回热材料Gd2O2S在液氦温区高频脉管制冷机的实验研究

李晓永，全加，刘彦杰，蔡京辉，叶荣昌

（1.中国科学院理化技术研究所，北京100190；2.中国科学院大学，北京100049；3.北京科技大学，北京100083）

回热材料Gd2O2S在液氦温区高频脉管制冷机的实验研究

李晓永1，2，全加1，刘彦杰1，蔡京辉1，叶荣昌3

（1.中国科学院理化技术研究所，北京100190；2.中国科学院大学，北京100049；3.北京科技大学，北京100083）

液氦温区高频脉冲管制冷机具有体积功耗小、质量轻、低振动等优点，因此在太赫兹通信、深空探测和空间科学实验等方面的应用具有独特的优势，是国内外深低温机械式制冷机的研究热点。而低温回热材料的性能是制约深低温制冷机发展的关键因素。利用实验室自主设计的液氦温区两级脉冲管制冷机及北京科技大学提供的Gd2O2S（GOS）材料，从填充长度等方面，对回热材料在液氦温区高频脉冲管制冷机的应用进行了实验研究。实验结果表明，在目前工况下，回热材料HoCu2的实验效果是优于GOS，并对此做出了分析和解释。

液氦温区；回热材料；GOS

0 引言

液氦温区斯特林型脉冲管制冷机具有结构紧凑、质量轻、可靠性高等优点[1-2]，可以为深度空间探测、卫星对地成像与探测和弱磁测量等领域提供必不可少的低温环境。因此，洛克西德马丁、诺斯洛普·格鲁门公司（NGST）、浙江大学、中科院理化所等机构对液氦温区脉冲管制冷机都展开了相关的研究。

回热器作为制冷机关键的部件之一，其主要作用是传递制冷循环过程中的冷量。而回热材料的蓄冷能力则是影响回热器换热至关重要的因素[3]，理想的回热材料应具有较高的体积比热容。研究显示，只有回热材料的体积比热容比氦气的体积比热容大时，制冷机回热器才具有较高的回热效率。在30 K以下温区，不锈钢丝网等材料的体积比热容要小于氦气的体积比热容[4]。因此，在深低温区具有高比热的回热材料是液氦温区高频脉冲管制冷机的一个重要研究方向。针对两级液氦温区空间斯特林型脉冲管制冷机，对回热材料GOS进行了实验研究，从填充长度等方面研究其对脉冲管制冷机性能的影响。

1 实验装置简介

实验装置采用自主设计的两级制冷机结构，如图1所示。该结构采用热耦合的方式，第一级制冷机为预冷级脉冲管制冷机，主要作用是冷却二级脉冲管制冷机，降低二级制冷机热端的温度；第二级脉冲管制冷机为低温级脉冲管制冷机。一级制冷机的回热器填充不锈钢丝网。而二级制冷机的多路旁通与冷头之间的回热器，即顶端回热器，采用Er3Ni、HoCu2和GOS等回热材料进行不同形式的分层填充。

两级脉冲管制冷机之间采用热桥连接。热耦合方式让两级脉冲管制冷机只进行热量交换，而工质的流动彼此之间相互独立，因此两级制冷机的相位可以独立的调节。一级制冷机利用惯性管加气库的方式进行相位调节，而二级制冷机则采用双向进气、多路旁通、低温惯性管和低温气库等多种调相方式。在此制冷机装置上对GOS材料在高频脉冲管制冷机的实际使用性能进行了实验测试。

图1 两级高频脉冲管制冷机结构示意图Fig.1 Schematic of the two-stage high frequency pulse tube cryocooler1、7.压缩机；2.过渡蓄冷器；3、10蓄冷器；4.多路旁通；5、11.脉管；6、12.冷头；8、14.气库；9、15.惯性管；13.热桥；16.双向进气

