5 W@80 K自由活塞斯特林制冷机工况及重力特性实验研究

贾红书 洪国同 陈厚磊 刘彦杰

(1中国科学院理化技术研究所 北京 100190)(2中国科学院研究生院 北京 100049)

1 引言

低温技术是为适应尖端技术与工农业生产的发展而迅速发展起来的一门重要学科，小型低温制冷机是低温技术在特殊条件下的重要分支［1－3］。由于航空航天技术、低温技术和超导技术发展的需要，小型低温制冷机技术在最近的40年获得了高速发展。自由活塞斯特林制冷机采用间隙密封，板弹簧支撑，直线电机等先进的技术，具有紧凑、高效的特点，在现代科学技术的发展中得到了广泛应用。间隙密封技术利用密封零件之间的径向微小间隙及该间隙在轴向的一定长度来实现密封，与传统的接触润滑密封相比，消除了接触磨损及由其产生的污染，从而提高了制冷机的运行寿命。自由活塞斯特林制冷机采用板弹簧支撑的间隙密封，利用板弹簧的轴向刚度小，径向刚度大来保证活塞与气缸的间隙密封。

斯特林制冷机制冷性能包括制冷温度、制冷量、启动时间、不维修时间与可靠性、能量消耗等，由于这些要求与指标对于其应用场合至关重要，因此测试分析斯特林制冷机的性能指标是很有必要的［4］。

本文针对某型号小型斯特林制冷机，利用现有脉冲管制冷机性能测试实验台，设计了热端水冷部分，对热负荷和冷端温度计的引线进行了布置，测试了不同线性压缩机驱动的斯特林制冷机的制冷性能，实验研究了充气压力、工作频率及输入功率等参数对制冷机性能的影响规律，确定了斯特林制冷机的最佳运行工况。通过改变冷头方位，实验验证了斯特林制冷机板弹簧支撑对间隙密封的影响。

2 实验设备与流程

2.1 斯特林制冷机

斯特林制冷机工作原理是斯特林逆循环，理论效率为卡诺效率，它利用膨胀腔中的工质气体周期性的压缩和膨胀过程实现制冷。本文所分析的斯特林制冷机为分置式斯特林制冷机，其示意图如图1。运动部件包括活塞和排出器。工作过程中，压缩活塞由直线电机的驱动，为工质提供压力波，排出器受到来自膨胀腔，气动腔和压缩气体的气体力，以及气动腔板簧的支撑，受迫直线运动，通过膨胀腔工质的压缩膨胀，从而将热量带走，产生制冷效应，整个系统是一个双自由度的谐振系统，能量的输入输出依靠活塞和排出器之间运动相位差来实现。

图1 分置式斯特林制冷机示意图Fig.1 Schematic diagram of split Stirling cryocooler

为了解该斯特林制冷机的工作性能及放置角度对其性能的影响，设计了一套实验系统对其进行性能测试。

2.2 试验系统介绍

试验系统包括产生气体压力波动的压缩机系统、产生冷量的制冷机部分、温度和热负荷的测量采集系统、气体管路系统及真空系统。实验装置连接如图2所示:压缩机提供近似于正弦的周期压力波，由排气口2送到冷头9，冷头9内部有筒状的排出器，排出器内部装有回热器，同时也是气体的流道，它可以自由的往复运动，于是改变冷头两端的室温腔和冷腔的容积，在压力波的驱动下实现斯特林制冷循环，把冷端的热量泵到热端。冷头的吸热量和由于不可逆功产生的热量由室温端的水冷器带走，设计的水冷器是在一个紫铜块内部切出水冷通道，结构如图3所示。

