制冷机性能测试

脉冲管制冷机的主要组成部件包括压缩机、回热器、脉冲管和调相机构。压缩机输出PV功使工质气体在制冷机内形成交变流动，从而在回热器和脉冲管的交界处产生制冷效应。对于同轴型结构来说，最低制冷温度发生在冷指末端即冷端处，因此冷端最低温度和对负载的响应是制冷机性能的重要指标。本实验所用压缩机活塞直径19 mm，冷指直径20 mm，充气压力3.8 MPa，工作频率50 Hz。只启用冷端模拟负载1时，制冷机性能测试结果如图3所示。

实验分别测试了在压缩机输入功率为60、80、110 W时的制冷机性能，相应的无负载最低制冷温度分别为48、45.5、43 K。从图中可以看出，随着负载的增大，冷端制冷温度近似线性升高，曲线斜率即为负载每增加1 W时的冷端温度温升值。随着压缩机输入功率的增加，斜率逐渐变小，表示单位制冷量的温升值越小，制冷机制冷能力越强，在压缩机输入功率为 60、80、110 W 时，斜率值分别为 11.9、9.8、8.1 K/W。

3.2 冷端和回热器同时取冷

回热器内存在较高的温度梯度，从热端到冷端温度逐渐降低，并在冷头处达到最低温度。因此，紫铜套环在冷指上的位置决定了热沉的供冷温度，本实验主要测试了套环离脉管热端距离为x=3L/4处时，制冷机冷端和热沉的供冷性能，其它实验条件同3.1。

图4为压缩机输入功率60 W时，冷端和热沉供冷性能曲线图。其中，冷端热负载1分别设定为0、1、3、5 W，热沉负载2分别为0、1、2、3 W。由于负载 2直接与热沉耦合，因此在负载1不变时负载2的增加必然会导致热沉温度的升高，升高值代表了该工况下回热器的供冷能力。此外，负载2的存在相当于减弱了蓄冷器的蓄冷能力，从而使冷端的温度也有所升高。从图中可以看出，在负载1和负载2都为0时，冷端和热沉达到最低制冷温度，分别为48 K和68 K;负载1为5 W，负载2为3 W时，冷端和热沉的制冷温度达到最大值，分别为138.6 K和185.5 K。

图5为压缩机输入功率80 W时，冷端和热沉供冷性能曲线图。在负载1和负载2都为0时，冷端和热沉的制冷温度有所降低，分别为45.5 K和60 K。负载1为5 W，负载2为3 W时，冷端和热沉的制冷温度为119.5 K和166.5 K。

图4 热沉和冷端供冷性能图(输入电功率60 W)Fig.4 Performance of the heat sink and the cold end(input electric power 60 W)

图5 热沉和冷端供冷性能图(输入电功率80 W)Fig.5 Performance of the heat sink and the cold end(input electric power 80 W)

图6为压缩机输入功率110 W时，冷端和热沉供冷性能曲线图。在负载1和负载2都为0时，冷端和热沉的制冷温度进一步降低，分别为43 K和62 K。负载1为5 W，负载2为3 W时，冷端和热沉的制冷温度为100.5 K和147.5 K。

从实验结果可以看出，热沉和脉管冷端可以在两个不同温区同时提供一定制冷量，从而满足各种器件对多温区制冷量的需求。对比以上实验结果可以发现，在不同压缩机输入功率下，冷端和热沉供冷的温度范围不同。在一定负载条件下，随着压缩机输入功率的增加，冷端和热沉的制冷温度降低，表明冷量的品位有了提高，但相应的制冷系数会有所降低。在实际应用中，需根据制冷温度的需求，调整压缩机输入功率。

图6 热沉和冷端供冷性能图(输入电功率110 W)Fig.6 Performance of the heat sink and the cold end(input electric power 110 W)

4 结论

(1)针对多温区制冷的需求，分析了可供参考的各种方案。利用脉冲管制冷机回热器的蓄冷能力和温度梯度的存在，可以从中获取一定的冷量，从而实现单台脉冲管制冷机多温区供冷的目的。

(2)选择同轴型脉冲管制冷机作为实验用机，以便于和负载耦合。设计了从回热器获取冷量的实验方案，使用柔性带作为导热工具以增加热沉布置的灵活性。

(3)进行了从脉冲管制冷机冷端和回热器同时取冷的实验研究。冷端热负载1分别设定为0、1、3、5 W，热沉负载2分别为0、1、2、3 W。随着压缩机输入功率的增加，冷端和热沉的制冷温度降低，表明冷量的品位有了提高。在压缩机输入功率达到110 W时，冷端可以在100.5 K提供5 W的冷量，跟回热器相连的热沉可以在147.5 K提供3 W的冷量。

1 陈国邦，汤 珂.小型低温制冷机原理［M］.北京:科学出版社，2010.

2 R G Ross Jr，R F Boyle.NASA Space Cryocooler Programs-An overview［C］.Cryocoolers 12，New York:2003.1-8.

3 Chang Xinjie，Yang Luwei，Liang Jingtao.Research of two separated pulse tube cold heads driven by a single compressor［C］.cryocooler 15，Boulder，CO:2009.201-208.

4 Ray Radebaugh.Pulse tube cryocoolers for cooling infrared sensors［C］.Proceedings of SPIE，2000，4130:363-379.

5 孙卫佳，梁惊涛.脉冲管制冷机蓄冷器中交变流动过程理论分析［J］. 低温工程，2000，113(1):36-42.

6 高成名，何雅玲，陈钟颀.脉管制冷机结构、理论及实用化等方面的进展［J］. 低温与超导，2001，29(2):12-20.

Experimental study of a pulse tube cryocooler supplying cooling power at multi-temperature levels

Zhang Bin1，2Li Jianguo1Cai Jinghui1

(1Technical Institute of Physics and Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)
(2University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

To achieve the goal of supplying cooling power at multi-temperature levels，the assumption of obtaining cooling power simultaneously from the cold end and regenerator of a pulse tube cryocooler was proposed and experiments were done.Soft belt which could increase the flexibility of the heat sink was used to conduct the cooling power from the regenerator.The thermal resistance of the soft belt was about 2 K/W by calculation.With different input power of compressor，the curves of performance of cold end and regenerator were attained by experiment.With an input electric power of 110 W，the cold end could supply 5 W cooling power at 100.5 K while the heat sink connected with the regenerator could supply 3 W cooling power at 147.5 K.

pulse tube cryocooler;regenerator;multi-temperature levels

TB651

A

1000-6516(2013)05-0016-04

2013-06-28;

2013-10-04

张 斌，男，27岁，博士研究生。