Page 77 - 《真空与低温》2026年第1期

74 真空与低温 第 32 卷 第 1 期

冷头热负载、回热器填充网片质量、膨胀气缸热质 dJ = C m (T)mdT （6）
量、回热器壳体热质量、制冷机制冷量及杜瓦的热耗。 式中：J 为热量；C m 为质量比热容；T 为温度；m 为
在制冷机从常温降至低温 80 K 的过程中，冷 质量。制冷机的制冷量是随温度变化的函数，理想
指、回热器及回热器壳体温度分布呈线性，当冷头 状态下制冷量直接用于冷却负载，可得：
处从常温 T 0 降温至 T c 时，上述三个部件的平均温
Q(T)dt = dJ （7）
度从 T 0 降温至 T 0 /2，质量为 m 的物体温度降低 dT
时，会向外释放热量： 将放热量代入式（7）得：
1
Q(T)dt = C 1 (T)m 1 dT + [C 2 (T)m 2 dT +C 3 (T)m 3 dT +C 4 (T )m 4 dT] （8）
2
其中， C i (T)m i dT ，当 i=1，2，3，4 时分别代表热 对上式进行积分可得冷头温度从 T 0 降至 T c 的
负载、填充网片、膨胀气缸和回热器壳体释放的热量。 时间 t：
1
w C 1 (T)m 1 dT + [C 2 (T)m 2 dT +C 3 (T)m 3 dT +C 4 (T )m 4 dT]
T c 2
t = dT （9）
Q(T)
T 0
实际过程中，比热容和制冷量都随温度变化成 室温腔、弹簧、膨胀机底座等部件。回热器内部填
非线性关系，降温时间很难得到解析解。把降温时 充一定质量的网片，与气缸存在一定间隙。膨胀活
间模型简化为一维稳态导热模型进行计算，比热容 塞设计为阶梯状结构，通过此结构将膨胀机热端分
取平均值，在热力学设计时，对回热器的网片填充 为热腔和室温腔。该结构通过膨胀腔与热腔之间
质量 m 2 进行优化，冷指材料选择 TC4 钛合金材料， 压差及弹簧弹力共同作用驱动排出器，结构紧凑，
相关数据代入式（9）可得到设计后的制冷机降温时 装配难度较低，可通过调节膨胀活塞面积比及弹簧
间小于 3 min@80 K@23 ℃（250 J 热负载）。 刚度对相位进行调节，获得更佳的压力波和相位角，
1.3 制冷机结构设计 从而获得更高的热力学效率。
1.3.1 直线压缩机结构

内磁极 压缩活塞 气缸 压缩腔 背压腔
为降低振动对红外探测器的影响，直线压缩机
采用双活塞对置式结构，为提高压缩机效率，电机
采用动磁式结构设计，线圈与工质物理隔离，避免
了工质被污染的可能性。活塞与磁钢组件通过螺
纹连接在一起作为动子组件在气缸内往复运动。
由于使用环境不要求极长寿命，采用柱弹簧支撑动
柱弹簧
子组件，同时给动子组件提供一个回复力。直线压
缩机结构示意如图 8 所示。
外磁极 线圈 磁钢 法兰
1.3.2 气动膨胀机结构
膨胀机为气体压差驱动，具体结构如图 9 所示。 图 8 直线压缩机结构示意图
膨胀机主要包含回热器、膨胀活塞、膨胀腔、热腔、 Fig. 8 Schematic diagram of linear compressor structure

弹簧

膨胀腔 回热器 回热器筒壁 冷指 膨胀活塞 进气口 热腔 室温腔

图 9 气动膨胀机结构示意图
Fig. 9 Schematic diagram of pneumatic-driven expander structure