图2 实验原理图Fig.2 Schematic diagram of performance experiments

2.2.1 压缩机

图3 水冷器示意图Fig.3 Schematic diagram of water cooler

压缩机采用了德国Leybold公司的Polar SC7压缩机，为双向对置动圈式线性压缩机，扫气容积10 mL，采用板弹簧支撑，谐振频率较低，额定功率250 W，额定充气压力3.0 MP。压缩机的控制系统配备变频器、功率表，输入电压220 V，工作过程中，调节压缩机的运行频率，并测量输入功率、电压、电流、频率、功率因数等参数。

2.2.2 测量采集系统

冷端热负荷通过在冷端安装的热电阻中通以一定功率的直流电模拟，阻值500 Ω，输入的直流电使热电阻发热功率范围在1—6 W之间。冷端温度采用铂电阻温度计测量。测量时采用双引线电位法，温度计的电压端接入数字万用表，通过GPIB卡送入微机进行采集处理。

2.2.3 绝热系统

对制冷机的冷指经过包多层锡箔纸进行绝热处理并固定后，放置到真空罩内并螺纹连接，测量过程中，对真空罩抽取真空，保证制冷端的温度不受空气的影响。

2.2.4 充气和抽真空系统

充气系统和真空绝热系统的连接示意图如图4所示。实验过程中，首先需要对系统检漏，将阀门1、2、3、7、8开启，充入一定压力的气体，在接头和焊点刷肥皂水，观察气泡。当管路不存在漏气的情况下，对系统抽真空，确保工作介质的纯度，阀门1、2、3、4、5开启，首先启动机械泵，大约30 min后开启分子泵，通常要求不高的情况下，分子泵不必开启。然后再对管路充入工作压力下的气体。运行过程中，阀门1和6开启，其余都处于关闭状态。真空绝热的目的是降低斯特林制冷机外部的热损失，准确测量冷端温度。

图4 试验台气体管路Fig.4 Schematic diagram of experimental gas pipeline

3 实验结果处理和分析

3.1 工作频率对制冷性能影响

实验中压缩机竖直方向布置，冷头水平方向布置，制冷机冷头采用水冷却，冷却水温度10℃。首先确定压缩机在无负载情况下的最佳工作频率。分别进行了充气压力2.5 MPa和2.8 MPa的两种工况试验。由图5可见，两种工况下，均在46 Hz获得最低的制冷温度，T(46Hz，2.5MPa)=39.73 K和T(46Hz，2.8MPa)=36.73 K，并且在46 Hz范围内，冷头最低温度较为稳定，确定为最佳工作频率。

图5 冷头最低温度随输入频率的变化Fig.5 Effect of working frequency on the lowest temperature

然后在压缩机最佳工作频率46 Hz下，改变冷头热负载，测试其稳定的制冷温度值。实验结果如图6所示。压缩机功率200 W时，与5 W负载条件下最低制冷温度达到80 K，加热功率每上升1 W，温度大约上升8 K，性能曲线线性度好。

3.2 充气压力对制冷性能影响

图6 冷头温度随制冷量的变化Fig.6 Effect of cooling power on the lowest temperature

图7为压缩机功率150 W，冷头无负载情况下，系统充气压力分别为2.5、2.0、1.6 MPa实验系统最佳工作频率:图中可以看出，由于系统充气压力的降低，最佳工作频率下降，3种压力下分别对应46，42，40 Hz，最佳工作频率对应的最低制冷温度也呈下降趋势，分别为 39.73、36.22、36.46 K。2.0 MPa 下，斯特林制冷机最佳工作频率获得最低的制冷温度，确定为Polar SC7压缩机与斯特林制冷机的最佳工作压力。

图7 冷头最低温度随输入频率的变化Fig.7 Effect of working frequency on the lowest temperature

图8为固定压缩机输入功率，在3组压力下，改变冷端负载的系统性能。从图中可以看出，压力2.0 MPa时的系统性能优于压力为2.5 MPa时的系统性能。在相同的制冷量下，温度低2—3 K。曲线斜率相差不大，当压力低到1.6 MPa时，曲线斜率变小。

