空间用3 W@80 K脉冲管制冷机实验研究

张安阔 刘少帅 朱海峰 蒋珍华 阚安康

(中国科学院上海技术物理研究所 上海 200083)

空间用3 W@80 K脉冲管制冷机实验研究

张安阔 刘少帅 朱海峰 蒋珍华 阚安康

(中国科学院上海技术物理研究所 上海 200083)

为冷却某空间用红外探测器，研制了一台斯特林型脉冲管制冷机。该制冷机为单级同轴型结构，整机重量4.5 kg，设计寿命5年。系统介绍了脉冲管制冷机系统结构及实验装置，测试了制冷机性能及其与杜瓦耦合后的降温特性曲线，实验结果表明，脉冲管制冷机在80 K可提供0—3 W制冷量，比卡诺效率11%，其制冷量可充分满足杜瓦组件的低温和长寿命的工程需求。

脉冲管制冷机 3 W@80 K 杜瓦 红外 实验研究

1 引 言

红外探测器正常工作通常需要一个合适的温度环境，包括20 K以下的超长波温区、40 K附近的长波温区、90 K附近的红外温区以及200 K附近的紫外温区[1]。各类探测器尤其空间用红外探测器的迅猛发展，推动了小型低温制冷技术的快速进步。1963年，Gifford和Longsworth提出了脉冲管制冷机概念[2]，但此时的制冷性能较低，很难满足项目冷量需求。随着一些关键技术问题得到了解决，近年来,脉冲管制冷机制冷效率有了很大提升，促进了其工程应用的进展。星载脉冲管制冷机工作过程为逆向斯特林循环，即等温压缩、定容放热、等温膨胀和定容吸热4个基本过程，利用外部能量的输入，采用主动闭合回热式交变流动制冷循环，在冷端相应温区提供红外探测器所需冷量。脉冲管制冷机的显著特点就是在低温端没有机械运动部件，且其具有结构简单、效率高、体积小、重量轻、冷端低振动、高可靠性及长寿命等诸多优点[3-4]，能较好地满足空间工程应用需求。

本研究研制了一台斯特林型单级同轴型脉冲管制冷机，用于冷却某空间用中波红外探测器。介绍了脉冲管制冷机和杜瓦组件的结构特点和耦合方法，实验研究了制冷机性能以及与杜瓦组件耦合后的冷却效果，验证了制冷机高效的制冷性能，具备满足红外探测器正常工作的低温制冷能力。

2 实验装置

图1是脉冲管制冷机系统及杜瓦组件耦合装置简图。整个组件包括脉冲管制冷机系统和杜瓦系统，脉冲管制冷机与杜瓦采用直接插入接触式耦合方式，制冷机冷端和杜瓦内光学组件接触良好。

图1 脉冲管制冷机杜瓦组件结构简图Fig.1 Component diagram of pulse tuberefrigeratord and dewar

制冷机系统包括3个部分。一是压缩机部分，采用对置式活塞压缩机，为系统提供不同频率和功率的压力波；二是冷指部分，包括回热器热端换热器、蓄冷器、冷端、脉冲管和热端换热器等。冷指部分通过系统内往复穿梭振荡的可压缩流体工质与固体介质之间相互换热作用时产生时均能量效应而制冷；三是调相机构(惯性管和气库)，调节并优化整个系统的质量流、压力波相位以及两者间的相位差值大小。系统内相位关系的优化对整机制冷性能好坏非常重要[5]。在高频脉冲管制冷机中，压力、质量流和温度的波动都十分接近于正弦波。本系统中换热器均采用狭缝式换热结构，换热效率高[6]。回热器内部填料为400目不锈钢丝网，水力直径为55.8 μm。脉冲管为薄壁钛合金结构，两端填有数片低目数磷铜丝网作为导流丝网，这样有利于实现氦气工质在脉冲管内的层流流动，减小紊流换热损失[7]。惯性管采用组合式惯性管，由两段不同内径和不同长度的铜管连接而成，用于调节制冷机系统需要的相位值。参照美国NIST的Radebaugh焓流理论，当回热器冷端质量流滞后于压力波相位30°时，输入相同PV功，回热器中的损失小，制冷机性能较好[8-9]。而组合惯性管具有较强的相位调节能力，可在制冷机热端温度和运行频率等参数改变时，调整系统相位值，有利于制冷机在空间轨道稳定和长寿命运用。制冷机采用对置式线性压缩机驱动和纯惯性管气库的调相方式，冷指为同轴型结构，该制冷机结构具有紧凑、稳定性高等特点，广泛用于空间军事项目。

