超高频脉冲管双冷指与压缩机的耦合匹配及优化

超高频脉冲管双冷指与压缩机的耦合匹配及优化

欧阳洋1，2

，陈厚磊1，唐清君1，梁惊涛1

（1.中国科学院理化技术研究所空间功热转换技术重点实验室，北京100190；

2.中国科学院大学，北京100190）

摘要：对一台压缩机分别驱动单个冷指和双冷指脉冲管制冷机进行了实验研究。实验发现双冷指脉冲管制冷机制冷性能和效率都不如单冷指脉冲管制冷机，导致性能下降的原因是由于双冷指制冷机的总阻抗与压缩机不匹配。从阻抗的角度研究双冷指制冷机与压缩机的耦合匹配特性，根据压缩机理论PV 功转化效率，对与双冷指耦合的线性压缩机进行了参数优化。优化后的双冷指脉冲管制冷机可获得和单冷指脉冲管制冷机几乎一致的理论PV 功转化效率。

关键词：双冷指脉冲管制冷机；匹配特性；阻抗；PV 功转化效率中图分类号：TB65+.4

文献标志码：A

文章编号：1006-7086（2018）03-0204-07

DOI ：10.3969/j.issn.1006-7086.2018.03.012

STUDY ON PARAMETER MATCHING AND OPTIMIZATION METHOD IN HIGH

FREQUENCY DOUBLE-COLD-FINGER PULSE TUBE CRYOCOOLER

OUYANG Yang 1，2

，CHEN Hou-lei 1，TANG Qing-jun 1，LIANG Jing-tao 1

（1.Key Laboratory of Space Energy Conversion Technologies ，Technical Institute of Physics and Chemistry ，

CAS ，Beijing 100190，China ；2.University of Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100190，China ）Abstract ：In this paper ，an experimental study of using one compressor to drive a single cold finger and double cold fingers is carried out.The study found that the refrigeration performance and efficiency of double-cold-finger pulse tube cryocooler are inferior to the single cold finger type.The reason is that the total impedance of the double cold fingers is not matched with the compressor.Therefore ，from the point of impedance ，the parameter matching between the double cold fingers and the compressor is analyzed in this article.According to the derived theoretical formula of PV work trans-formation efficiency of linear compressor ，the optimization of the linear compressor coupled with double cold fingers is predicted.The optimized double-cold-finger pulse tube cryocooler ’s theoretical PV work transformation efficiency is al-most the same with single cold finger type.

Key words ：double-cold-finger pulse tube cryocooler ；matching performance ；impedance ；PV work transformation

efficiency

0引言

脉冲管制冷机因其结构简单、振动小、可靠性高、

寿命长等优点已得到空间和军事领域的广泛应用[1]。超高频脉冲管制冷机通常指工作频率在100Hz 左右的脉冲管制冷机，具有体积小、质量轻、降温速度快等优点。超高频双冷指脉冲管制冷机即指一台压缩机同时驱动两个冷指且工作频率在100Hz 左右，可以满足空间多温区、多个位置的制冷需求。

国内外研究的双冷指脉冲管制冷机工作频率

大部分在50Hz 左右。2009年，NGST 报道了一台单压缩机驱动一个直线性冷指和一个同轴冷指的新型脉冲管制冷机，该制冷机用于美国气象卫星探测器的冷却，在186W 的输入功率下直线型冷指和同轴型冷指可分别获得2.3W@53K 和8W@183K 的制冷量[2]。2011年，NGAS 报道了同种类型的脉冲管制冷机，在170W 的输入功率下直线型冷指和同轴型冷指可分别获得6.86W@95K 和9.82W@180K 的制冷量[3]。2010-2015年，中科院理化技术研究所

收稿日期：2018-03-20

基金项目：国家重点基础研究发展计划（613322）

作者简介：欧阳洋（1993-），女，湖南株洲人，硕士研究生，从事低温制冷机方面的研究。E-mail ：ouyangyang215@ 。

真空与低温Vacuum &Cryogenics 第24卷第3期2018年6月

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不断开展单台线性压缩机驱动多个同轴型冷指的实验研究，主要研究影响冷指之间气量、声功分配的因素[4-6]，2014-2017年，上海技物所也开展了相关的研究[7-8]。但对于超高频双冷指脉冲管制冷机匹配特性研究还是首次提出。实验研究发现，压缩机驱动单冷指可以获得较好的性能，但驱动并联的两个冷指的制冷性能和效率远低于驱动单个冷指。这就意味着并联的双冷指与压缩机匹配性不好。因此从阻抗的角度研究双冷指与压缩机的匹配耦合，对线性压缩机的参数优化进行预测。1

实验现象

采用两个尺寸基本一致的同轴型冷指和一台双活塞对置式动圈线性压缩机开展了三组实验。两冷指分别命名为PTC1和PTC2，线性压缩机则命名为LC1。图1（a ）为单个冷指与压缩机耦合的脉冲管制冷机，图1（b ）为两个冷指并联后与该压缩机耦合的脉冲管制冷机。三组实验的脉冲管制冷机组合方式如表1

所列。

图1

脉冲管制冷机实物图

Fig.1The physical diagram of pulse tube cryocooler

图2为各冷指的无负荷最低温度随频率变化的曲线图。其中Case1和Case2中压缩机的输入功率为30W ，Case3中压缩机的输入功率为60W 。从图中可以看出，Case3中各冷指所获得无负荷最低温

度整体都要比Case1和Case2中冷指所获得无负荷最低温度要高一些。此外，压缩机驱动单个冷指的最优频率在120Hz ，压缩机驱动双冷指时两个冷指的最优频率发生变化，最优频率变为115Hz 。

表1脉冲管制冷机组合方式

Table1The combination mode of pulse tube cryocooler

制冷机组合Case1Case2Case3

压缩机LC1LC1LC1

冷指PTC1PTC2

PTC1+

PTC2

图2无负荷最低温度随频率变化曲线

Fig.2The diagram of the minimum temperature of cold

finger change with frequency

图3为各冷指在其最优频率下的制冷性能，图中Case1和Case2的压缩机输入功率分别为30W 、40W 、50W ，Case3的压缩机输入功率分别为60W 、80W 、100W 。从图中容易发现，在任意一种功率下，压缩机驱动单冷指获得的制冷性能都比该冷指

在双冷指制冷机中表现的性能要好。在120K 以下的温区，单冷指脉冲管制冷机中，同等功率下冷指PTC1表现出的制冷性能比冷指PTC2表现出的制冷性能好一些。同样，在双冷指脉冲管制冷机中冷指PTC1表现出的制冷性能也比冷指PTC2表现出的制

冷性能要好。图4（a ）为冷指80K 制冷量随功率变化图，图中横坐标的30W 代表单冷指脉冲管制冷机的输入功率为30W ，而双冷指脉冲管制冷机输入功率为60W ，以此类推。由图可知冷指在双冷指脉冲管制冷机中获得的制冷量比其在单冷指脉冲管制冷机中获得的制冷量要小一些，且随着功率的增加两者的差距越来越大。在50W 输入功率下，Case1和

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