13.5 K两级气耦合型高频脉冲管制冷机实验研究

朱啸爽，周　强，戴　巍，朱文秀，周　远，王俊杰

（1.中国科学院理化技术研究所 低温工程学重点实验室，北京　100190；2.北京空间飞行器总体设计部空间热控技术北京市重点实验室，北京　100094；3.中国科学院大学，北京　100049）

13.5 K两级气耦合型高频脉冲管制冷机实验研究

朱啸爽1，3，周强2，戴巍1，朱文秀1，周远1，王俊杰1

（1.中国科学院理化技术研究所 低温工程学重点实验室，北京100190；2.北京空间飞行器总体设计部空间热控技术北京市重点实验室，北京100094；3.中国科学院大学，北京100049）

高频脉冲管制冷机由于冷端无运动部件、振动小、寿命长等优点，广泛运用于低温物理实验、航空航天等领域。通过介绍一种两级气耦合高频脉冲管制冷机，在该脉冲管的第一级中，采用了双向进气和多路旁通作为调相机构，为获取更好的调相效果，第二级脉冲管的惯性管和气库被置于第一级的冷头处。为了进一步调节第二级脉冲管中压力波质量流的相位差，将压缩机的气流引入二级脉冲管热端作为第二级脉冲管的双向进气。该制冷机在充气压力1.7 MPa，输入电功250 W的工况下，可以获得13.5 K的无负荷制冷温度，0.6 W@30 K的制冷量。文章对该制冷机实验结果进行了总结。

低温；脉冲管制冷机；气耦合

0　引言

斯特林型脉冲管制冷机具有体积小、重量轻、效率高、振动小和冷端无运动部件等优点，被广泛应用于低温物理实验、军事和空间探测等领域。目前已报道的单级斯特林型脉冲管制冷机已达到了13.9 K的无负荷制冷温度［1］，要进一步获取更低的温度宜采用两级或多级结构。

两级脉冲管制冷机分为气耦合和热耦合两种耦合形式。热耦合两级脉冲管制冷机需要两台压缩机分别驱动两台脉冲管冷头，通过用热桥或其他导热原件连接一级的冷端和二级蓄冷器的中间部分以达到预冷的目的，热耦合性脉冲管制冷机可以分为两个相互独立的系统，一级和二级可以分别在不同的充气压力和运行频率下工作，两级间的相互影响较小；气耦合型脉冲管制冷机将一级冷端引出的一股气流进入二级，在气耦合结构中，一级和二级脉冲管共用1套压缩机，两级需要在同一充气压力和运行频率下工作，调节其中一级的结构参数，也会对另一级产生影响，因此气耦合型脉冲管制冷机在研究难度上比热耦合型更高。

杨鲁伟等［2］在2005年研制了1台无负荷制冷温度可以达到19.6 K的气耦合型两级脉冲管制冷机。胡剑英等［3］在2008年研制研制了1台热声驱动的气耦合型两级脉冲管制冷机，在输入2 600 W热量的工况下，可以达到18.1 K的无负荷制冷温度。Dietrich等［4］2010年研制了1台在4.6 kW输入电功下可以达到13.7 K无负荷制冷温度，并且能够在25 K提供12.9 W制冷量的气耦合型两级脉冲管制冷机。

本实验室之前已成功研制出了1台无负荷制冷温度可以达到14.6 K的单级斯特林型脉冲管制冷机，能够在20 K提供386 mW制冷量［5］。为获取更低温度，在原有基础上增加了第二级结构，文章介绍了其结构与试验结果。

1　制冷机结构及实验装置

脉冲管制冷机结构如图1所示。制冷机由一个扫气体积为12 mL的线性压缩机驱动，在1.6 MPa充气压力下，该压缩机可以为脉冲管入口提供压比为1.36。运行时脉冲管二级冷头竖直向下放置，压缩机由1台变频交流电源驱动（菊水2000PCR）。

