回熱材料Gd2O2S在液氦溫區高頻脈管制冷機的實驗研究

李曉永，全加，劉彥杰，蔡京輝，葉榮昌

（1.中國科學院理化技術研究所，北京100190；2.中國科學院大學，北京100049；3.北京科技大學，北京100083）

回熱材料Gd2O2S在液氦溫區高頻脈管制冷機的實驗研究

李曉永1，2，全加1，劉彥杰1，蔡京輝1，葉榮昌3

（1.中國科學院理化技術研究所，北京100190；2.中國科學院大學，北京100049；3.北京科技大學，北京100083）

液氦溫區高頻脈沖管制冷機具有體積功耗小、質量輕、低振動等優點，因此在太赫茲通信、深空探測和空間科學實驗等方面的應用具有獨特的優勢，是國內外深低溫機械式制冷機的研究熱點。而低溫回熱材料的性能是制約深低溫制冷機發展的關鍵因素。利用實驗室自主設計的液氦溫區兩級脈沖管制冷機及北京科技大學提供的Gd2O2S（GOS）材料，從填充長度等方面，對回熱材料在液氦溫區高頻脈沖管制冷機的應用進行了實驗研究。實驗結果表明，在目前工況下，回熱材料HoCu2的實驗效果是優于GOS，并對此做出了分析和解釋。

液氦溫區；回熱材料；GOS

0 引言

液氦溫區斯特林型脈沖管制冷機具有結構緊湊、質量輕、可靠性高等優點[1-2]，可以為深度空間探測、衛星對地成像與探測和弱磁測量等領域提供必不可少的低溫環境。因此，洛克西德馬丁、諾斯洛普·格魯門公司（NGST）、浙江大學、中科院理化所等機構對液氦溫區脈沖管制冷機都展開了相關的研究。

回熱器作為制冷機關鍵的部件之一，其主要作用是傳遞制冷循環過程中的冷量。而回熱材料的蓄冷能力則是影響回熱器換熱至關重要的因素[3]，理想的回熱材料應具有較高的體積比熱容。研究顯示，只有回熱材料的體積比熱容比氦氣的體積比熱容大時，制冷機回熱器才具有較高的回熱效率。在30 K以下溫區，不銹鋼絲網等材料的體積比熱容要小于氦氣的體積比熱容[4]。因此，在深低溫區具有高比熱的回熱材料是液氦溫區高頻脈沖管制冷機的一個重要研究方向。針對兩級液氦溫區空間斯特林型脈沖管制冷機，對回熱材料GOS進行了實驗研究，從填充長度等方面研究其對脈沖管制冷機性能的影響。

1 實驗裝置簡介

實驗裝置采用自主設計的兩級制冷機結構，如圖1所示。該結構采用熱耦合的方式，第一級制冷機為預冷級脈沖管制冷機，主要作用是冷卻二級脈沖管制冷機，降低二級制冷機熱端的溫度；第二級脈沖管制冷機為低溫級脈沖管制冷機。一級制冷機的回熱器填充不銹鋼絲網。而二級制冷機的多路旁通與冷頭之間的回熱器，即頂端回熱器，采用Er3Ni、HoCu2和GOS等回熱材料進行不同形式的分層填充。

兩級脈沖管制冷機之間采用熱橋連接。熱耦合方式讓兩級脈沖管制冷機只進行熱量交換，而工質的流動彼此之間相互獨立，因此兩級制冷機的相位可以獨立的調節。一級制冷機利用慣性管加氣庫的方式進行相位調節，而二級制冷機則采用雙向進氣、多路旁通、低溫慣性管和低溫氣庫等多種調相方式。在此制冷機裝置上對GOS材料在高頻脈沖管制冷機的實際使用性能進行了實驗測試。

圖1 兩級高頻脈沖管制冷機結構示意圖Fig.1 Schematic of the two-stage high frequency pulse tube cryocooler1、7.壓縮機；2.過渡蓄冷器；3、10蓄冷器；4.多路旁通；5、11.脈管；6、12.冷頭；8、14.氣庫；9、15.慣性管；13.熱橋；16.雙向進氣

2 實驗結果

高頻脈沖管制冷機中的回熱器是一種高效的換能器，在制冷機工質壓縮和膨脹的過程中不斷的釋放和吸收冷量。而回熱材料的體積比熱容是反映單位體積回熱材料能量存儲能力的關鍵參數。根據圖2所示不同蓄冷材料的體積比熱容隨溫度的變化曲線可知，在5 K溫區以下，GOS材料的比熱容存在一個較高的峰值；在5～10 K溫區，鈥銅的比熱容較大；在10～30 K溫區，Er3Ni和鉛的體積比熱容較好。而在高頻脈沖管制冷機中，鉛球作為回熱材料，其制冷效果較差[5]。這是由于鉛的熱導率較高，從而有可能造成制冷機較大的冷量損失，此外鉛球阻力系數較大，造成回熱器內較大的壓降損失。因此，采用GOS、HoCu2、Er3Ni等三種回熱材料作為頂端回熱器的填充材料。而在顯微鏡下觀察表明，回熱材料鈥銅和GOS均呈現不規則的形狀。