实验中发现在压缩机输入功率一定时，制冷量和温度成线性关系;制冷量和温度的曲线斜率随着压缩机输入功率升高而变大;当无负荷时，压缩机功率越大，最低温度越低;在相同的制冷量(固定的加热功率)下，压缩机输入功率越大，能够达到的最低温度越低。

图8 冷头温度随制冷量的变化Fig.8 Effect of cooling power on the lowest temperature

3.3 重力特性对制冷性能影响

分置式斯特林制冷机可以放置在任何一个平面内，当制冷机冷头的布置方向不同时，重力便会施加在蓄冷器上，改变膨胀腔和室温腔的体积比，或者蓄冷器的中心位置。为研究重力对制冷机性能的影响，实验中改变制冷机冷头方向分别为水平、向上和向下。制冷机冷头在水平方向上时，改变蓄冷器在圆周方向上与重力的夹角，即 0°、90°、180°、270°(分别对应位置A、B、C、D)。图9表明制冷机冷头分别为水平，向上和向下情况时，负载对制冷机性能的影响。

图9 冷头布置方向对最低制冷温度的影响Fig.9 Effect of cold head direction on the lowest temperature

从理论上分析，冷头向下时，由于重力影响，排出器平衡位置向冷端移动，冷腔余隙减少，可提高斯特林制冷机的制冷性能;冷头向上时，则由于排出器平衡位置向热端移动，膨胀腔余隙增加，制冷性能会低于冷头向下的情况。冷头方向水平时性能介于两者之间。实验结果也表明了上述规律，但制冷机冷头向上与向下两种情况下的最低制冷温度的最大波动幅度仅为1.2 K，差异不明显，这说明该斯特林制冷机排出器弹簧的轴向刚度与排出器质量的比值较大，排出器重力产生的静位移比较小。因此，对于本实验制冷机来说，冷头布置方向(重力影响)不是特别敏感。

图10为水平放置的冷头处于不同圆周方位的制冷性能测试结果。理论上由于蓄冷器采用间隙密封，排出器水平放置时，由于重力作用密封间隙的均匀性会发生变化，从而影响制冷性能。但实验结果表明制冷机冷头水平放置不同圆周方位的制冷性能变化很小。说明该斯特林制冷机排出器的密封间隙保持较好，不会因为重力而发生变化。

图10 水平位置不同方位对最低制冷温度的影响Fig.10 Effect of cold head direction in horizontal position on the lowest temperature

4 结论

(1)该被测斯特林制冷机在200 W的输入功率下，在5 W负载条件下，最低制冷温度达到80 K。

(2)通过对不同工况:改变充气压力和频率等对制冷机的空载和负载的测量，找到了斯特林制冷机的性能曲线规律，并找到与Polar SC7压缩机匹配的最佳工况为充气压力2.0 MPa，频率42 Hz。

(3)制冷机冷头向上与向下情况下，最低制冷温度的最大波动幅度为1.2 K，这是由于斯特林制冷机排出器重力作用使得平衡位置发生变化，因而冷腔余隙发生变化所致。冷头水平放置处于不同圆周方位的制冷性能变化很小，说明该斯特林制冷机排出器的密封间隙保持较好，不会因为重力而发生变化。

1 许国太，闫春杰，霍英杰，等.空间用斯特林制冷机结构的发展［J］. 真空与低温.2008，14(03):167－171.

2 Meijers M，Benschop A A J，Mullie J C.High Reliability Coolers under development at Signaal－USFA［J］.Cryocoolers11.(NY):Kluwer Academic/Plenum Publishers:111－118.

3 Raves，et al.Development Progress of a Long Life Twin Piston Pressure Oscillator［J］.Advances in Cryogenic Engineering，1994，39(B):1385－1392.

4 李 奥，李姗姗，刘冬毓，等.35K双级斯特林制冷机性能实验［J］. 低温工程.2010，174(2):32－36.

5 边绍雄.小型低温制冷机［M］.北京:机械工业出版社.