双温区双冷指斯特林制冷机的实验研究

李勇，潘雁频，张安，罗新奎，范超，冯天佑

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

双温区双冷指斯特林制冷机的实验研究

李勇，潘雁频，张安，罗新奎，范超，冯天佑

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

随着空间探测任务多元化的发展，要求空间低温系统能够在多载荷多温区提供不同冷量，以往的制冷机多以膨胀机串联式来达到要求，耦合难度大。双温区双冷指斯特林制冷机创新的采用一台压缩机驱动和两台并列膨胀机的新型结构，实现了在95 K和150 K提供不同冷量的要求，相比于两台斯特林制冷机，减小了重量和功耗，增加了集成度，相比于串联制冷机，减小了热耦合难度，降低了复杂性，在空间制冷的需求日益复杂化的背景下，为制冷机的紧凑性和集成度的方向提供了新的思路。

斯特林制冷机；线性压缩机；气动膨胀机；制冷量

0 引言

目前斯特林制冷机已被应用于通讯、气象、军事、航空航天、低温物理学、低温电子学、低温材料学、低温医学、低温光学、生物工程、地球资源勘探、微观粒子研究等高科技领域。其中斯特林制冷机在红外探测器中的主要应用是红外预警和监视、精确光电制导、红外热成像系统、红外遥感技术。随着新一代红外探测器在现代热成像、红外探测、跟踪、搜索系统中的应用，使探测器的元数以量级增加，大幅提高了探测器的分辨率和灵敏度，对制冷机的制冷温度、制冷量、工作寿命和可靠性等都提出更高的要求，因此星载斯特林制冷技术已成为我国遥感卫星急需突破的一项关键技术[1]。

1 实验目的

随着空间探测任务多元化的发展，未来的空间任务需要更大的制冷量满足焦平面和光学系统的需求，如35 K/5 W前级冷却、20 W以上100 K光学系统冷却、60 K/2 W前级冷却、180 K/10 W等，要求空间低温系统同时能够满足多载荷多温区不同冷量的需求，空间低温系统集成化、“总线化”，包括制冷机本体的集成和控制器的集成等，将降低空间低温系统的复杂性、重量，提高系统的可靠性。具有多级制冷能力制冷机比使用多个制冷机具有更高的系统效率。同时，探测器、光学镜头和光学架等需求多负载制冷的制冷机系统将对单压缩机驱动的集成技术有迫切的需求。

为满足不同温区、不同冷量的制冷要求，有报道的主要集成方式包括单压缩机驱动双级斯特林膨胀机或脉管膨胀机、单压缩机驱动两台分置的斯特林脉管膨胀机[2]、单压缩机驱动两台分置单级脉管膨胀机+斯特林膨胀机。

多缸膨胀指的是一台压缩机驱动并联的多个膨胀气缸在相同温位制冷的制冷机，菲利浦四缸空气液化器是多缸膨胀机制冷应用的一个典型实例，是一种具有四个并联膨胀气缸的整体式斯特林制冷机[3]。目前，国内外并无单压缩机驱动多台分置式单级斯特林膨胀机在不同温区制冷的先例。基于这个创新点，针对双温区斯特林制冷机进行了实验研究，制冷机包括一台压缩机和两台膨胀机，压缩机和膨胀机通过一个分置Y型管来连接[4]，如图1所示。

图1 一拖二制冷机内部构造简图Fig.1 The structureof thenew style refrigerator1.永磁体；2.膨胀腔；3.压缩腔；4.分置管；5.压缩活塞；6.板弹簧

2 实验方法

开始实验之前需要对试验各部分系统进行调试准备，具体操作如下。

2.1 制冷机真空系统

为满足绝热要求，在冷头外面包有真空多层涤纶镀铝薄膜，整个膨胀机装于真空杜瓦内，外部连接抽真空管道，被启动后用前级机械泵的分子泵连续的抽真空，以维持膨胀机外部的真空环境。外部风扇风冷，形成强制空气对流散热。

对真空绝热系统抽真空，要求其真空度可以达到10-5Pa。在测试时将真空分子泵与系统真空罩抽气孔连接，先打开机械泵进行抽真空，用复合真空计对真空度进行观察。当系统的真空度为1～10 Pa时，即可启动分子泵，同时观察读数，直至达到所需要的10-5Pa真空度。整个过程中，真空度应该呈现整体下降的趋势，如果过程中真空度出现异常的浮动，说明有地方泄漏，要重新进行气密性试验。