圖2 回熱材料的體積比熱容隨溫度的變化曲線[6]Fig.2 Temperature dependence of the volumetric specific heatof regeneratormaterials

根據前人的研究結果顯示，采用合理的分層填充，可以提高回熱器的換熱效率，使制冷機獲得更好的性能[7]。如圖3所示，在多路旁通與二級冷頭之間的部分，即頂端回熱器部分，采用Er3Ni、HoCu2和GOS等回熱材料進行不同形式的分層填充。

圖3 分層填充的形式Fig.3 The design ofmulti-layer filled style1.Er3Ni（顆粒直徑約0.089 mm）；2.Er3Ni（顆粒直徑約0.061 mm）；3.HoCu2（顆粒直徑約0.053 mm）；4.GOS（顆粒直徑約0.053 mm）；5.HoCu2+GOS（顆粒直徑約0.053 mm）

由于不同回熱材料的最佳工作溫區不同，而GOS的最佳工作溫區僅為6 K以下。因此，需要對GOS的最佳長度進行優化，以保證其工作在最佳溫區。在Case1～4中，Er3Ni和HoCu2的填充長度不斷增大，而GOS的填充長度不斷減小，直至為零。即在實驗中不斷增大在6～30 K溫區具有高比熱容的蓄冷材料的填充長度，不斷減小在6 K溫區以下具有高比熱容的蓄冷材料的填充長度。

對GOS長度的系列測試中，一級制冷機的輸入功率250 W，工作頻率43 Hz，充氣壓力3.5 MPa保持不變。而二級制冷機的輸入功率200 W，充氣壓力1.3 MPa保持不變，Case1、2、3的最佳工作頻率均為23 Hz，而Case4的最佳工作頻率為25 Hz。如圖4所示，二級制冷機冷頭的最低無負荷溫度隨著GOS長度的減小而降低。在GOS的填充長度為零時，最低無負荷溫度最低，為5.043 K。如圖5所示，二級制冷機的制冷量隨GOS長度的減小而增大，在GOS的填充長度為零時，制冷機的制冷量最大，為57.8 mW@ 15 K。即制冷機的性能隨GOS長度的減小而不斷提高，當GOS長度為零時，制冷機的性能最佳。

圖4 最低無負荷溫度隨GOS長度的變化曲線Fig.4 The cold end temperature varying filling length ofGOS

圖5 制冷量隨GOS長度的變化曲線Fig.5 The cooling capacity change varying filling length of GOS

由Case1、2、3的實驗結果可知，回熱器底部填充GOS時，二級制冷機最低無負荷溫度未能達到6 K以下，即GOS未在其最佳溫區工作，反而降低了頂端回熱器的蓄冷能力。而由Case4實驗結果可知，回熱器底部填充HoCu2時，二級制冷機最低無負荷溫度在6 K以下。因此為了保證制冷機達到GOS最佳的工作溫區，將Case3中一部分HoCu2與GOS進行混合填充，其他實驗條件保持不變，即Case5。如圖6所示，在二級制冷機輸入功率為100、150、200 W時，圖為Case3與Case5的最低無負荷溫度的實驗結果比較。由實驗結果可知，制冷機性能并未得到提高，反之最低無負荷溫度是略有增大。

圖6 混合填充前后最低無負荷溫度的比較曲線Fig.6 The comparison of the cold end temperature before and aftermixed filing

從實驗可以得出，對制冷機的性能而言，Case4實驗效果是最佳的。即在頂端回熱器中填充Er3Ni和HoCu2，制冷機性能是最佳的。因此，在該制冷機的運行工況下，鈥銅在5 K溫區的蓄冷能力要優于GOS的。

3 實驗結果分析

利用回熱器軟件REGEN，對GOS在制冷機中的使用性能進行了分析。REGEN模擬輸入的回熱材料的參數，如填充材料、長度和顆粒直徑等方面，與實驗中一致，如表1所列。在相同的工況下，如圖7所示，隨著GOS長度的減小，回熱器的效率和制冷量隨之增大，與實驗的變化趨勢一致。當GOS填充長度減小至零時，即回熱器冷端處只有鈥銅時，制冷量和回熱器效率COP是最大的。因此REGEN的模擬結果也表明，回熱材料鈥銅在5 K溫區的蓄冷能力是優于GOS的。

