摘 要：理论研究表明DC流(Direct Current flow)存在于大多数双向进气结构的脉管制冷机中。开展了10 K以下多级斯特林脉管的实验研究，考察了在液氦温区斯特林脉管内直流流动对制冷机性能影响的规律。在采用双向进气结构对DC流流向及流量适当控制时，制冷机性能得到明显提升，在8—7 K温区适当的DC流下冷端由7.42 K降低至7.16 K。
关键词：脉管制冷机 回热器损失 DC流 液氦温区
1 引 言
从20世纪60年代年Gifford和Longsworth发明有制冷效果的基本型脉管以来，由于脉管制冷机具有冷端无运动部件及相对于其它类型制冷机在寿命、振动、可靠性和价格等方面的优势，更多的学者对其应用产生兴趣并开始研究 [1]。1984年，前苏联科学家Mikulin在基本型脉管制冷机的脉管和热端换热器间增加节流小孔，使用空气作为工质的最低温度达到105 K[2]。1986年，美国国家标准技术研究院的Radebaugh博士将小孔从脉管与热端换热器之间移到气库与热端换热器之间，并用针阀代替小孔。采用氦气为工质，得到60 K最低制冷温度[3]。1990年，朱绍伟等提出了双向进气型脉管制冷机方案，使得制冷机性能得到显著提升，单级脉管制冷机最低制冷温度降低至42 K[4]，相比小孔型降低13 K。双向进气结构减轻了回热器热负荷，进一步分析发现双向进气具有增强调相的作用，预计使得使得制冷机内部获得更优的相位关系,因此双向进气显著地提高制冷性能。双向进气结构在国内外多个研究机构均得到验证[5-7]。双向进气结构是脉管制冷机重要的调相方式，尤其是G-M型脉管制冷机突破液氦温区的重要技术之一。
1996年,日本学者Seki等人指出，使用双向进气结构的脉管制冷机在长期运行中会出现温度波动，而这种波动是由双向进气阀门带来的环流引起的[8]。随后，Gedeon首次理论上分析了脉管制冷机中环路引起的DC流特性，相关机理及计算方法[9]。此后，研究者将双向进气产生的此环流称为Gedeon直流(DC flow)，直流不仅从热端流向冷端附加热流增大冷端换热器负荷，还可能使制冷温度不稳定甚至恶化制冷性能。脉管内的直流问题在一定范围内也限制了双向进气结构的应用。由此直流效应被正式提出并引起广泛重视。
为了抑制双向进气引起的直流，研究者开始尝试多种措施。1997年，巨永林等在环路打开下采用热线风速仪测量到进出口制冷不平衡现象，观察并证实了多路旁通脉管制冷机内DC流的存在。随后通过分析旁通阀开度与制冷机内质量流关系，证实了适当的多路旁通调节可以抑制双向进气导致的脉管内直流现象[10]。同时，浙江大学邱利民等提出第二小孔创新结构，通过小孔阀将气库与压缩机低压侧连接，引入一股可控直流来消除双向进气带来的直流，使得二级脉管达到了3.1 K[11]。Swift等由流体力学角度出发对DC流产生机理进行分析，提出利用流体阻力来消除和控制直流，且取得明显效果[12]。随后，王超等采用串联两个双气进气阀的方式研究了单级脉管制冷机中双向进气与DC流控制间的关系[13]。浙江大学甘智华等在分析单阀双向进气问题的基础上提出采用双阀结构，实验结果表明该阀门结构可以对脉管制冷机的直流进行有效控制，是使脉管制冷机单级情况下达到低于20 K温区的有效手段[14]。1998年，王超等理论和实验研究了液氦温区G-M脉管制冷机中DC流调节和控制的影响。结果显示，在G-M脉管制冷机中适当的DC流量控制可以提高液氦温区脉管制冷机性能，4.2 K下制冷量由260 mW增大到460 mW[15]。以上针对G-M型脉管制冷机研究结果表明，有效的DC流调节和控制可以提高脉管制冷机性能。
相对于G-M型脉管制冷机，斯特林型脉管制冷机通常运行于30—60 Hz频率范围，体积更为紧凑，且有着更高的潜在电功转化效率。斯特林型脉管制冷机主要采用惯性管作为调相装置，实验表明在高频情况下要优于小孔气库调相[16]。不同于G-M型脉管制冷机，由于使用高频惯性管调相方式且DC流存在温度波动不确定性等问题，因此在斯特林型脉管尤其是液氦温区斯特林型脉管制冷机中，很少采用双向进气结构形式。针对带有DC流的双向进气结构应用到液氦温区斯特林型脉管制冷机中是否同样可以有效提高制冷性能的问题，本研究将调节DC流的双向进气结构应用到三级斯特林脉管制冷机上，实验研究DC流调节和控制在液氦温区斯特林脉管制冷机中的影响规律。