2.2 制冷机测量系统

测量系统由温度测量、制冷量测量以及真空度测量组成。其中温度测量采用铂电阻温度计PT100，在温度计上涂抹真空硅脂增强导热。温度计的引线为四线制，这样可以使引线的电阻影响很小，测量精度高，适用于精密测量。制冷量一般采用热平衡法进行测量，对于热接触良好的系统，当制冷机冷头产生的冷量和加热器产生的热量相互抵消时，系统就处于热平衡状态，这样可以通过计算加热量来获得制冷机冷头的制冷量。

2.3 实验步骤及注意事项

实验的开机步骤和需要注意的事项：

（1）气体置换：在开机之前，需要将制冷机系统进行气体置换。具体做法是先将斯特林制冷机的内部抽成真空，而后充入0.2 MPa的氦气，保持大约15 min，使氦气充分扩散并与吸附在制冷机内部表面的其他气体充分置换。再进行大约30 min的抽真空。然后重复上述步骤2～3次，气体置换过程结束；

（2）充气：充入实验所需的氦气。在充注气体时，阀门开度要尽量小，使气体缓慢进入压缩机。这是因为压缩机气缸之前处于抽真空状态，压力较低，气体通过很小的密封间隙进入，充入压力变化过大时，容易使活塞受力不平衡，可能造成压缩机的损坏；

（3）打开温度和冷量测量测量系统，同时打开外部风扇开关，加强散热；

（4）对真空绝热系统进行抽真空。启动机械泵，达到1～10 Pa时可启动分子泵，直至真空系统达到10-5Pa的真空度；

（5）启动压缩机输入变频电源。在启动之前，要将电压旋钮调至最小。调节实验所需的输入功率和频率。压缩机功率不是直接加到220 W，而是从50 W开始每隔1 min增加50 W以内的功率，逐步增加到220 W，让制冷机慢慢适应，避免启动过快以致撞缸、摩擦、磨损等不必要的麻烦。另外在调节频率过程中，要尽快跳过板弹簧的共振频率，以免对板弹簧造成损坏。

3 实验分析

整个实验系统原理如图2所示，其中外部有3台轴流风机，加强空气对流散热。

3.1 95 K膨胀机调试试验

试验总参数：输入功率110 W，充气压力2.5 MPa，在输入功率为110 W，冷腔初始温度294 K，经过13 min降温，达到最低制冷温度41.6 K，如图3所示，制冷量为@95 K/1.90 W。

图2 实验系统原理图Fig.2 The principle of the experimentalsystem

图3 95 K膨胀机降温曲线Fig.3 The cooling cuurve of95 K expander

图4按实际最佳工作频率由小到大变化，最低制冷温度先降低后增大，且在工作频率为52 Hz的时候，取得41.6 K的最低制冷温度，并且在此工况下也获得了1.9 W的最大制冷量，最低制冷温度和最大制冷量高度统一。

3.2 150 K膨胀机调试实验

实验中通过调节配重块质量和板弹簧刚度调节膨胀机固有频率。在输入功率125 W，充气压力均为2.5 MPa，工作频率为47 Hz时，初始温度293.8 K，降低到最低温度用时14 min，如图5所示，获得的最大制冷量为@150 K/10.098 W。工作频率在47 Hz得到最大制冷量，且最低制冷温度也在此频率下得到，如图6所示，此时膨胀机的固有频率等于工作频率，形成共振，制冷效果达到最佳。由图7、图8看出，大部分试验中，最佳工作频率近似等于膨胀机的固有频率，理论分析和实验部分较为吻合。

图4 95 K膨胀机最佳工作频率与最低温度的关系曲线Fig.4 The relationship between frequency and temperature of 95 K expander

图5 150 K膨胀机降温曲线Fig.5 The cooling cuurveof 150 K expander

图6 150 K膨胀机实际工作频率与最低温度关系曲线Fig.6 The relationship between frequency and temperatureof 150 K expander

图7 150 K膨胀机理论工作频率与冷量关系曲线Fig.7 The relationship between frequency and temperature of 150 K expander

3.3 联机实验

随联管长度的增加，气体弹簧刚度和压缩机固有频率均减小。并且连管内工质的流阻损失随着管长的增加而增加，故而在满足基本的连接尺寸的基础上，Y形管要尽量的减小长度和空容积。充气压力为2.5 MPa，输入功率为220 W，调节两膨胀机的固有频率均为52 Hz。实验中调试不同充气压力，得到的两膨胀的降温曲线分别如图9和图10所示。