2 实验结果

高频脉冲管制冷机中的回热器是一种高效的换能器，在制冷机工质压缩和膨胀的过程中不断的释放和吸收冷量。而回热材料的体积比热容是反映单位体积回热材料能量存储能力的关键参数。根据图2所示不同蓄冷材料的体积比热容随温度的变化曲线可知，在5 K温区以下，GOS材料的比热容存在一个较高的峰值；在5～10 K温区，钬铜的比热容较大；在10～30 K温区，Er3Ni和铅的体积比热容较好。而在高频脉冲管制冷机中，铅球作为回热材料，其制冷效果较差[5]。这是由于铅的热导率较高，从而有可能造成制冷机较大的冷量损失，此外铅球阻力系数较大，造成回热器内较大的压降损失。因此，采用GOS、HoCu2、Er3Ni等三种回热材料作为顶端回热器的填充材料。而在显微镜下观察表明，回热材料钬铜和GOS均呈现不规则的形状。

图2 回热材料的体积比热容随温度的变化曲线[6]Fig.2 Temperature dependence of the volumetric specific heatof regeneratormaterials

根据前人的研究结果显示，采用合理的分层填充，可以提高回热器的换热效率，使制冷机获得更好的性能[7]。如图3所示，在多路旁通与二级冷头之间的部分，即顶端回热器部分，采用Er3Ni、HoCu2和GOS等回热材料进行不同形式的分层填充。

图3 分层填充的形式Fig.3 The design ofmulti-layer filled style1.Er3Ni（颗粒直径约0.089 mm）；2.Er3Ni（颗粒直径约0.061 mm）；3.HoCu2（颗粒直径约0.053 mm）；4.GOS（颗粒直径约0.053 mm）；5.HoCu2+GOS（颗粒直径约0.053 mm）

由于不同回热材料的最佳工作温区不同，而GOS的最佳工作温区仅为6 K以下。因此，需要对GOS的最佳长度进行优化，以保证其工作在最佳温区。在Case1～4中，Er3Ni和HoCu2的填充长度不断增大，而GOS的填充长度不断减小，直至为零。即在实验中不断增大在6～30 K温区具有高比热容的蓄冷材料的填充长度，不断减小在6 K温区以下具有高比热容的蓄冷材料的填充长度。

对GOS长度的系列测试中，一级制冷机的输入功率250 W，工作频率43 Hz，充气压力3.5 MPa保持不变。而二级制冷机的输入功率200 W，充气压力1.3 MPa保持不变，Case1、2、3的最佳工作频率均为23 Hz，而Case4的最佳工作频率为25 Hz。如图4所示，二级制冷机冷头的最低无负荷温度随着GOS长度的减小而降低。在GOS的填充长度为零时，最低无负荷温度最低，为5.043 K。如图5所示，二级制冷机的制冷量随GOS长度的减小而增大，在GOS的填充长度为零时，制冷机的制冷量最大，为57.8 mW@ 15 K。即制冷机的性能随GOS长度的减小而不断提高，当GOS长度为零时，制冷机的性能最佳。

图4 最低无负荷温度随GOS长度的变化曲线Fig.4 The cold end temperature varying filling length ofGOS

图5 制冷量随GOS长度的变化曲线Fig.5 The cooling capacity change varying filling length of GOS

由Case1、2、3的实验结果可知，回热器底部填充GOS时，二级制冷机最低无负荷温度未能达到6 K以下，即GOS未在其最佳温区工作，反而降低了顶端回热器的蓄冷能力。而由Case4实验结果可知，回热器底部填充HoCu2时，二级制冷机最低无负荷温度在6 K以下。因此为了保证制冷机达到GOS最佳的工作温区，将Case3中一部分HoCu2与GOS进行混合填充，其他实验条件保持不变，即Case5。如图6所示，在二级制冷机输入功率为100、150、200 W时，图为Case3与Case5的最低无负荷温度的实验结果比较。由实验结果可知，制冷机性能并未得到提高，反之最低无负荷温度是略有增大。

图6 混合填充前后最低无负荷温度的比较曲线Fig.6 The comparison of the cold end temperature before and aftermixed filing

