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冷指尺寸对超高频微型脉冲管制冷机性能的影响

来源:微型电脑应用 【在线投稿】 栏目:期刊导读 时间:2021-05-23
作者:网站采编
关键词:
摘要:高敏,周峰,冯天石,等.冷指尺寸对超高频微型脉冲管制冷机性能的影响分析[J].真空与低温,2021,27(1):94?99. GAO M,ZHOU F,FENG T S,et of the influence of cold finger size on the performance of

高敏,周峰,冯天石,等.冷指尺寸对超高频微型脉冲管制冷机性能的影响分析[J].真空与低温,2021,27(1):94?99.

GAO M,ZHOU F,FENG T S,et of the influence of cold finger size on the performance of high frequency miniature pulse tube cryocooler[J].Vacuum and Cryogenics,2021,27(1):94?99.

0 引言

近年来,脉冲管制冷机由于冷端无运动部件、振动小、运行可靠等优点被广泛应用于为各类红外探测器提供低温环境,在空间、军事等领域发挥了重要的作用,成为空间长寿命机械制冷机的首选机型[1]。随着空间技术的不断进步,对于红外探测器灵敏度和分辨率的要求也越来越高,进而需要制冷机有更小的体积、更小的质量、更长的寿命,同时振动更小、抗干扰能力更强、降温速度更快、能流密度更高[2]。微型化能够满足新一代制冷机的要求,但若直接对制冷机体积进行简单微型化,制冷机的效率会降低。

为了解决这一问题,美国国家标准与技术研究院(NIST)的Radebaugh等[3]提出在对脉冲管制冷机微型化的同时采用更高的工作频率,并配合较高的充气压力和更小水力直径的回热填料,从而在微型化的同时保持较高的工作效率。2009年NGST报道了一款脉冲管制冷机,其质量只有857 g,在输入功率50 W时,能够提供1.3 W@77 K的制冷量,其最低无负荷制冷温度为46 K,在频率124~144 Hz内具有较高的效率[4]。2014年,洛克希德·马丁公司研制并首次报道了一台质量为328 g的微型脉冲管制冷机,其压缩机质量为210 g,结构非常紧凑,能够在10 W输入功率下提供0.85 W@150 K的制冷量,预计能够在轨工作10年以上[5]。2016年,洛克希德·马丁公司研制出高功率同轴脉冲管微型低温制冷机,该机可以在驱动频率140 Hz、60 W的功率下工作,质量仅为450 g;且优化后可提供2 W@105 K的制冷量,可为NASA木卫二计划中的测绘成像光谱仪提供冷源[6]。

我国与国外同期开展超高频脉冲管制冷机的研究,并取得了快速进展。2009年浙江大学研制出一台直线型脉冲管制冷机,在120 Hz工作频率、500 W输入电功率下,获得了49.6 K的无负荷最低制冷温度,并能提供8 K的制冷量[7]。2017年上海技术物理研究所赵艺博[8]研制了一台工作频率100 Hz以上的微型脉冲管制冷机,整机质量仅为1.3 kg,最佳运行频率为114 Hz,在60 W的输入功率下可获得0.78 W@80 K的制冷量。2011年中国科学院理化技术研究所徐娜娜等[9]研制成功一台同轴型脉冲管制冷机,其最佳运行频率为90 Hz,在80 W功率输入下,最低无负荷制冷温度可达到46.4 K,能够获得2.1 W@80 K的制冷量,其冷指直径为9 mm,长度为40 mm,质量为250 g。2012年王晓涛等[10]对直线型压缩机驱动的直线型脉冲管制冷机建立了整机计算模型,并进行了实验验证。该制冷机的运行频率为100 Hz,制冷量达到12.4 W@77 K,热力学完善度达到了18.4%。2018年,中国科学院理化技术研究所成功研制出国内80 K温区最小脉冲管制冷机,该制冷机质量小于1 kg,压缩机质量仅为700 g,外径和长度分别为42 mm和122 mm,能够在35 W输入电功下,获得1.2 W@80 K的制冷量[11]。目前中国科学院理化技术研究所的超高频小型化脉冲管制冷机已经成功在轨运行,并开始应用于其他科学卫星。

国内外对超高频微型脉冲管制冷机的研究已经取得了一定进展,为进一步实现制冷机的微型化,需要提高脉冲管制冷机的频率、减小冷指尺寸,以减小压缩机的扫气体积,从而减小压缩机的体积和质量,使制冷机的结构更加紧凑。

本文将利用SAGE数值模拟软件建模计算,研究冷指直径在10 mm以下,工作频率在120~140 Hz之间超高频脉冲管制冷机微型化过程中冷指尺寸变化对制冷机性能的影响,为实现脉冲管制冷机微型化提供参考。

1 理论分析

制冷机的实际制冷量等于理论制冷量减去制冷机内各项损失[12]:

式中:Qnet、QPV、Qideal、Qcond、QP、QPt分别为净制冷量、理论制冷量、非理想气体损失、蓄冷器换热和导热损失、压力损失、脉冲管损失。其中蓄冷器换热损失与压力损失为影响制冷机性能的主要因素,而蓄冷器换热损失受冷指尺寸的影响,随着冷指尺寸的减小,蓄冷器内换热面积减小,换热受到限制,换热损失增大。

同时,超高频运行会影响氦气的热渗透率,氦气的热渗透公式为:

式中:λ为热渗透率;α为热扩散率;ρ为气体密度;k为导热系数;cP为定压比热容;f为运行频率。

由式(2)和式(3)可以看出,超高频率运行导致氦气的热渗透率变小,为保证蓄冷器有较高的换热效率,须采用水力直径小的回热填料。

文章来源:《微型电脑应用》 网址: http://www.wxdnyyzz.cn/qikandaodu/2021/0523/603.html



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