2 实验装置介绍
本文DC流实验装置主体为自制液氦温区三级斯特林型脉管制冷机 [17-18]。图1示出了第三级脉管热端(20 K温区)通过毛细管穿出真空罩后与一组高精度可调针阀组成的阀门组相连，该阀门组另一端接压缩机出口。规定从回热器热端流向冷端为正向。DC流支路选用内径0.5 mm的不锈钢管。
在100—300 K 和7—100 K制冷机温度位区间分别布置了4只铂电阻温度计和8只铑铁电阻温度计，温度计测量精度均为0.1 K，数据采集相应的分别为Lakeshore218温度采集仪器和Keithley2000。二级冷头、三级冷头回热器和脉管侧均采用Cernox温度传感器，其测量精度为0.01 K。
图1 带DC流回路的第三级斯特林型脉管制冷机试验装置示意图
Fig.1 Schematic of the three-stage SPTC with DC flow loop
3 实验研究和讨论
图2为第三级冷端最低温度随不同阀门开度下DC流量变化实验结果。由图中曲线可以看出，当DC=0时，冷端温度为7.42 K。随开度增大，冷端温度逐渐减小，在阀开度为50时，冷端温度最小为7.16 K。随后开度进一步增大，冷端温度开始增大。
图2 第三级冷端最低温度随DC流量变化实验结果
Fig.2 Measured no-load temperatures of the third stage as function of opening of the DC Valve
降低预冷温度对于制冷机调相能力影响非常重要，预冷温度越低，惯性效应越强，调相能力也越大。同时，降低预冷温度对于增大绝热膨胀效率及减小回热器轴向损失也很重要。在调节DC流时发现，流量大小对热耦合第二级冷端温度有影响。图3为第二级预冷温度随DC流量变化实验结果。由曲线可以看出，当流动方向为正时，随着流量增大，第二级冷端温度减小，DC从0增大到20小格时，二级温度Tc2从28 K降到26.85 K，随后降幅减小，当开度为90时二级温度Tc2降低到26.2 K。由图8知冷端温度对应最佳开度为50—60小格。因此，虽然增加开度带来预冷温度降低，但当直流流量增加到一定程度回热器内损失加剧，最终使得性能下降。
图3 第二级冷端温度随DC流量变化实验结果
Fig.3 Measured temperatures of the second stage as function of opening of the DC Valve
图4不同DC流量下第三级制冷量曲线实验结果。DC流向为正向，即回热器热端流向冷端方向。由图看出，DC=0时，冷端无负荷最低温度为7.75 K，8.2 K对应冷量为20 mW，制冷量线斜率为43.3 mW/K。随直流质量流增大DC=30时，冷端无负荷最低温度为7.17 K，7.7 K对应冷量为20 mW，制冷量线斜率为33.2 mW/K。由两条制冷量曲线对比看出，DC流可以提高液氦温区脉管制冷机制冷性能，在制冷温度低的情况下更明显。由曲线斜率可以预测当冷端温度升高到一定值时，DC流影响为零，继续升高温度开度将降低制冷性能。
图4 不同DC流量下第三级制冷量曲线实验结果
Fig.4 Cooling power versus temperature of the 3nd stage with different opening of the DC Valve
4 结 论
理论研究发现适当流量下由回热器热端流向冷端方向的DC流可以提高液氦温区斯特林脉管制冷机制冷性能，这是因为制冷机内DC流使冷端PV功增大。实验研究发现，正向流动的DC流在6—8 K温区同样可以提高制冷机性能。引入DC流后，一、二级预冷温度也将随之减小。因此，对于斯特林型脉管制冷机，如何综合利用DC流对制冷机各温度区间影响提高制冷性能将是后续研究的重点。