从实验可以得出，对制冷机的性能而言，Case4实验效果是最佳的。即在顶端回热器中填充Er3Ni和HoCu2，制冷机性能是最佳的。因此，在该制冷机的运行工况下，钬铜在5 K温区的蓄冷能力要优于GOS的。

3 实验结果分析

利用回热器软件REGEN，对GOS在制冷机中的使用性能进行了分析。REGEN模拟输入的回热材料的参数，如填充材料、长度和颗粒直径等方面，与实验中一致，如表1所列。在相同的工况下，如图7所示，随着GOS长度的减小，回热器的效率和制冷量随之增大，与实验的变化趋势一致。当GOS填充长度减小至零时，即回热器冷端处只有钬铜时，制冷量和回热器效率COP是最大的。因此REGEN的模拟结果也表明，回热材料钬铜在5 K温区的蓄冷能力是优于GOS的。

表1 REGEN模拟输入的主要参数Table1 The input parametersof the simulation in REGEN

图7 COP和制冷量随GOS长度的变化曲线Fig.7 The cooling capacity and COP varying filling length of GOS

针对实验结果及模拟分析，从回热材料的几何参数及热物性参数等方面进行具体的分析计算。热穿透深度是回热材料的重要的热物性参数之一，表示单位时间内回热材料参与换热的有效深度，表达式如式（1），热穿透深度的增加会增加回热材料的传热面积。根据回热材料的物性参数及制冷机的工作参数计算得出，在5～15 K温区，回热材料GOS的热穿透深度是大于HoCu2的，如图8所示。因此，从热穿透深度方面的分析和比较得出，回热材料GOS是优于钬铜的，并不是其导致实验性能下降的原因。

此外，为保证气体工质与回热材料的充分换热及减小气体流动过程中的阻力损失，回热材料的水力直径必须相当或小于气体工质的热穿透深度，相当或大于气体工质的黏性渗透深度。由式（1）、式（2）及氦气的热物性参数计算得出，氦气在6 K温区的热穿透深度和黏性渗透深度分别为0.025 mm和0.023 mm。而根据式（3）及回热材料的几何参数计算得出，钬铜和GOS在6 K温区的水力直径大约均在0.023 mm左右。分析计算可知，回热材料GOS从水力直径等方面考虑，也不是其导致实验效果较差的原因。

图8 回热材料在23 Hz下热穿透深度随温度变化曲线Fig.8 The change curve of the regeneratormaterials’thermal penetration varying the temperature in the frequency of 23 Hz

GOS材料本身较高的热导率，会造成较大的轴向导热损失，致使顶端回热器的温度梯度减小，造成制冷机较多的漏热损失，如图9所示。因此，GOS材料较高的热导率是造成制冷机性能下降的重要原因之一。

图9 回热材料的热导率随温度的变化Fig.9 The thermal conductivity of the regeneratormaterials varying the temperature

此外减小回热器内填充材料的颗粒直径，可以增大换热面积，提高制冷机回热器的效率。而过度减小颗粒直径，回热器内的压降损失增加，同时会降低制冷机冷端的PV功，造成制冷机的性能降低。因此将在后续的工作中，针对GOS材料的颗粒直径等方面继续展开相关的研究。

4 结论

虽然GOS材料在5 K温区具有更高的体积比热容，但是对回热材料GOS在极低温高频脉冲管制冷机的实验测试结果和模拟分析表明，在5 K温区，GOS并不适合作为制冷机回热器的回热材料，将带来制冷机的最低无负荷温度的明显升高。文章从热穿透深度，黏性渗透深度和水力直径等方面计算分析了GOS作为6 K以下温区回热材料的可行性，但是其较高的热导率和换热面积不足等原因可能是导致其回热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

李晓永（1989-），男，河南安阳人，硕士研究生，主要从事液氦温区制冷机研究工作。E-mail：xyl@mail.ipc.ac.cn。