杜瓦由低温组件、真空腔体及杜瓦外壳等部件组成[10]。低温组件部件是制冷型红外探测器模块的核心载体，主要由冷端、导热片、冷平台和探测器模块等构成。低温组件的底部与制冷机冷端紧密连接，其接触面接触良好，有利于冷量的传导。温度传感器布置在低温组件的一侧，与冷端有一定的热传导距离，造成在整个组件制冷漏热平衡时该处与冷端间存在几度的传热温差。整个杜瓦内采用真空处理，大大降低了系统的辐射漏热。研制过程中需要重点关注杜瓦外壳的辐射漏热和电引线、芯柱等热传导损失，从而保障杜瓦组件良好的保温效果，整个杜瓦置于真空罩内，真空度需保持在10-4Pa以下。

3 实验结果及讨论

3.1 脉冲管制冷机性能测试

脉冲管制冷机为一台斯特林型同轴型脉冲管制冷机，整机质量4.5 kg，其中压缩机质量3.5 kg。实验过程中系统充气压力3.0 MPa，整机最优工作频率62 Hz，回热器热端水冷温度为300 K，压缩机冷却方式为强制风冷。

图2为制冷机的降温曲线。脉冲管制冷机输入功率维持在80 W运行，10分钟后，冷端温度可降至61 K；20分钟后，制冷机可获得48 K 的最低温度。图3是脉冲管制冷机的制冷曲线图，可知，固定制冷温度为80 K，冷端制冷量随压缩机输入电功的增加成线性变化，当冷端提供0.5 W制冷量时制冷机需26 W输入电功，1 W时需34 W电功。制冷机最大可提供3 W制冷量，此时的输入电功为74 W，比卡诺效率为11%。通过制冷机性能试验可知，制冷机在80 K具有良好的制冷性能。

图2 脉冲管制冷机降温曲线Fig.2 Cooling curve of pulse tube refrigerator

图3 脉冲管制冷机制冷性能曲线Fig.3 Performance diagram of pulse tube refrigerator

图4 制冷机杜瓦组件降温曲线Fig.4 Components’ cooling curve

3.2 制冷机杜瓦组件耦合测试

图4为制冷机运行时杜瓦内温度传感器温度变化曲线，考虑到杜瓦内低温组件的结构可靠性，需控制降温速度。制冷机刚开机时输入电功为1 W，3分钟后输入电功增加至19 W。由图可知，随着脉冲管制冷机的正常运行，在制冷机冷端产生冷量，冷量及时传至低温组件，表现为杜瓦内温度传感器温度在前3分钟内缓慢下降，之后温度急速下降。7分钟时温度降为209 K，14分钟降为110 K，20分钟降为82 K，而后经过一段时间的热平衡过程，传感器温度最终稳定在80 K温区。基于该实验结果，在外部条件相近的条件下，可用热平衡法反推杜瓦的漏热情况，假定杜瓦温度传感器与制冷机冷端存在一定的温度差，即当温度传感器温度到达80 K时，此时制冷机冷端温度低于该温度。

根据脉冲管制冷机单机实验结果可知28 W输入功在80 K可获得冷量约为0.5 W，因此可推算出该脉冲管制冷机杜瓦组件性能测试过程中，传感器温度稳定在80 K时，杜瓦整体漏热约为0.5 W，杜瓦具有较高的热屏蔽性。