在第一级中，采用了多路旁通管作为调相机构。如图1所示，二级脉冲管的热端、气库和惯性管布置在一级脉冲管的冷端。为了降低系统的轴向导热损失，蓄冷器外壁和脉冲管均使用薄壁不锈钢管。两级蓄冷器都采用不锈钢丝网作为蓄冷材料。两级都采用了双向进气、气库和惯性管作为调相机构。根据文献［6］低温下的长颈管加气库结构可以获得更好的调相效果，所以在本实验装置中，二级的长颈管和气库被置于一级的冷头处。二级双向进气由压缩机前腔直接引入二级脉冲管热端，以增加二级脉冲管压比，并且调节二级脉冲管中压力波和质量流的相位差。由压缩机前腔到二级脉冲管热端的连管缠绕在蓄冷器外壁，由蓄冷器进行预冷，以减小由于热气直接进入二级热端而引起的漏热损失。为了减小辐射漏热损失，二级的气库同时起到辐射屏的作用，防止室温向二级冷头直接辐射热量。两级的冷头处都分别设有康铜加热丝用以测量制冷机的制冷量。水冷温度被设定为5℃。

图1　脉冲管制冷机结构图

2　实验结果与讨论

制冷机的降温曲线如图2所示。在250 W输入功率时，二级冷头温度在30 min之内可以从300 K降到50 K，之后90 min可以到达最低温度。由于一级冷头需要对二级气库进行冷却，所以一级冷头需要更长的时间才能到达最终稳定温度。

图2　制冷机的降温曲线图

在所测温度达到稳定状态后，分别对充气压力和工作频率进行调节。

2.1频率和压力对制冷机性能影响

表1和图3展示了运行频率对制冷机的影响。从表1中可以看出，随着运行频率从28 Hz逐步降低到26.5 Hz的过程中，所测三处的温度逐步降低。由于压缩机运行频率的降低，气体的流动阻力也随之降低，从而降低了工质的流动损失，令制冷机性能得到优化，在流动阻力降低的同时气体与蓄冷器的换热效果会降低，如果运行频率进一步降低，则二级冷头的最低温度开始上升。

表1　充气压为2.25 MPa时各部分温度随运行频率的变化

图3　充气压力为2.2 MPa时运行频率对最低温度的影响图

图4表示了在运行频率为26.5 Hz时，充气压力对无负荷制冷温度的影响。在实验范围之内，无负荷制冷温度随着充气压力的降低而单调降低。考虑到压缩机的设计工况，没有对制冷机在更低充气压力下的性能进行测试。

图4　运行频率为26.5 Hz时充气压力对最低温度的影响图

2.2蓄冷器对制冷机性能影响

在运行频率不变的情况下，充气压力的降低意味着质量流量的降低，这使得蓄冷器可以将工质气体冷却到更低的温度。这意味着蓄冷器的体积比热成为了阻碍无负荷制冷温度进一步下降的瓶颈。根据文献［8］，将蓄冷器中的不锈钢丝网替换为具有较大体积比热的稀土材料，如图5所示，可以进一步提高制冷机的性能，所以将蓄冷器最冷端4.5 mm的蓄冷器由不锈钢丝网更换为Er3Ni后，制冷机的无负荷制冷温度上升为14.5 K。经过测量，发现冷端为Er3Ni的蓄冷器阻力明显大于纯不锈钢丝网蓄冷器，导致二级脉冲管内压比降低，从而使得制冷机的整体性能下降，如图6所示。

图5　各种蓄冷材料比热曲线图

图6　蓄冷器阻力测量结果曲线图

2.3制冷机在不同充气压力和温度下的制冷量

图7表示在1.7 MPa和2.4 MPa时，二级冷头在不同温度下的制冷量。从图中可以看出，在较低的充气压力下，制冷机可以获得更低的无负荷制冷温度，但是在高于20 K时，较高的充气压力可以提供相对较高的制冷量。而表1给出，在充气压力1.7 MPa时，无负荷的最低温度可低至13.5 K，说明蓄冷器填料的比热较低，制约了制冷机性能的提升。

图7　制冷机在不同温度下的制冷量曲线图

图8为一级冷头的制冷量和一级冷头温度对二级冷头温度的影响。图中可以看出，在75 K时，一级冷头可以提供1 W的制冷量，一级冷头温度从56 K上升至75 K，二级冷头仅上升1.2 K。这意味着二级冷头的最低温度对一级冷头温度并不敏感，这为制冷机在不同温区同时提供冷量提供了可能。

