Page 68 - 《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 65

诺效率得： 参数确定，运行参数恒定的热耦合型双级脉管制冷
E 机，低温级相对卡诺效率 rCOP的影响因素仅为 T pre、
rCOP = （11）
W e2两项参数。
W e1 +W e2
式中： W e1为预冷级输入功率。
2 数值模拟与性能分析
T rej T pre
2.1 热耦合型双级脉管制冷机数值模型
·
预冷级冷指 Q net1 热耦合型双级脉管制冷机物理结构如图 1 所
示，级间仅进行传热而无传质过程，可看作两台相
·
热桥 Q pre 对独立的单级脉管制冷机，因此通过 Sage 软件分
别建立预冷级、低温级制冷机数值模型。
·
低温级冷指 Q net2 以一款兰州空间技术物理研究所研发的某型
15 W@80 K 空间脉管制冷机作为预冷级，该制冷
T rej T c
机工作频率为 65 Hz，充气压力为 3.0 MPa，最大输
图 3 两级冷指热耦合结构示意图 入功率为 450 W。预冷级制冷机数值模型如图 4
Fig. 3 Schematic diagram of the two-stage cold finger 所示，低温级制冷机如图 5 所示，两级制冷机均由
thermally coupled structure 压缩机、冷指组件、调相组件三部分组成。

2.2 低温级冷指主要设计参数
对于双级脉管制冷机，低温级输出冷量应主导
rCOP的计算。为避免预冷级性能差异过大而干扰 通过优化迭代得出低温级冷指的主要设计参
˙
整机 rCOP的评估，令 Q net1恒等于 0，即预冷级输出 数如表 1 所列，可见高温段回热器与低温段回热器
˙
冷量全部作为预冷量。将 Q net1= 0、 T rej= 300 K、 T c= 长度、直径均相等。
2.3 热耦合型双级脉管制冷机性能分析
20 K 代入式（11）可得：
根据理论分析可知，对于结构参数确定，运行
˙ （12）
参数恒定的热耦合型双级脉管制冷机，低温级制冷
E = 14Q net2
将式（12）代入式（11）可得低温级相对卡诺效率： 量、相对卡诺效率的影响因素均为预冷温度与低
˙ 温级输入功率。基于上述数值模型，分别计算预冷
14Q net2 （13）
rCOP =
温度、低温级输入功率对低温级性能的影响。在
W e1 +W e2
˙
、
可知，低温级相对卡诺效率 rCOP由 Q net2 W e1、 两项计算过程中，两级制冷机运行参数恒为定值，
W e2三者共同决定。 热端温度恒为 300 K。除变量因素外，仅调整预冷
˙
对于预冷级输入功率 W e1，由 Q pre与 T pre共同决 级输入功率以保证预冷级制冷量全部用于对低温
定。结合上文低温级冷指焓流分析可知：对于结构 级的预冷。

·
34 Q stdy Q stdy 37 ρ stdy 32 32 ρ stdy m Gt 38 F phsr 15 33 Q stdy
35 Q stdy p phsr 18
36 Q stdy
39 Q stdy Phsr
300 K热源 压力源 背压腔 直线电机 80 K冷源
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·
15 F phsr p phsr 17 16 m Gt Q stdy 35 19 m Gt m Gt 20 20 m Gt Q stdy 28
Q stdy 34 · ·
18 p phsr 17 p phsr m Gt 19 m Gt 29
·
37 Q stdy m Gt 16
· Phsr
38 m Gt
压缩机活塞 压缩腔 传输管 空体积
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28 Q stdy Q stdy 30 31 m Gt m Gt 22 21 Q stdy Q stdy 23 23 Q stdy Q stdy 25
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29 m Gt Q stdy 36 30 Q stdy Q stdy 21 22 m Gt Q stdy 33 24 m Gt m Gt 26
· · 24
m Gt 31 m Gt
热端换热器 回热器 冷端换热器 脉管
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25 Q stdy Q stdy 39 41 m Gt m Gt 42 42 m Gt m Gt 43 43 m Gt
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·
26 m Gt m Gt 41
层流网片 第一段惯性管 第二段惯性管 气库
图 4 热耦合型双级脉管制冷机预冷级数值模型示意图
Fig. 4 Schematic of the numerical model for the precooling stage of a thermally coupled two-stage pulse tube cryocooler