Page 75 - 《真空与低温》2026年第1期

72 真空与低温 第 32 卷 第 1 期

子加速度；R e 为线圈电阻；c 为阻尼系数；k 为弹簧 轴向刚度； p c为气体压力。

·
ρ stdy 7 33 7 ρ stdy m Gt 8 Q stdy 11
34 p phsr p phsr
32 Q stdy 12
P 31 p phsr p phsr T o
Q stdy 13
气源 背腔 压缩腔 环境温度
29 29 F phsr p phsr 31 p phsr 34 30 F phsr
F phsr 32 p phsr
30
33 p phsr F phsr
Phsr Phsr Phsr Phsr
弹簧 CP1 CP2 弹簧
· · 13 Q stdy 20 20 Q stdy 19 · ·
4 m Gt m Gt 15 Q stdy Q stdy 8 m Gt m Gt 4
· · · 21
m Gt 16 15 m Gt m Gt 22 Q stdy
p phsr 14 12 Q stdy Q stdy 21 24 Q stdy
·
14 p phsr Phsr p phsr 17 22 m Gt
·
热端气动室体积 11 Q stdy Q stdy 24 23 m Gt 连管
·
·
17
16 m Gt m Gt 23 p phsr
动回热器 膨胀腔 19 Q stdy
T o
80 K
图 1 线性分置式斯特林制冷机 Sage 模型
Fig. 1 Sage model of linear split-Stirling cryocooler

p c Acosθ

k gas = （4）
表 2 Sage 模型中制冷机主要参数 x
Tab. 2 Main parameters of refrigerator in the Sage model 式中： θ为活塞位移滞后压力波相位角。
基本参数 数值 则压缩机运行频率计算如下：
v
压缩活塞质量/g 25 u θ
t
k s +∆p c Acos
排出器质量/g 3.5 f = 1 2x （5）
2π m
排出器直径/mm 3.2
其中， θ大小主要由膨胀机决定，动子质量 m，
活塞振幅/mm 4
活塞截面积 A c 和活塞行程 x 对压缩机运行频率起
活塞直径/mm 8.4
决定性作用，优化这些参数可以使压缩机达到最佳
最大功耗（直流）/W 50
谐振频率，进而获得最佳制冷性能。
连管长度/mm 80
1.2.2 热力学设计

x 热力学设计贯穿制冷机整体设计的全流程，主
F gas =ΔpA
要目的是实现制冷机在工作温度点的高制冷效率。
本文根据制冷机设计指标所需的制冷性能，对该制
F e =αI=BIl F k =kx
mx · 冷机的制冷量、输入功、制冷温度、运行频率和充
F c =cx 气压力等参数进行计算，以保证制冷机有一个较高
的制冷性能。下文有关充气压力、运行频率、回热
F e . 电磁驱动力；F gas . 气体力；F k . 弹性力；F c . 阻尼摩擦力。 器尺寸及弹簧刚度等都基于 Sage 模型计算。图 3
为充气压力对制冷机性能影响仿真结果，随着充气
图 2 压缩机动子组件受力示意图
压力的提高，制冷量持续增加，但是效率 COP 先增
Fig. 2 Force diagram of the compressor mover assembly

加后降低，最优的充气压力在 3.0～3.5 MPa 之间。
压缩机谐振频率计算公式 为：
[9]
图 4 为运行频率对制冷性能的影响趋势，当运
√
1 k s +k gas 行频率从 60 Hz 增加到 90 Hz 时，制冷量随着频率
f = （3）
2π m 增加而增加，主要是由于高频使得气体质量流增加
式中： k s为机械弹簧刚度； k gas为气体弹簧刚度，其 进而提升制冷量，COP 先增加后减小，在 70 Hz 到
计算公式为： 85 Hz 区间内 COP 变化不明显，这表明膨胀机的最