雙溫區雙冷指斯特林制冷機的實驗研究

李勇，潘雁頻，張安，羅新奎，范超，馮天佑

（蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

雙溫區雙冷指斯特林制冷機的實驗研究

李勇，潘雁頻，張安，羅新奎，范超，馮天佑

（蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

隨著空間探測任務多元化的發展，要求空間低溫系統能夠在多載荷多溫區提供不同冷量，以往的制冷機多以膨脹機串聯式來達到要求，耦合難度大。雙溫區雙冷指斯特林制冷機創新的采用一臺壓縮機驅動和兩臺并列膨脹機的新型結構，實現了在95 K和150 K提供不同冷量的要求，相比于兩臺斯特林制冷機，減小了重量和功耗，增加了集成度，相比于串聯制冷機，減小了熱耦合難度，降低了復雜性，在空間制冷的需求日益復雜化的背景下，為制冷機的緊湊性和集成度的方向提供了新的思路。

斯特林制冷機；線性壓縮機；氣動膨脹機；制冷量

0 引言

目前斯特林制冷機已被應用于通訊、氣象、軍事、航空航天、低溫物理學、低溫電子學、低溫材料學、低溫醫學、低溫光學、生物工程、地球資源勘探、微觀粒子研究等高科技領域。其中斯特林制冷機在紅外探測器中的主要應用是紅外預警和監視、精確光電制導、紅外熱成像系統、紅外遙感技術。隨著新一代紅外探測器在現代熱成像、紅外探測、跟蹤、搜索系統中的應用，使探測器的元數以量級增加，大幅提高了探測器的分辨率和靈敏度，對制冷機的制冷溫度、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已成為我國遙感衛星急需突破的一項關鍵技術[1]。

1 實驗目的

隨著空間探測任務多元化的發展，未來的空間任務需要更大的制冷量滿足焦平面和光學系統的需求，如35 K/5 W前級冷卻、20 W以上100 K光學系統冷卻、60 K/2 W前級冷卻、180 K/10 W等，要求空間低溫系統同時能夠滿足多載荷多溫區不同冷量的需求，空間低溫系統集成化、“總線化”，包括制冷機本體的集成和控制器的集成等，將降低空間低溫系統的復雜性、重量，提高系統的可靠性。具有多級制冷能力制冷機比使用多個制冷機具有更高的系統效率。同時，探測器、光學鏡頭和光學架等需求多負載制冷的制冷機系統將對單壓縮機驅動的集成技術有迫切的需求。

為滿足不同溫區、不同冷量的制冷要求，有報道的主要集成方式包括單壓縮機驅動雙級斯特林膨脹機或脈管膨脹機、單壓縮機驅動兩臺分置的斯特林脈管膨脹機[2]、單壓縮機驅動兩臺分置單級脈管膨脹機+斯特林膨脹機。

多缸膨脹指的是一臺壓縮機驅動并聯的多個膨脹氣缸在相同溫位制冷的制冷機，菲利浦四缸空氣液化器是多缸膨脹機制冷應用的一個典型實例，是一種具有四個并聯膨脹氣缸的整體式斯特林制冷機[3]。目前，國內外并無單壓縮機驅動多臺分置式單級斯特林膨脹機在不同溫區制冷的先例。基于這個創新點，針對雙溫區斯特林制冷機進行了實驗研究，制冷機包括一臺壓縮機和兩臺膨脹機，壓縮機和膨脹機通過一個分置Y型管來連接[4]，如圖1所示。

圖1 一拖二制冷機內部構造簡圖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 實驗方法

開始實驗之前需要對試驗各部分系統進行調試準備，具體操作如下。

2.1 制冷機真空系統

為滿足絕熱要求，在冷頭外面包有真空多層滌綸鍍鋁薄膜，整個膨脹機裝于真空杜瓦內，外部連接抽真空管道，被啟動后用前級機械泵的分子泵連續的抽真空，以維持膨脹機外部的真空環境。外部風扇風冷，形成強制空氣對流散熱。

對真空絕熱系統抽真空，要求其真空度可以達到10-5Pa。在測試時將真空分子泵與系統真空罩抽氣孔連接，先打開機械泵進行抽真空，用復合真空計對真空度進行觀察。當系統的真空度為1～10 Pa時，即可啟動分子泵，同時觀察讀數，直至達到所需要的10-5Pa真空度。整個過程中，真空度應該呈現整體下降的趨勢，如果過程中真空度出現異常的浮動，說明有地方泄漏，要重新進行氣密性試驗。

2.2 制冷機測量系統

測量系統由溫度測量、制冷量測量以及真空度測量組成。其中溫度測量采用鉑電阻溫度計PT100，在溫度計上涂抹真空硅脂增強導熱。溫度計的引線為四線制，這樣可以使引線的電阻影響很小，測量精度高，適用于精密測量。制冷量一般采用熱平衡法進行測量，對于熱接觸良好的系統，當制冷機冷頭產生的冷量和加熱器產生的熱量相互抵消時，系統就處于熱平衡狀態，這樣可以通過計算加熱量來獲得制冷機冷頭的制冷量。

2.3 實驗步驟及注意事項

實驗的開機步驟和需要注意的事項：

（1）氣體置換：在開機之前，需要將制冷機系統進行氣體置換。具體做法是先將斯特林制冷機的內部抽成真空，而后充入0.2 MPa的氦氣，保持大約15 min，使氦氣充分擴散并與吸附在制冷機內部表面的其他氣體充分置換。再進行大約30 min的抽真空。然后重復上述步驟2～3次，氣體置換過程結束；

