Page 66 - 《真空与低温》2026年第1期

杜海鹏等：热耦合型双级脉管制冷机性能仿真研究 63

冷机在液氮温区具有优异性能，已有多台实现空间 为 6.7 K。2018 年，Zhu 等 [11] 研究了低温级冷指不
[4]
应用 。随着空间科学及航天技术的快速发展，太 同调相方式对热耦合型双级脉管制冷机的性能影
赫兹望远镜、空间光谱仪、超导探测器等设备对液 响，通过实验验证得出活塞式调相机构可实现更优
氢温区制冷机提出了更为迫切的需求。斯特林型 的相位调节，进而提高整机性能，采用主动调相方
脉管制冷机因结构紧凑、机械振动小、冷头无运动 式的整机相对卡诺效率高达 6.64%。2022 年，殷旺
部件，更易于实现多级耦合 [5-8] ，满足液氢及更低温 等 [12] 针对热耦合型双级脉管制冷机，对低温段回
区制冷或多温区供冷需求。因此，深入开展双级斯 热器尺寸进行设计优化，最优等效长径比在 15 K
特林型脉管制冷技术的研究，具有重要的理论价值 可获得 0.91 W 的制冷量。2024 年，殷旺等 [13] 研制
与现实意义。 了一台热耦合型斯特林/脉管复合制冷机，由斯特
气耦合型双级脉管制冷机运行过程中预冷级、 林制冷机对脉管制冷机进行预冷，通过实验验证获
低温级间存在传热传质，级间相互干扰作用显著。 得低温级脉管制冷机所需的最佳预冷温度。综上
相较于气耦合型，热耦合型双级脉管制冷机两级相 所述，对热耦合型双级脉管制冷机的低温级制冷性
对独立，具有更高可靠性，更适合于空间应用 。 能研究包括回热器填料、结构参数及调相方式等。
[9]
热耦合型双级脉管制冷机由两台结构相似的单级 若上述影响因素既定，即制冷机结构确定时，其低
同轴型脉管制冷机组成，结构如图 1 所示，两级同 温级制冷性能则主要由预冷温度与低温级输入功
轴型冷指均采用惯性管气库调相结构，分别由两台 率决定 。预冷温度作为预冷级与低温级制冷机
[5]
线性压缩机单独驱动。预冷级冷指在冷端输出液 的关键耦合参数，将同时影响两级制冷性能。因此，
氮温区的冷量，通过热桥传导至低温级冷指的中间 系统研究并确定最优预冷温度，对于提升热耦合型
换热器，对低温级冷指进行预冷。预冷级对低温级 双级脉管制冷机性能至关重要。
的预冷将减小低温级回热器损失，从而提升低温级 本文通过 Sage 软件建立了热耦合型双级脉管
冷指性能，使制冷温度降至液氢温区。 制冷机数值模型，研究了低温级输入功率、预冷温
度对低温级制冷量、相对卡诺效率的影响，并结合
响应面分析法，对最优预冷温度、低温级输入功率
气库1 气库2
进行分析计算，为后续开展实验研究奠定基础。

1 理论分析
惯性管1 惯性管2
预 低
冷 温 低温级制冷量、相对卡诺效率是热耦合型双
级 级
压 预 压 级脉管制冷机性能的两项重要评估指标。本文针
缩 冷 缩 对热耦合型双级脉管制冷机进行低温级冷指焓流
机 机
级 分析、制冷机㶲效率分析。
冷 低
指 温 1.1 低温级冷指焓流分析
级
热桥 冷 对热耦合型双级脉管制冷机的低温级冷指进
指
行焓流分析，将压缩机、换热器、脉管部件均视作
理想模型。热端温度 T rej保持为 300 K，冷端温度 T c
保持为 20 K。
对于理想压缩机，输入电功将全部转化为气缸
图 1 热耦合型双级脉管制冷机结构示意图 中活塞对工质气体所做的功，并以时均焓流的形式
Fig. 1 Schematic diagram of the thermally coupled two-stage 输出。若低温级压缩机输入电功为 W e2，由热力学
pulse tube cryocooler
第一定律可得：
2017 年，Liu 等 [10] 研制了一台热耦合型双级脉 1
˙
W e2 = ⟨H⟩ comp = c p ˙m d T d cos(φ mT ) （1）
管制冷机，低温级采用多路旁通结构，低温段回热 2
˙
器填充不同比例的不锈钢丝网与 HoCu 2 颗粒，研究 式中： ⟨H⟩ comp 、 、 ˙ 、
c p m d T d为气体工质的时均焓流、
对比了回热填料对整机性能的影响。通过减小回 比热容、时均质量流、温度波动幅值； φ mT相位角。
热器损失，在最优填充比例下得到最低无负载温度 可见，若压缩机运行参数保持恒定，输出的质