图8 150 K膨胀机实际工作频率与冷量关系曲线Fig.8 The relationship between frequency and temperature of 150 K expander

图9 不同充气压力下150 K膨胀机降温曲线Fig.9 The cooling curve of150 K expanderunderdifferent pressure

图10 不同充气压力下95 K膨胀机降温曲线Fig.10 The cooling curve of 95 K expanderunderdifferent pressure

随着充气压力的增大，膨胀机冷头的降温速度明显加快，且最低制冷温度分别为75.9 K、61.7 K和62.4 K。95 K膨胀机在不同充气压力下的最低制冷温度分别67.4 K、60.6 K和62.4 K。其中充气压力为3.5 MPa时降温速度最快，150 K膨胀机在12 min后就降低到了63.5 K，剩余时间只降低了约1 K的温度；95 K膨胀机在12 min就降低到66.4 K，剩余时间仅降低4 K。

并且在3.5 MPa充气压力下，在15 min时，两膨胀机均降低到63 K；19 min时均降低到了最低温度62.4 K。因两膨胀机通过Y型连管与压缩机相连，两膨胀腔内的膨胀过程是在相同压力下同时发生的，因而产生同温位制冷。

图11为在压缩机工作频率均为46 Hz，其余工况全部一致，充气压力分别为2.5 MPa、3.0 MPa、3.5 MPa下两膨胀机的制冷量，随着充气压力的提高，制冷量明显增大。

图11 46 Hz下不同充气压力制冷量曲线Fig.11 The refrigeration atdifferentpressure

图12输入功率220 W，充气压力3.5 MPa，其他工况相同的情况下，随着工作频率的改变，制冷机在46 Hz时有着最大的制冷量。一般较高的工作频率意味着较大的制冷量，而联机实验最佳工作频率小于固有频率52 Hz，这是因为两个膨胀机并联，与压缩机的相位差相互影响，且各静压损失和动压损失也为两膨胀机的损失相加，所以实验最佳工作频率必然低于两膨胀机的固有频率。其中静压损失包括对流和导热损失、热辐射损失和接触面损失；动压损失包括穿梭损失、空容积损失、流体压降损失、机械摩擦损失等。

双温区双冷指制冷机联机实验调试中，需要多个参数的耦合调试，过程较为复杂。实验结果表明联机实验后，显然制冷机冷量较单机有大幅下降，这说明实验调试还未找到两膨胀机的最佳适配参数，部分器件由于加工精度、装配等问题导致的漏热损失远大于估计值，故联机实验还需要进一步的调试。且95 K膨胀机的性能较150 K膨胀机下降较大，所以在频率调节时应使工作频率更倾向于95 K膨胀机的固有频率。同时在Y形连管的设计中应该考虑减小95 K膨胀机连管的流动阻力，加粗其管径。

图12 3.5 MPa不同工作频率的制冷量曲线Fig.12 The refrigeration atdifferent ferquency

4 实验结论

对“一拖二”形式的斯特林制冷机进行预先实验研究，实现了不同温位的制冷。由于分置气动的双温区双冷指制冷机理论基础较为薄弱，工质通过管道、回热器、余缝容积等会有较大的压力损失和换热损失，另外两膨胀机同频率制冷下的耦合调节较为困难，这都增加了实验的难度。并且，联机实验目前的最优实验效果是充气压力为3.5 MPa，压缩机运行频率47 Hz，输入220 W的功率时，两膨胀机分别达到1.4 W@95 K和7.83 W@150 K的制冷量。尽管这种集成结构的制冷机没有达到预期的目标，但是实验结果表明，并联式多膨胀机斯特林制冷机具有较强的实用应用价值，并为制冷机集成方式提供新的参考思路，以后甚至可能实现分置式“一拖多”等新型集成结构的斯特林制冷机。

[1]朱建炳，潘雁频.星载斯特林制冷机技术研究发展[J].真空与低温，2005，10（3）：131-138.

[2]曹永刚，陈曦，吴亦农，等.单直线压缩机驱动双脉管冷指的实验研究[J].低温工程，2013（1）：15-18.

[3]陈国邦，汤坷.小型低温制冷机原理[M].北京：科学出版社，2010：120-121.

[4]吕文杰，霍英杰，朱建炳，等.双温区双冷指斯特林制冷机连管的设计[J].真空与低温，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，陕西商洛人，硕士研究生，主要从事空间制冷技术研究。E-mail：443434529@qq.com。