60K单级高频同轴脉冲管制冷机性能研究

　　0引言

　　低温红外仪器及设备是迄今为止空间低温学的最大应用需求[l]"自20世纪50年代开始,世界范围内的低温研究工作者便一直积极寻求可维持数年以上的空间冷源,以期保证空间红外探测器的长寿命工作[l,2{"脉冲管制冷机由于在冷端完全取消了运动部件,具备了制造易!成本低!干扰小!可靠性高以及预期寿命长等一系列显著优点,成为近20年来回热式低温制冷机研究的一大热门!-一4)"1998年1月,美国在其卫星上成功使用两台脉冲管制冷机冷却其红外探测器,标志着高频脉冲管制冷机在空间领域进入实用化[&]"截止2009年7月,仅美国NGAS公司一家,已有n台脉冲管制冷机实现在轨运行,且其中两台已连续运转超过n.5年叫"这些令人瞩目的技术成就使得高频脉冲管制冷机逐渐成为新一代回热式空间制冷机的代表机型"

　　在空间遥感遥测系统中,一部分用途极广的谛-镐一汞基长波红外焦平面阵列需要工作在60K温区,所需冷量处于ZW级别,高频脉冲管制冷机成为其潜在的理想冷源"美国最具有代表性的两家空间脉冲管制冷机研发公司LMMs和NGAS在1997~1998年即率先完成了该类机型的研制,主要技术指标如表1所示"美国自脉冲管制冷机首次升空即沿袭直线型布置方式,十余年来该模式已发展成熟"直线布置的最大优点是避免了气流折转损失,可以获取较高制冷效率[s]"但直线布置对杜瓦的藕合方式要求较高"在本研究组研发的一系列针对空间应用的机型中同,考虑到目前国内针对直线布置的杜瓦祸合技术积累不足,普遍采用了同轴布置方式"同轴布置可使脉冲管制冷机冷指尽可能地趋近于较为成熟的斯特林机的接口,减少杜瓦研制工作量"但是,同轴布置使冷端气流经过1800的折转,引入了较大的不可逆损失[31"故而针对实用的同轴型脉冲管制冷机发展是以牺牲制冷效率为代价的"

　　1设计目标及基本模型

　　表2给出了60K温区单级高频同轴脉冲管制冷机的主要设计目标"该设计基于单级大冷量型同轴脉冲管制冷机在本研究组内的持续发展}5一7],基本模型是通过分析脉冲管内振荡气流气体微团的热力学特性,建立基本的动量!能量和质量守恒方程,对之进行一维的计算流体力学(cFD)模型简化{/一7{"考虑到在实际脉管中的多维效应,在模型中又加入了部分经验参数"该模型对于本研究组内大冷量高频同轴脉冲管制冷机的设计具有通用性[s]"

　　设计过程是在严格控制整机总质量的基础上,以几何参数及工作参数的同时优化来获取固定输入功下的最大COP或最大制冷量"制冷机相位调节机制采用惯性管加气库的形式,模型发现,对于给定的冷指外径,单段固定内径惯性管引起的相位不足以产生高效率的相位需求[5一71,因而模拟优化过程均采用由不同内径的两段惯性管组成的组合体"对置压缩机的活塞直径设定为20mm,以氦气为工质,充气压力和工作频率分别取3.3MPa和57Hz,散热温度取300K"在上述参数条件下,可以得到制冷机对应不同温度的制冷量,如图1所示"设计性能为在100w输入功条件下,在60K的比卡诺效率为9.32%,超过设计目标中的热力学指标"