图8　二级温度随一级温度的变化曲线图

由于在本结构中，气体需要穿过第一级和第二级蓄冷器之后才能够到达第二级脉冲管，导致与压缩机前腔相比，二级脉冲管内部压比明显降低，使得制冷机的性能进一步提升受到限制，若采用更高压比的压缩机，可以进一步提升制冷机的整体性能。

3　结论

文章介绍了一台新型的两级气耦合型脉冲管制冷机，制冷机仅使用不锈钢丝网作为蓄冷材料，在250 W输入功率时，无负荷制冷温度可达到13.5 K，可以在30 K提供600 mW制冷量。该制冷机可以同时在不同温区提供制冷量。由于在该制冷机中，二级蓄冷器中采用不锈钢丝网为蓄冷材料，而不锈钢在所工作温区比热明显下降，二级脉冲管中压比较小，所以如果采用高压比压缩机和高比热的蓄冷材料，制冷机性能有望获得进一步提升。

［1］Zhou Q，Chen L，Pan C，et al.Experimental Investigation on Regenerator Materials of Stirling-type Pulse-tube Refrigera⁃torWorkingat20 K［J］.PhysicsProcedia，2015，67：530-535.

［2］Yang L W，Thummes G.High frequency two-stage pulse tube cryocooler with base temperature below 20 K［J］.Cryogenics，2005，45（2）：155-159.

［3］Hu J Y，Luo E C，Li S F，et al.Heat-driven thermoacoustic⁃cryocooler operating at liquid hydrogen temperature with a uniquecoupler［J］.JournalofAppliedphysics，2008，103（10）：104906.

［4］Dietrich M，Thummes G.Two-stage high frequency pulse tube cooler for refrigeration at 25 K［J］.Cryogenics，2010，50（4）：281-286.

［5］Chen L，Zhou Q，Jin H，et al.386 mW/20 K single-stage Stir⁃ling-type pulse tube cryocooler［J］.Cryogenics，2013，57：195-199.

［6］任嘉，胡剑英，罗二仓，等.脉冲管制冷机调相机构的研究第四部分：低温下高效调相机构的调相能力研究［C］//第九届全国低温工程大会论文集，2009.

［7］De Waele A.Finite heat-capacity effects in regenerators［J］. Cryogenics，2012，52（1）：1-7.

EXPERIMENTAL RESEARCH ON A 13.5 K GAS-COUPLED TWO-STAGE HIGH FREQUENCY PULSE TUBE CRYOCOOLER

ZHU Xiao-shuang1，3，ZHOU Qiang2，DAI Wei1，ZHU Wen-xiu1，ZHOU Yuan1，WANG Jun-jie1
（1.Key Laboratory of Cryogenics，Technical Institute of Physics and Chemistry，CAS，Beijing100190，China；2.Beijing Key Laboratory of Space Thermal Control Technology，Institute of Spacecraft System Engineering，ChinaAcademy of Space Technology，Beijing100049，China；3.University of ChineseAcademy of Sciences，Beijing100049，China）

High frequency pulse tube cryocoolers have been widely used in many fields like physics experimental research and aerospace，for no moving part in cold region，low vibration and long life.A gas-coupled two-stage high frequency pulse tube cryocooler with single compressor is introduced in this paper.In the first stage of the cryocooler，double-inlet and multi-bypass has been adopted as phase shifters.To get a better performance in phase shifting the reservoir and the inertance tube of the second stage has been located on the cold head of the first stage.A stream of gas has been introduced from the compression chamber to the hot end of the second stage as the double-inlet of the second stage，in order to shift the phase difference of the mass flow and the pressure wave.With the charge pressure of 1.7 MPa，input power of 250 W，the no-load temperature of 13.5 K and the cooling capacity of 0.6 W@30 K has been achieved.The experiment has been reported.

cryogenic；pulse tube cryocooler；Gas-coupled

TB651

A

1006-7086（2015）06-0330-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.06.005

2015-09-03

国家自然科学基金项目（No.51176198；No.51327806；No.51276188）

朱啸爽（1990-），男，山东人，博士研究生，主要从事脉冲管制冷机研究工作。E-mail：zhxsupper@mail.ipc.ac.cn。