2 W@40 K 单级斯特林制冷机性能优化试验研究

寇翠翠 姜 昆 方露露 罗高乔 王 波 吴维薇

(1 低温技术安徽省重点实验室 合肥 230088)

(2 中国电子科技集团公司第十六研究所 合肥 230088)

1 引言

以大口径光学为代表的空间高精度成像任务中,长线列、大面阵红外探测器冷却需要更大制冷量,针对探测温度更低(40 K)的目标时探测器需要更低的温度环境。为进一步提升探测精度,对焦面冷却的同时也需要对镜头进行冷却,抑制自身产生的背景噪声提升信噪比。所以综合性工程中制冷机需求数量和温区多,任务中迫切需要更加高效、功耗低、寿命长、振动低、重量轻及体积小的制冷机。

针对某航天工程应用环境,需要一款2 W@40 K制冷机,要求制冷机输入功率180 W 以下,整机质量5 kg 以内。

目前国内研制的40 K 温区制冷机多采用脉管结构,具体如表1 所示。并且多采用分置式结构,体积、重量较大,制冷机的COP为均小于1%,无法满足工程需求。

表1 国内40 K 温区制冷机比较Table 1 Comparison of 40 K cryogenic refrigerators at home

中国电子科技集团公司第十六研究所跟踪国外新一代斯特林制冷机技术路线,在国内首次成功研制了气浮轴承斯特林制冷机工程样机,并形成气浮轴承斯特林制冷机谱系产品,该系列产品是目前国内制冷机中重量最轻、效率最高的制冷机[4-5]。冷指温度40K 条件下,制冷量2 W,整机质量3.5 kg,输入功率240 W,制冷量及质量指标满足需求,但COP偏低。

2 制冷机参数计算

以上述型号制冷机为基础,对其充气压力、网片填充孔隙率和回热器长度等关键参数进行优化,提高COP满足工程型号需求。鉴于本单位的研制基础,在建立模型时,丝径直接选取12 μm,以满足热渗透深度参数要求[6]。该机型模型图见图1,利用Sage建立40 K 温区整机的热力学模型,进行优化设计,Sage 模型见图2 所示。

图1 该斯特林制冷机的模型图Fig.1 Model of Stirling refrigerator

图2 该斯特林制冷机的Sage 模型图Fig.2 Sage model of Stirling refrigerator

2.1 充气压力对COP 影响

气浮轴承单级斯特林制冷机充气压力对制冷机的影响主要有两方面:一是对运动部件提供支撑作用,另一方面是在膨胀机中膨胀产生制冷效应,因此充气压力大小对制冷机性能有关键的影响作用。由图3 可以看出,制冷机COP随充气压力先缓慢增大,后缓慢减小,因此为了获得最大的制冷效率,选取充气压力为1.87—2.29 MPa 的范围值,此时COP为1.31%—1.34%。

图3 制冷机COP 随充气压力的变化曲线Fig.3 Variation curve of refrigerator COP with pressure

2.2 网片填充孔隙率对COP 影响

回热器的网片填充率要尽量高,以减小死容积,同时在不同温区范围内能够提供足够的热容。但为了降低工质在回热器内部的压力损失,又需要选择孔隙率较大的回热器,因此在回热器的设计中各个参数的设计大多是相互矛盾的,因此需要综合考虑并进行优化设计寻求最优参数组合。

由图4 可以看出,制冷机COP随孔隙率的增加先增大后减小,因此为了获得最大的制冷效率,选取网片填充孔隙率为0.864—0.879 的范围值,此时COP为1.08%。

图4 制冷机COP 随孔隙率的变化曲线Fig.4 Variation curve of refrigerator COP with porosity

2.3 回热器长度对COP 影响

图5 是COP随回热器长度变化情况。在回热器长度为61 mm 左右时,制冷机的COP达到最大值1.85%。因此后续试验中,选取56—66 mm 长度的回热器,得到回热器最佳长度值。

图5 制冷机COP 随回热器长度的变化曲线Fig.5 Variation curve of refrigerator COP with length of regenerator

综上,通过Sage 整机模拟计算,选取网片填充孔隙率为0.864—0.879,回热器长度为56—66 mm,充气压力为1.87—2.29 MPa。后续采用试验的方法对这3 个参数进行验证,得到最佳参数值。

表2 所示为整机模拟计算最终结果。由表2 可以看出,经过整机热力学计算,制冷机最佳性能为2.11 W@ 40 K,输入功率168 W,COP为1.256%。此时回热器长度为62 mm,网片填充孔隙率为0.87,充气压力为2.1 MPa。

