双级斯特林制冷机热力分析

　　1 引 言

　　随着在空间低背景辐射条件下甚长波红外探测技术的发展，30—40 K 温区机械制冷机在空间探测方面发挥着重要作用。同时，空间技术中经常用到的红外探器，一般需要与 80—100 K 温区相结合，用于冷却相应的光学设备。在 40 K 以下温区，单级斯特林和脉管制冷机热力效率都很低，一般难以满足客户要求，而且无法同时提供两个温区冷量。相比较，30—40 K 双级制冷机不但在该温区有较高的热力效率，而且能同时提供两种不同制冷温度的冷量，满足应用需要，具有广阔的发展前景。国外自 20 世纪 90年代就已开始致力于 30—40 K 温区双级机械制冷机的实用化研制工作[1-3]。目前中国国内上海技术物理研究所基于空间技术发展的要求，着力于牛津型、深低温双级斯特林制冷机研制工作，突破多项关键性技术，并在压缩机功耗为 56 W、35 K 时获得 0. 86 W 冷量[4]。

　　本文从热力学第一定律入手，分析双级斯特林制冷机两级之间 PV 功、理论冷量分配关系以及与压缩机功耗之间的联系。由于实验条件和实验技术的限制，目前很难完全通过实验手段对制冷机内部的参数，如回热器内部气体的温度、流场等进行直接的测量。针对中国科学院上海技术物理研究所自主研发的双级制冷机，通过数值模拟，对系统内部能量流进行热力分析，展示制冷机内部气体工质的流动和热力学参数变化，从而获得一个周期内平均焓流值和 PV功流，定量给出了制冷机各部分的损失，这对双级斯特林制冷机的设计具有一定指导意义。

　　2 热力分析

　　研究对象为气耦合、内置式双级斯特林制冷机，其特点是: 一、二级回热器分别置于膨胀机推移活塞内部，随着推移活塞一起往复运动; 气流在一级推移活塞( 一级回热器) 冷端分成两部分，一部分进入一级膨胀腔制冷，为二级预冷，另外一部分气流经过二级回热器再进入二级膨胀腔制冷。如图 1 所示为结构模型。

　　双级斯特林制冷机热力模型可以看作两个温区为 TM—TH，TL—TM之间的单级制冷循环的组合。二级可以假想为一个单级制冷循环，一级冷端则是二级回热器的热端。第二级膨胀腔产生的冷量包含二级的净冷量 QL，net和来自于一级冷端的各项损失 QL，loss。而二级膨胀腔产生的总制冷量经过一、二级温差的“放大”，将由一级冷端吸收，等效在一级冷端施加一个新的热负载 QM，0。因此，一级回热器出口产生的总冷量，除了要抵消一级回热器产生的各项冷量损失QM，loss外，还要消耗一部分来“中和”整个二级带来的额外热量，剩余的部分才是一级冷端的净制冷量QM，net，如图 1 所示。