Page 78 - 《真空与低温》2026年第1期

韩蓬磊等：红外探测器用线性分置式斯特林制冷机设计及实验研究 75

2 实验结果分析 2.2 环境温度的影响
由于红外探测器组件需要有较好的环境适应
按照上述热力学计算结果和结构设计，制冷机
性，因此对制冷机来说需要适应较宽的温度范围。
实物如图 10 所示。对充气压力、频率、环境温度、
如图 12 所示是环境温度对净制冷量的影响。环境
膨胀机弹簧刚度等参数进行实验验证。下文所述
功率均为直流电源所测数据。 温度从 220 K 到 340 K 区间内，制冷量逐渐降低，
主要是因为热端温度升高后导致冷热端温差逐渐
升高，搬运冷头处的热量所消耗的功就更多，其次，
热端温度升高后，散热较差，热量堆积在热端无法
及时有效与环境进行热交换，因此导致温度达到

340 K 时，净制冷量仅有 0.7 W 左右。

1.8
1.6
图 10 制冷机样机实物图
Fig. 10 Physical image of refrigerator 1.4

2.1 充气压力及运行频率的影响 制冷量/W 1.2
当环境温度为 300 K，冷头温度为 85 K，频率 p: 3.0 MPa
1.0
f: 85 Hz
为 85 Hz 工况时，保证压缩机输入功不变，充气压 W e : 35 W
0.8 T c : 85 K
力和频率对制冷性能影响如图 11 所示。
0.6

220 240 260 280 300 320 340 360
1.1 85 Hz 环境温度/K
75 Hz
1.0 95 Hz
图 12 环境温度对净制冷量影响
0.9 Fig. 12 Effect of ambient temperature on net
制冷量/W 0.8 refrigerating capacity
0.7 W e : 35 W 2.3 膨胀机弹簧刚度的影响
T c : 85 K
0.6
弹簧刚度主要影响膨胀机的固有频率，进而对
0.5 制冷机性能造成影响，如图 13 所示。
2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0
充气压力/MPa 1.2
75 Hz
95 Hz
图 11 不同频率及压力对制冷性能影响 1.1 85 Hz
Fig. 11 Effects of different frequencies and pressures on
refrigeration performance 1.0
制冷量/W
充气压力和频率对制冷机的谐振频率有重要 0.9 p: 3.0 MPa
影响，充气压力高会导致内部气体刚度大，气体刚 f: 85 Hz
0.8 W e : 35 W
度与弹簧刚度叠加共同影响制冷机相位。实验时 T c : 85 K
保持输入功为直流 35 W 不变，采用薄膜电阻利用 0.7
热平衡法测量制冷机的制冷量。随着充气压力增 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 −1 1.2 1.3
膨胀机弹簧刚度/（N·mm ）
加，制冷量逐渐增加，在 3.0 MPa 左右达到最大制
冷量，主要是因为气压增加，导致最优频率会改变， 图 13 膨胀机弹簧刚度对净制冷量影响
气体刚度叠加弹簧刚度后最优频率会有所改变。 Fig. 13 Effect of expander spring stiffness on net
refrigerating capacity
在 85 Hz 时制冷量相比 75 Hz 和 95 Hz 略大。最优
充气压力为 3.0 MPa，最佳频率为 85 Hz 左右，与上 由图 13 可以看出，在压缩机运行频率为 75 Hz、
述热力学计算结果基本符合，此时实验测得压缩机 85 Hz 及 95 Hz 时弹簧刚度对性能的影响，功率为
电机效率为 75.8%。 直流 35 W 不变，刚度为 1.0 N/mm 时有最大净制冷