VM液氦温区制冷机中热压缩机性能的数值模拟与实验研究

1 引言

脉冲管制冷机是一种近几十年来广泛发展的小型低温制冷机。因其冷侧不存在运动部件，具有结构简单、运行可靠性高以及使用寿命长等优点［1-2］。随着现代信息技术、空间技术、超导电子学、红外探测、低温生物医学等行业飞速发展，尤其是低温电子学器件及低温超导磁体在各领域的推广应用，对小型液氦温区制冷机提出更多的需求和更高的要求。目前液氦温区小型低温制冷机主要为GM制冷机或GM型脉冲管制冷机这两款机型的共同点是需要有阀压缩机和配气阀来提供低频高压比的压力波(通常2 Hz以内，压比2—3)。这样的结构中存在很严重的能量损失:氦气通过单向阀和配气阀时由于压降会造成不可逆损失［3］。

针对上述问题，近年来的一个前沿领域为利用斯特林型脉冲管制冷机获得液氦温度，但制冷量以毫瓦计，系统的热效率也远低于GM型制冷机［4-8］。根本原因在于，液氦温区的回热器填料一般选取磁性材料，形式为颗粒状或球状，直径比较小，一般为百微米级，故而回热器的孔隙率比较低，采用直线压缩机进行驱动，在高频交变流动状态下，流动阻力带来的损失比较大，进而造成整机的热效率比较低，而直线压缩机提供低频的压力波又比较困难，故整个技术发展还不太成熟。

本课题组提出利用VM型热压缩机驱动低温脉冲管制冷机这一新结构形式获得液氦温度，如图1所示，①为高效液氮温区斯特林型脉冲管制冷机，②为热压缩机，③为低温脉冲管制冷机。其中由高效液氮温区斯特林型脉冲管制冷机提供VM型热压缩机所需要的冷量，热压缩机利用室温与液氮温区之间的温度梯度产生压力波动，进而驱动低温脉冲管制冷机，最终达到液氦温区。本系统中VM热压缩机具有运行频率低、驱动功小、无噪音、可靠性高等优点，藉此可能获得比已有GM型液氦温区制冷机更高的系统效率、更高的功率密度和更高的可靠性及寿命。整个系统结构中，VM型热压缩机的性能是能否获得液氦温度的关键，并对整机效率以及冷量有很大影响。本文接下来针对无负载热压缩机进行了数值模拟与实验研究，分析了热压缩机排出器位移、工作频率以及冷端温度对压比的影响规律。

2 实验装置介绍

图1 VM型热压缩机驱动低温脉冲管制冷机
Fig.1 VM thermal compressor driven pulse tube cryocooler

无负载时，热压缩机是一个等质量和等体积的系统，随着排出器在高低温之间的运动，系统内部气体温度发生变化，从而产生压力波动，对应的声场以驻波为主。图2是测试热压缩机工作性能的实验装置图，其中包括预冷系统和热压缩机系统。

图2 实验装置图
Fig.2 Experiment apparatus picture

预冷用两台制冷机均采取CFIC 2S241 W直线压缩机驱动，相当于一台直线压缩机驱动两台制冷机，压缩机与两台制冷机之间通过紫铜管连接，为了保证安全性，连接管采取水套冷却的方式进行冷却。系统运行时真空罩内部真空度维持在5.8×10-3Pa左右。

表1为热压缩机各部件的主要参数值，其中回热器填充的60目不锈钢丝网，回热器壁厚为0.5 mm。排出器位移最大值为7 mm，其驱动电机的最大工作电压为28 V，工作电流不许超过6 A。

表1 热压缩机的各部件参数值
Table 1 Main structure parameters of each component in thermal compressor

3 无负载热压缩机性能的实验研究

两台预冷用制冷机的冷端和热压缩机的冷端采用热桥的形式连接，具体形式如图3所示，为了缓冲温度不均匀以及材料的不同产生的热应力，两台制冷机的冷端均采取了软连接的形式。制冷机的冷头以及热桥对称布置了8个温度计，其中两台制冷机的冷头上标号为T2和T7，热压缩机冷端标号为T3和T5。