表2 整机热力学计算结果Table 2 Thermodynamic calculation results of refrigerator

3 试验研究

模拟计算结果显示,在原机型的基础上,通过改变充气压力、网片填充孔隙率和回热器长度,就可以以最小的改动完成40 K 温区性能提升。因此,搭建图6 所示制冷机性能测试试验装置进行模拟结果验证。该系统包括制冷机、温度显示器、直流电源、功率计、制冷机散热系统、制冷机抽空系统、驱动控制器系统等。其中制冷机为试验主体,温度显示器可以直观读取制冷机冷端温度值,直流电源用于测试制冷机冷量,功率计用于读取制冷机交流输入功率(冷量/输入功率即为制冷系数COP)。制冷机散热系统包括水冷散热器、风扇、直流电源等,用于制冷机散热。制冷机抽空系统用于保证测试必须的真空环境,减少冷量的损失。驱动控制器系统用于给制冷机提供工作的能量。利用该制冷机性能测试系统,通过调整充气压力、网片填充孔隙率、回热器长度3 个参数,对制冷机进行试验测试。

图6 制冷机性能测试系统Fig.6 Refrigerator performance test system

3.1 制冷机充气压力对性能影响研究

图7 给出了输入功率为180 W 左右时,充气压力对制冷系数COP的影响。在保证充分散热的情况下,随着充气压力的增加,制冷系数COP先增长后降低,在充气压力2.2 MPa 时,制冷机性能最佳,达到1.52 W@40 K,输入功率180.4 W,制冷系数COP为0.84%。因此,制冷机性能最佳的充气压力为2.2 MPa,在仿真结果1.87—2.29 MPa 的范围内,验证了仿真模型的准确性。

图7 充气压力对COP 的影响Fig.7 Influence of pressure on COP

3.2 网片填充孔隙率对性能影响研究

图8 为制冷机充气压力为2.2 MPa、输入功率为180 W 左右时网片填充孔隙率对制冷系数COP的影响。在保证充分散热的情况下,随着网片填充孔隙率的增加,制冷系数COP先增长后降低,在网片填充孔隙率0.875 时,制冷机性能最佳,达到1.77 W@40 K,输入功率179.4 W,制冷系数COP为0.99%。因此,制冷机性能最佳的网片填充孔隙率为0.875,在仿真结果0.864—0.879 的范围内,验证了仿真模型的准确性。

图8 网片填充孔隙率对COP 的影响Fig.8 Influence of filling porosity of mesh on COP

3.3 回热器长度对性能影响研究

图9 为制冷机充气压力为2.2 MPa、网片填充孔隙率为0.875、输入功率为180 W 左右时回热器长度对制冷系数COP的影响。在保证充分散热的情况下,随着回热器长度的增加,制冷系数COP先增长后降低,在回热器长度62 mm 时,制冷机性能最佳,达到2.15 W@40 K,输入功率179.6 W,制冷系数COP为1.2%。因此,制冷机性能最佳的回热器长度为62 mm,在仿真结果56—66 mm 的范围内,验证了仿真模型的准确性。

图9 回热器长度对COP 的影响Fig.9 Influence of length of regenerator on COP

综上,经试验研究,该气浮轴承单级斯特林制冷机在充气压力为2.2 MPa、网片填充孔隙率为0.875、回热器长度为62 mm 时达到最佳性能,性能为2.15 W@40K,输入功率179.6 W,制冷系数COP为1.2%。

该试验结果与整机模拟计算结果基本吻合。因此,该Sage 模型建模合理,可以指导40 K 温区附近单级斯特林制冷机设计。

4 结论

(1)使用Sage 模型对制冷机进行整机模拟计算,最佳性能为2.11 W@40 K,输入功率168 W,制冷系数1.256%。此时回热器长度62 mm,网片填充孔隙率0.87,充气压力2.1 MPa。

(2)经试验研究,该气浮轴承单级斯特林制冷机在充气压力为2.2 MPa、网片填充孔隙率为0.875、回热器长度为62 mm 时达到最佳性能,性能2.15 W@40 K,输入功率179.6 W,制冷系数1.2%。

(3)该制冷机相对于分置式制冷机体积小、重量轻、制冷效率相对较高、运行频率高。但该机型仍存在振动较大的问题,制约其在航天领域的应用。为推广其在航天领域的应用,后续可通过减振和隔振的方法降低振动水平,满足航天要求。