中温区高频斯特林型脉管制冷机研究

李宜轩，陈 曦，武 飞，邵 帅

（上海理工大学能源与动力工程学院 制冷与低温技术研究所，上海 200093）

0 引言

由于冷端无运动部件，脉管制冷机具有振动小、寿命长及可靠性高等优点[1-2]，在红外探测[3]，气体液化[4-5]以及超导技术[6-7]等领域得到广泛应用。脉管制冷机在中高温区领域也有重要的应用价值，如用于生物医学低温冰箱等。

荀玉强等[8]实验研究了1台同轴型高频脉管制冷机在170 K温区的性能，用于冷却电子设备。对比分析了冷端采用不同绝热形式时制冷机的输入功的变化情况。实验表明当绝热良好时，在25 W的输入功下，制冷机冷端即可达到-100℃，而在无绝热条件下，则需要60 W左右的输入功。为中温区小冷量冷却的电子设备提供了方向。

上海理工大学曹永刚等[9]和上海技物所合作对用于空间低温冰箱的斯特林型脉管制冷机进行了实验研究。实验表明，冷端温度为183 K，输入功150 W，直线型结构可获得32.7 W的冷量，而同轴型结构性能稍差为22.4 W，最高COP可达21.8%。随后，刘少帅等[10]通过实验分别测试了直线和同轴结构在170 K温区时的性能，实验表明在170 K产生20 W冷量，直线型输入功需要105 W，而同轴型则需要140 W，最大COP可达19.05%，通过该研究可以看出脉管制冷机在中温区具有发展前景。2015年，海尔特种电气有限公司陈海涛等[11]和上海理工大学制冷与低温工程研究所合作研制了1台工作温度可达187 K的低温冰箱。这给低温冰箱的研制以及中高温区脉管制冷机的应用方面提供了借鉴。

阚安康等[12]用新型丙纶纤维填充回热器，对单级脉管制冷机进行了实验研究，研究结果表明，充气压力对丙纶填充回热器的制冷机整体性能影响较大，工作频率的影响不是很明显。最大制冷量为16.49 W@170 K/3.0 MPa，并获得了96.4 K的最低制冷温度。

高频有助于实现脉管制冷机小型化和轻量化。高频工作条件下尽量保证压缩机运行在系统的共振频率上，这样才会使得压缩机输出效率最高。夏洪军等[13]对基于线性压缩机驱动的高频同轴型脉管制冷机进行了数值模拟和实验研究，在已知压缩机参数的条件下，利用节点分析法模拟出结构参数和运行参数，并搭建实验台对该脉管制冷机进行了性能测试，实验表明，在充气压力2 MPa，运行频率45 Hz时，可达到的最低制冷温度为116 K，具有良好的制冷性能。熊超等[14]对高频同轴脉管制冷机进行了实验研究，结果表明在输入功为210.3 W，运行频率为62 Hz时，获得了10 W/80 K的制冷性能，比卡诺效率为12.66%，同时整机质量小于5.5 kg。

针对实验室的1台100 Hz线性压缩机，以新型丙纶纤维为回热器填料，设计了1台中温区工作的直线型脉管冷指，完成了实验台的搭建，并对该脉管制冷机在不同条件下的制冷性能进行实验研究。

1 脉管制冷机及实验装置

图1给出了脉管制冷机的结构示意图。基于一维数值模拟软件SAGE 5.0，建立了脉管制冷机的数值模型并进行了仿真模拟。由于所使用的直线压缩机的参数已经确定，则优化目的是各结构参数能够实现与该直线压缩机匹配。经优化后，冷指各部件尺寸参数和最佳运行参数如表1所列。所用制冷工质为99.999%的高纯氦气，采用新型丙纶纤维为回热器填料，具有安装方便，成本低廉等优点，实验中其丝径为23 μm，孔隙率为70%。所用压缩机驱动电源为EC1000S智能电源。压力传感器为ENDEVCO公司研制的603型，压力波动信号可在示波器上实时显示。采用热电偶测量冷端温度，并通过HP34970实现电脑数据采集。恒温水箱的控温范围是-5～95℃，水箱进口有Pt100温度传感器，可将温度波动控制在±0.05℃。

图1 脉管制冷机结构示意图Fig.1 Schematic diagram of structure of the pulse tube crycooler

表1 脉管制冷机优化参数Table 1 Optimization parameters of the pulse tube crycooler

2 实验结果及讨论

通过实验测试平台，对设计的中温区高频斯特林型脉管制冷机开展了实验研究，通过改变充气压力、运行频率、冷热端温度等运行参数测试了制冷机的性能，获得了降温曲线以及不同输入电功率下的制冷量与COP，并将最终的数据与理论情况进行了对比分析。

2.1 降温性能实验

维持制冷机系统的充气压力为3 MPa，压缩机运行频率为100 Hz，输入功在150 W，热端温度为300 K。在此工况下，通过SAGE模拟所得的无负荷制冷温度为135.6 K，如图2为实验中冷机的降温曲线。