图3 温度计布置图
Fig.3 Thermometer distribution picture

开展无负载热压缩机性能的实验研究，热桥最低温达到了66.2 K，从图中可以看到两台制冷机与热桥上各点的降温曲线，大约经过3个小时温度趋于稳定。

图4 热桥的降温曲线
Fig.4 Cool-down curve of thermal bridge

表2为热压缩机非工作状态下预冷系统开启后热桥上的温度分布。热压缩机冷端对应的最低温为66 K，两台预冷用制冷机的冷头分别为61 K和59 K。由于两台制冷机接有相对大的热负载(热压缩机)，实际运行时制冷机的冷头温度比无负荷温度高。

表3 热桥上各点的最低温
Table 3 The lowest temperature of thermal bridge

图5—图8给出了无负载下热压缩机的运行规律，图5、图6和图7显示，在不同频率运行下，热压缩机的压比随着排出器位移的增大而增大，基本上呈线性关系，其中运行在3 Hz，位移为6.0 mm时候，压比达到了最大值1.3。图8显示不同热压缩机冷头温度对压比位移的影响。从图中可以看出随着热压缩机冷端温度的下降，热压缩机的压比也在升高。另外，从图9(虽热压缩机的冷端温度不一致，但预冷用制冷机的工作状态一样)中可以看出，在相同位移下，热压缩机工作在3Hz的时候，所获得的压比更大些。

图5 1 Hz时热压缩机位移与压比的关系曲线
Fig.5 Dependence of pressure ratio on displacement when thermal compressor works at 1 Hz

图6 3 Hz时热压缩机位移与压比的关系曲线
Fig.6 Dependence of pressure ratio on displacement when thermal compressor works at 3 Hz

图7 5 Hz时热压缩机位移与压比的关系曲线
Fig.7 Dependenceof pressure ratio on displacement when thermal compressor works at 5 Hz

图8 热压缩机冷端温度与压比的关系曲线
Fig.8 Dependence of pressure ratio on temperature when thermal compressor works at 3 Hz

图9 不同频率下热压缩机位移与压比的关系
Fig.9 Dependence of pressure ratio on displacement at different frequencies

4 无负载热压缩机性能的实验结果与数值模拟结果的比较

采用Sage软件进行数值模拟分析［9-10］，采用图形化界面，对热压缩机的各个部件分别建立模块，输入部件的几何尺寸、材料物性等参数，各模块通过质量、压力、能量的连接形成整机，在给定合适的边界条件后即可求解。针对各实验工况，对无负载热压缩机性能的实验结果与数值模拟结果进行比较，见图10—图13。从图中看出数值模拟计算结果与实验结果趋势基本一致，尤其是3 Hz、5 Hz时，计算结果与实验结果基本相当。本文建立的数值计算模型可预测热压缩机的工作性能，并且能够指导热压缩机的设计、实验以及改进提高。

图10 1 Hz的实验结果与理论计算比较
Fig.10 Comparisons between calculated and experimental results at 1 Hz

图11 3 Hz的实验结果与理论计算比较
Fig.11 Comparisons between calculated and experimental results at 3 Hz

图12 5 Hz的实验结果与理论计算比较
Fig.12 Comparisons between calculated and experimental results at 5 Hz

图13 温度对压比的影响实验与计算的比较
Fig.13 Comparisons between calculated and experimental results at different temperatures

5 总结

根据本文实验结果以及与数值模拟结果的对比可以得出:无负载情况下热压缩机所获得的压比主要受频率、排出器位移(即扫气量)和冷端温度的影响。排出器位移越大，所获压比越高;冷端温度越低，所获压比越高，并且两者结果吻合良好。在现有测试情况下，无负载热压缩机工作在3Hz时能够获得较高压比，其中无负载情况下热压缩机工作在3Hz、位移为6.0mm时，可以获得最大压比为1.3。建立的数值模型可以很好地预测热压缩机的工作性能。