4 结 论

空间用某红外探测器正常工作在液氮温度，需要小型低温制冷机为其提供低温环境。本文研制了一款3 W@80 K同轴型脉冲管制冷机，整机重量为4.5 kg，完成了制冷机性能实验研究，验证了脉冲管制冷机在80 K温区具有良好的制冷性能，在74 W输入电功下可提供3 W的制冷量，比卡诺效率11%。当制冷机与杜瓦耦合成组件后，制冷机在28 W的输入电功下可将杜瓦组件冷却至80 K，基于热平衡法反推杜瓦的漏热约为0.5 W。制冷机80 K可提供3 W的冷量充分考虑了整个探测器组件5年以上的工作寿命需求。本文通过脉冲管制冷机的实验研究，验证了脉冲管制冷机良好的制冷性能以及其与杜瓦组件理想的耦合效果，为接下来的红外探测器的相关科学实验提供保障。

1 汤定元. 光电器件概论[M]. 上海：上海科学技术文献出版社,1989.

Tang Dingyuan. Overview of photoelectric device[M]. Shanghai：Shaihai Scientific and Technical Publishers, 1989.

2 Gfford W E, Longsworth R C. An experimental investigation of pulse tube refrigetation heat pumping rates[J].Adrances in Cryogenic Engineering 1976(12):608-618.

3 Ross R G, Boyle Jr R F.An Overview of NASA Space CryocoolerPrograms-2006[C].Cryocooler 14,2007:1-10.

4 Raab J, Tward E. Northrop Grumman Aerospace Systems cryocooleroverview[J]. Cryogenics, 2010,50: 572-581.

5 Radebaugh R. Thermodynamics of Regenerative Refrigerators, Generation of Low Temperature and It’s Applications, 2003:1-20.

6 Taekyung Ki, Sangkwon Jeong. Stirling-type pulse tube refrigerator with slit-type heat exchangers for HTS superconducting motor[J]. Cryogenics 2011,51:341-346.

7 Ercolani E, Ponce J M, Charles I,et al.Design and prototyping of a large capacity high frequency pulse tube [J]. Cryogenics, 2008,48:439-447.

8 Radebaugh R. Development of Miniature, High Frequency Pulse Tube Cryocoolers[C]. Proceedings of SPIE 7660, 2010.

9 Cai Huikun, Yang Luwei, Luo Ercang,et al.A 300 Hz two-stage pulse tube cryocooler that attains 58 K[J].Cryogenics,2010,50:469-470.

10 张海燕，管建安，汪 洋,等.一种在线测量杜瓦冷损的数值方法[J].半导体光电,2015,36(6)：909-913.

Zhang Haiyan, Guan Jianan, Wang Yang,et al. A numerical method of in-situ measurement of dewar heat leakage[J].Semiconductor Optics,2015,36(6)：909-913.

Experimental study on an aerospace Stirling type pulse tube refrigerator with 3 W@80 K

Zhang Ankuo Liu Shaoshuai Zhu Haifeng Jiang Zhenhua Kan Ankang

(Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200083,China)

A Stirling type pulse tube refrigerator (PTR)has been designed and manufactured for cooling an aerospace einfrared detector. The PTR is coaxial and its whole weight is 4.5 kg with the lifetime of 5 years. The structure and experimental equipment of PTR are described and its cooling performance and cooling curve are presented, respectively. The results show that the PTR can offer 0—3 W cooling power at 80 K temperature and its Carnot efficiency is 11%. After the PTR is coupled with the dewar assembly, the assembly can be cooled down to 80 K with 28 W input power of the PTR. It is found that 3 W cooling power of the PTR can fully meet the cooling requirement of the infrared detector.

pulse tube refrigerator; 3 W @ 80 K; dewar; infrared;experimental study

2016-06-15；

2016-09-29

上海市自然科学基金(16ZR1441500)项目资助。

张安阔，男，34岁，博士。

TB651

A

1000-6516(2016)05-0030-03