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

（3）打開溫度和冷量測量測量系統，同時打開外部風扇開關，加強散熱；

（4）對真空絕熱系統進行抽真空。啟動機械泵，達到1～10 Pa時可啟動分子泵，直至真空系統達到10-5Pa的真空度；

（5）啟動壓縮機輸入變頻電源。在啟動之前，要將電壓旋鈕調至最小。調節實驗所需的輸入功率和頻率。壓縮機功率不是直接加到220 W，而是從50 W開始每隔1 min增加50 W以內的功率，逐步增加到220 W，讓制冷機慢慢適應，避免啟動過快以致撞缸、摩擦、磨損等不必要的麻煩。另外在調節頻率過程中，要盡快跳過板彈簧的共振頻率，以免對板彈簧造成損壞。

3 實驗分析

整個實驗系統原理如圖2所示，其中外部有3臺軸流風機，加強空氣對流散熱。

3.1 95 K膨脹機調試試驗

試驗總參數：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，經過13 min降溫，達到最低制冷溫度41.6 K，如圖3所示，制冷量為@95 K/1.90 W。

圖2 實驗系統原理圖Fig.2 The principle of the experimentalsystem

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

圖4按實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一。

3.2 150 K膨脹機調試實驗

實驗中通過調節配重塊質量和板彈簧剛度調節膨脹機固有頻率。在輸入功率125 W，充氣壓力均為2.5 MPa，工作頻率為47 Hz時，初始溫度293.8 K，降低到最低溫度用時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，此時膨脹機的固有頻率等于工作頻率，形成共振，制冷效果達到最佳。由圖7、圖8看出，大部分試驗中，最佳工作頻率近似等于膨脹機的固有頻率，理論分析和實驗部分較為吻合。

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

圖5 150 K膨脹機降溫曲線Fig.5 The cooling cuurveof 150 K expander

圖6 150 K膨脹機實際工作頻率與最低溫度關系曲線Fig.6 The relationship between frequency and temperatureof 150 K expander

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

3.3 聯機實驗

隨聯管長度的增加，氣體彈簧剛度和壓縮機固有頻率均減小。并且連管內工質的流阻損失隨著管長的增加而增加，故而在滿足基本的連接尺寸的基礎上，Y形管要盡量的減小長度和空容積。充氣壓力為2.5 MPa，輸入功率為220 W，調節兩膨脹機的固有頻率均為52 Hz。實驗中調試不同充氣壓力，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膨脹機實際工作頻率與冷量關系曲線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時降溫速度最快，150 K膨脹機在12 min后就降低到了63.5 K，剩余時間只降低了約1 K的溫度；95 K膨脹機在12 min就降低到66.4 K，剩余時間僅降低4 K。

并且在3.5 MPa充氣壓力下，在15 min時，兩膨脹機均降低到63 K；19 min時均降低到了最低溫度62.4 K。因兩膨脹機通過Y型連管與壓縮機相連，兩膨脹腔內的膨脹過程是在相同壓力下同時發生的，因而產生同溫位制冷。

圖11為在壓縮機工作頻率均為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，制冷機在46 Hz時有著最大的制冷量。一般較高的工作頻率意味著較大的制冷量，而聯機實驗最佳工作頻率小于固有頻率52 Hz，這是因為兩個膨脹機并聯，與壓縮機的相位差相互影響，且各靜壓損失和動壓損失也為兩膨脹機的損失相加，所以實驗最佳工作頻率必然低于兩膨脹機的固有頻率。其中靜壓損失包括對流和導熱損失、熱輻射損失和接觸面損失；動壓損失包括穿梭損失、空容積損失、流體壓降損失、機械摩擦損失等。

雙溫區雙冷指制冷機聯機實驗調試中，需要多個參數的耦合調試，過程較為復雜。實驗結果表明聯機實驗后，顯然制冷機冷量較單機有大幅下降，這說明實驗調試還未找到兩膨脹機的最佳適配參數，部分器件由于加工精度、裝配等問題導致的漏熱損失遠大于估計值，故聯機實驗還需要進一步的調試。且95 K膨脹機的性能較150 K膨脹機下降較大，所以在頻率調節時應使工作頻率更傾向于95 K膨脹機的固有頻率。同時在Y形連管的設計中應該考慮減小95 K膨脹機連管的流動阻力，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 實驗結論

對“一拖二”形式的斯特林制冷機進行預先實驗研究，實現了不同溫位的制冷。由于分置氣動的雙溫區雙冷指制冷機理論基礎較為薄弱，工質通過管道、回熱器、余縫容積等會有較大的壓力損失和換熱損失，另外兩膨脹機同頻率制冷下的耦合調節較為困難，這都增加了實驗的難度。并且，聯機實驗目前的最優實驗效果是充氣壓力為3.5 MPa，壓縮機運行頻率47 Hz，輸入220 W的功率時，兩膨脹機分別達到1.4 W@95 K和7.83 W@150 K的制冷量。盡管這種集成結構的制冷機沒有達到預期的目標，但是實驗結果表明，并聯式多膨脹機斯特林制冷機具有較強的實用應用價值，并為制冷機集成方式提供新的參考思路，以后甚至可能實現分置式“一拖多”等新型集成結構的斯特林制冷機。

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

[2]曹永剛，陳曦，吳亦農，等.單直線壓縮機驅動雙脈管冷指的實驗研究[J].低溫工程，2013（1）：15-18.

[3]陳國邦，湯坷.小型低溫制冷機原理[M].北京：科學出版社，2010：120-121.

[4]呂文杰，霍英杰，朱建炳，等.雙溫區雙冷指斯特林制冷機連管的設計[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，FAN Chao，FENG 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研究。E-mail：443434529@qq.com。