vm型脉冲管制冷机数值模拟与实验研究

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1、VM型脉冲管制冷机数值模拟与实验研究基金项目：国家自然科学基金（No.51376187），国家自然科学基金青年基金（No.51206177）通讯作者：戴巍，研究员，cryodw@mail.ipc.ac.cn摘要：本文介绍了由VM型热压缩机驱动的脉冲管制冷机基本结构、数值模拟与部分实验研究。制冷机所用的热压缩机借鉴VM制冷机产生压力波动的方式，由动磁式直线电机驱动，依靠室温与冷源之间的温度差产生压力波动，由高效率液氮温区制冷机通过热桥连接提供热压缩机所需要的冷量。脉冲管制冷机蓄冷器与脉管采用U型布置，调相机构采用小孔气库加双向进气方式。这种结构避免使用

2、有阀压缩机，且运行频率低，能保证蓄冷器在低温区高效工作。在原有结构的基础上，改造热压缩机回热器尺寸与填料，使用Sage软件对脉冲管制冷机进行了整机模拟，对调相机构进行优化，考察其在不同的运行频率、平均压力、排除器位移下的制冷性能。对改造后的脉冲管制冷机进行了初步的实验研究，获得14.4K无负荷制冷温度。关键词：VM热压缩机；小孔气库与双向进气；数值模拟；实验研究0引言随着科技事业的不断发展，低温技术占据的地位愈加关键。小型低温制冷机是低温技术的重要分支之一，在低温电子、红外器冷却、超导滤波、核磁成像、强电超导等场合具有重要应用。目前使用比较广泛的小型

3、低温制冷机主要有：Joule-Thomson（J-T）制冷机、Gifford-McMahon（GM）或GM型脉冲管制冷机、Stirling或Stirling型脉冲管制冷机。J-T节流制冷机冷头没有运动部件，振动小，可靠性高；但由于节流是典型的不可逆过程，内禀效率低[1]，且对工质洁净度要求非常高。G-M或GM型脉冲管制冷机技术发展成熟，但冷端振动大、体积大、需要定期维护，采用GM压缩机与配气阀门提供压力波，具有内禀的不可逆损失。Stirling型制冷机基于Stirling循环，具有潜在的高效性，但其通常工作在高频工况下，蓄冷器在低温区尤其到液氦温区损

4、失很大，效率较低。为了获得极低温区，需要采用三级及三级以上结构，系统复杂，热效率低[2][3][4]。针对不同应用领域对低温制冷机愈加严格的要求，诸如制冷量高、功耗小、效率高、运行稳定、振动噪音小、可靠性高、寿命长、无维护运行时间等，借鉴VM制冷机产生压力波动的方式[5]，基于脉冲管制冷机冷端无运动部件、结构简单、可靠性高、寿命长等优点，文献[6]发展了VM型热压缩机驱动的脉冲管制冷机。其中热压缩机的排出器由动磁式直线电机驱动，依靠室温与冷源之间的温度差产生压力波动，高效率液氮温区斯特林型脉冲管制冷机提供热压缩机所需要的冷量，采用制冷机预冷便于优化控

5、制热压缩机低温端温度；脉冲管制冷机由热压缩机产生的压力波动驱动。该制冷机运行频率低、驱动功小、结构简单，对于发展液氦温区高效紧凑型制冷机具有重要的研究意义。本文在原有结构的基础上，改造热压缩机回热器以提高其输出压比。对改造后的制冷机进行整机模拟，考察其在不同频率、平均压力以及排出器位移下的性能，并对制冷机进行了初步的实验研究。1系统结构介绍在文献[7]工作的基础上，对热压缩机回热器进行改造以提高其输出压比。VM型热压缩机驱动脉冲管制冷机结构如图1所示，基于Sage软件的程序如图2所示，图2左半部分为热压缩机模型。改造方案基于的思路是；先单独计算低温脉

6、冲管制冷机，提取其入口阻抗幅值与相位角；将其阻抗带入热压缩机程序匹配计算；以效率最高为目标函数（效率=输出声功/预冷量），以回热器热端气体位移幅值回热器/长度<=20%为限制条件，优化回热器的直径与长度；在最优直径与长度下，优化回热器不锈钢丝网填料的目数与丝径。经过计算，最终选定其参数如表1所示。ThermalCompressorPrecoolingSystemLow-temperaturePTCPrecoolingSystemT5T6T7T9T10T2T8T12T11T3T4T6T7T9T10T2T8T12T11T3T4T6T7T9T10T2T8T

7、12T11T3T4E2,RegColdE2,RegHotT1T4T3T5T12T11T8T2图1VM型热压缩机驱动脉冲管制冷机结构ThermalCompressorLow-temperaturePTC图2VM型脉冲管制冷机整机数值模型示意图表1热压缩机运行参数及回热器结构尺寸平均压力（MPa）频率（Hz）回热器直径（mm）回热器长度（mm）丝网目数丝径（μm）2.5330150801202整机数值模拟在确定的热压缩机回热器结构尺寸上，对VM热压缩机型脉冲管制冷机进行整机模拟计算，考察不同运行频率、平均压力与热压缩机排出器位移下制冷机的性能，数值模型如

8、图2所示。图的左半部分是热压缩机模型，右半部分是制冷机模型。制冷机主要部件的尺寸如表2所示。表2主要部件参数