表1 REGEN模擬輸入的主要參數Table1 The input parametersof the simulation in REGEN

圖7 COP和制冷量隨GOS長度的變化曲線Fig.7 The cooling capacity and COP varying filling length of GOS

針對實驗結果及模擬分析，從回熱材料的幾何參數及熱物性參數等方面進行具體的分析計算。熱穿透深度是回熱材料的重要的熱物性參數之一，表示單位時間內回熱材料參與換熱的有效深度，表達式如式（1），熱穿透深度的增加會增加回熱材料的傳熱面積。根據回熱材料的物性參數及制冷機的工作參數計算得出，在5～15 K溫區，回熱材料GOS的熱穿透深度是大于HoCu2的，如圖8所示。因此，從熱穿透深度方面的分析和比較得出，回熱材料GOS是優于鈥銅的，并不是其導致實驗性能下降的原因。

此外，為保證氣體工質與回熱材料的充分換熱及減小氣體流動過程中的阻力損失，回熱材料的水力直徑必須相當或小于氣體工質的熱穿透深度，相當或大于氣體工質的黏性滲透深度。由式（1）、式（2）及氦氣的熱物性參數計算得出，氦氣在6 K溫區的熱穿透深度和黏性滲透深度分別為0.025 mm和0.023 mm。而根據式（3）及回熱材料的幾何參數計算得出，鈥銅和GOS在6 K溫區的水力直徑大約均在0.023 mm左右。分析計算可知，回熱材料GOS從水力直徑等方面考慮，也不是其導致實驗效果較差的原因。

圖8 回熱材料在23 Hz下熱穿透深度隨溫度變化曲線Fig.8 The change curve of the regeneratormaterials’thermal penetration varying the temperature in the frequency of 23 Hz

GOS材料本身較高的熱導率，會造成較大的軸向導熱損失，致使頂端回熱器的溫度梯度減小，造成制冷機較多的漏熱損失，如圖9所示。因此，GOS材料較高的熱導率是造成制冷機性能下降的重要原因之一。

圖9 回熱材料的熱導率隨溫度的變化Fig.9 The thermal conductivity of the regeneratormaterials varying the temperature

此外減小回熱器內填充材料的顆粒直徑，可以增大換熱面積，提高制冷機回熱器的效率。而過度減小顆粒直徑，回熱器內的壓降損失增加，同時會降低制冷機冷端的PV功，造成制冷機的性能降低。因此將在后續的工作中，針對GOS材料的顆粒直徑等方面繼續展開相關的研究。

4 結論

雖然GOS材料在5 K溫區具有更高的體積比熱容，但是對回熱材料GOS在極低溫高頻脈沖管制冷機的實驗測試結果和模擬分析表明，在5 K溫區，GOS并不適合作為制冷機回熱器的回熱材料，將帶來制冷機的最低無負荷溫度的明顯升高。文章從熱穿透深度，黏性滲透深度和水力直徑等方面計算分析了GOS作為6 K以下溫區回熱材料的可行性，但是其較高的熱導率和換熱面積不足等原因可能是導致其回熱效果不佳的主要因素。

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EXPERIMENT STUDY ON REGENERATORMATERIALSOFGd2O2S IN HIGH FREQUENCY PULSE TUBE CRYOCOOLERWORK ING AT LIQUID HELIUM TEMPERATURE

LIXiao-yong1，2，QUAN Jia1，LIU Yan-jie1，CAIJing-hui1，YERong-chang3
（1.Technical Institute of Physicsand Chem istry，CAS，Beijing 100190，China；2.Graduate University of Chinese Academ y of Sciences，Beijing 100190，China；3.University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）

The high frequency pulse tube cryocoolerwhich can achieve 4.2 K（liquid helium temperature）has the advantage of low electromagnetic，lightweightand small volume.Itwould be used in the field of THz communication，deep spaceexploration and space scienceexperiments.At the same time，it isa hot research area inmechanical cryogenic refrigerator.The performance of regeneratormaterials hasa vital influence on the developmentof cryogenic refrigerator.Based on the two-stage pulse tube cryocoolerworking at liquid helium temperaturewhich is a independentself-design in our laboratory and the regenerator materials of Gd2O2S provided by University of Science and Technology Beijing，the paper shows a series of experiment studieswhich focus on the regeneratormaterials of GOS.The result of experiments points out that the regeneratormaterialsof HoCu2isbetter than GOSunder currentconditions.And the phenomenon is specifically discussed in the paper.

liquid helium temperature；regenerativematerials；GOS

TB651

A

1006-7086（2017）03-0158-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.03.007

2017-02-02

李曉永（1989-），男，河南安陽人，碩士研究生，主要從事液氦溫區制冷機研究工作。E-mail：xyl@mail.ipc.ac.cn。