图2 脉管制冷机的降温曲线Fig.2 Cooling-down curve

实验中随着脉管制冷机工作时间的推移，冷端温度快速降低，可以看出在前30 min内温度的降幅较大，在第30 min时冷头已经从300 K降至170 K；当运行时间为70 min后，冷头的温度趋于稳定，最后得到149.3 K的无负荷制冷温度，与模拟值相差13.7 K。

2.2 充气压力对制冷性能的影响

脉管制冷机充气压力的提高可以增大回热器两端的压比，同时也影响着压缩机的固有频率和活塞阻尼。在本次实验研究中保持系统运行频率100 Hz，热端300 K，压缩机电功100 W。如图3为不同冷端温度下制冷量随系统充气压力曲线，制冷量随着制冷温度的增加而增加。

图3 不同充气压力对制冷量的影响Fig.3 Cooling power versus charging pressure

如表2所列，由示波器测得当充气压力分别为2.5 MPa、3.0 MPa、3.5 MPa时，压缩机出口压比分别为1.23、1.22、1.20。可以说明在100 W输入电功时，当制冷机内的充气压力升高，压缩腔内气体刚度增大，阻抗增大，使得振幅减小，压缩机效率降低，即压缩活塞电功转化为PV功的效率减小，从而导致制冷量减小。

表2 压缩机出口压力波参数Table2 Pressure wave parameters of the compress or outlet

2.3 脉管制冷机的频率特性实验

当压缩机运行在谐振频率时其效率最高。一般来说压缩机的固有频率与弹簧和气体刚度以及动子质量有关，而本实验所使用的压缩机其弹簧刚度与动子质量已经给定，因此其固有频率只与气体刚度有关。压缩机输入电功为150 W时，当频率在94～110 Hz增加时，制冷量随频率的改变如图4所示。实验结果显示制冷量随着脉管制冷机的运行频率增加而先增加后减少，在102 Hz时制冷量达到最大值，最佳频率为102 Hz。即当制冷机运行在102 Hz时最接近其谐振状态，压缩机效率最高。与模拟值100 Hz符合的较好，误差较小。当制冷机运行频率在100～106 Hz之间时制冷量较为接近，只有小幅度的增减。

图4 不同运行频率时制冷量的变化曲线Fig.4 Cooling power versus operating frequency

2.4 热端温度对制冷性能的影响

若要保证回热器在不同环境下稳定工作，首先要了解制冷机在不同环境下的制冷性能，因此本次实验对脉管热端温度对制冷量的影响进行研究。在实验过程中，保持系统充气压力3 MPa，运行在100 Hz，冷端温度为170 K，压缩机电功为150 W。

图5为不同热端温度下测试的脉管制冷机的冷量。当热端温度在区间280 K到300 K之间增加时制冷量明显下降。

图5 不同热端温度时的制冷量曲线Fig.5 Cooling power versus hot end temperature

在热端280 K时，制冷量为9 W左右，而当热端温度增加到300 K时，制冷性能恶化，制冷量只有5 W，下降幅度44%。由此趋势可以推测当脉管制冷机热端温度305 K时，即制冷机在170 K制冷温度下无法提供冷量。

2.5 实验测试性能与SAGE模拟比较分析

如图6所示，当冷端温度的升高时，模拟值基本保持均匀增涨。实际制冷量有较小的不均匀性。制冷量随冷头温度的上升斜率也小于模拟值。在温度较低时二者的制冷量差值较小，150 K时模拟值为6.5 W，实验测量值为2 W，相差4.5 W。在温度较高时制冷量差别增大，220 K时模拟值为45 W，实验测量值为24 W，相差21 W。

图6 模拟和实验的性能对比曲线Fig.6 Comparison between simulation and experiment on cooling performance

模拟分析时，SAGE默认回热器内填充材料均匀、不可压，且工质与填料处于热平衡。但本次实验中采用了丙纶纤维作为回热器填料，通过手工按压的方式进行了随机填充，虽然操作简单成本低廉，但是与模拟中的理想假设相差较大。保温结构采用珠光砂作为绝热材料，存在一定的跑冷损失。同时考虑到后续的优化设计以及在一定程度上减少实验成本，该脉管冷指没有采用一体化加工，而是由各个部件通过法兰、螺钉和螺母组装而成，这些因素都会造成偏差较大。

3 结论

基于1台线性压缩机，研制出1台与其相匹配的中温区斯特林型脉管制冷机。在150 W电功下可取得149 K的最低温度，在170 K的制冷温度下可获得9 W的制冷量。实验中最优频率为102 Hz，与模拟值100 Hz相差不大。回热填料采用新型丙纶纤维，相较于金属丝网安装方便且成本低廉，但装填过程的不可控因素使得均匀性指标难以达到，再加上加工工艺水平有限，珠光砂绝热层的漏热损失等因素，导致实验所测制冷量与模拟值偏差较大。高频运行可以使制冷机小型化和轻量化，但是同时增大了内部流动损失从而降低效率，所以功回收型高频脉管制冷机将会有较好的发展前景。

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