邓伟峰, 蒋珍华, 刘少帅, 张安阔, 吴亦农

化工学报 2019, 70 (1): 107-115. DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20180307

摘要（391）

HTML （6）

PDF（pc）（821KB）（101）

设计了一台名义制冷量为50 W/170 K的大冷量脉管制冷机，采用对置活塞式动磁线性压缩机驱动，冷指的蓄冷器和脉管部件为同轴布置，采用惯性管-气库组合的被动调相机构。根据电磁-机械-声耦合场原理，建立了脉管制冷机动力学模型，对负载下的压缩机特性进行了动态仿真。为达到整机的谐振状态，对压缩机质量-弹簧系统进行了调整。整机质量（不含电控部分）小于12 kg。在230 W输入电功下，能够获得50 W/170 K的制冷性能，电机效率92.7%，整机比卡诺效率16.5%。150～200 K温区范围内制冷机比功（输入电功/制冷量）小于5 W/W，额定输入功下，200 K温区能够获得90 W的最大制冷量，该制冷机可以用于航天大型红外焦平面阵列的冷却，同时为-60～-20℃制冷温区的商业低温冰箱低温冷源的选择提供了参考。

同轴型脉管制冷机主要结构部件包括线性压缩机、脉管冷指和调相机构，如图1所示。线性压缩机作为交变压力波发生器，是向冷指部分提供PV功的重要动力源，采用对置双活塞结构，由两台并联的直线振荡电机驱动，两个活塞位移保持180°的相位角，因此在轴向方向上动量相互抵消，大大降低了压缩机自身的振动量级；脉管冷指由蓄冷器、脉管、冷热端换热器和局部导流结构组成，环形蓄冷器与脉管同轴心并列布置，冷热端换热器设置合适的导流结构使得脉管进出口处的流动尽量分布均匀，从而降低损失[24,25]；调相机构采用惯性管-气库组合的被动结构，采用双段变径惯性管以提高调相能力，并在满足体积紧凑的前提下尽可能减少惯性管的盘绕圈数[26]。该结构脉管制冷机结构简单紧凑，机械振动小，且易于系统集成，因此非常适合空间应用领域。

本文以该声场网络图为基础，应用一维热声软件建立了脉管冷指和调相机构的热力学模型，以冷头制冷性能为目标，对其中的核心部件——蓄冷器结构尺寸进行了重点设计优化，基于蓄冷器参数的优化结果，对脉管、冷热端换热器、导流结构和惯性管-气库组合进行了整体优化，最终的脉管冷指参数见表1。