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高频脉冲管制冷机的低温端没有运动部件，具有结构紧凑、效率高、可靠性高、寿命长、振动噪声小和电磁干扰小等优点，成为空间和军事用低温制冷机研究的一个重要方向。昆明物理所研制了大冷量同轴脉冲管制冷机，代号为C392。C392脉冲管制冷机采用高效Redlich结构动磁式线性压缩机驱动，冷指采用单级同轴型结构，并为之研发了专用的轻量型控制器。对压缩机和冷指结构进行了反复优化，在保证制冷性能不明显衰减时，减小整机重量，实现紧凑化和轻量化设计。

脉冲管制冷机简介

        为了给空间用大面阵红外探测器组件提供低振动噪声的冷源，昆明物理研究所自主研制的大冷量同轴脉冲管制冷机（不包括控制器）重量小于5.5 kg，其中线性压缩机重量小于4.0 kg，膨胀机重量小于1.5 kg，控制器重量小于0.25 kg，图1为制冷机实物图。

（1）高效动磁式线性压缩机

        驱动C392脉冲管制冷机所用的线性压缩机采用高效Redlich结构动磁式直线电机驱动、压缩活塞对置布置、板弹簧支撑和间隙密封等技术，保证压缩机的无油润滑和低振动噪声特性。本项目所用的压缩机设计预期电机效率不低于80%，可达85%左右，图2为高效动磁式线性压缩机结构图。

        为了给超大面阵探测器组件提供冷源，并使用本单位成熟的杜瓦研制技术，C392脉冲管制冷机的膨胀机采用单级同轴结构，即蓄冷器为环形，脉冲管布置在蓄冷器中间，惯性管和气库组成的调相部件布置在膨胀机热端。图3为单级同轴脉冲管膨胀机结构示意图，制冷机采用分置式结构，压缩机与膨胀机之间通过一根连管连接，可以隔绝部分压缩机的振动，减小膨胀机冷头的振动输出。从压缩机传递过来的交变气流通过连管进入膨胀机热端换热器，流经蓄冷器后经过冷端换热器，在此进行180°的转弯进入脉冲管，出脉冲管后进入惯性管，进入气库。气库和惯性管统称为膨胀机的调相部件，将它整合到膨胀机热端的尾部，这样使整机的结构更加紧凑。

数值模拟       

       C392脉冲管制冷机使用流行的制冷机专业数值软件对整机和调相部件进行数值模拟和优化。优化模型的关键参数和尺寸，以COP为目标，结合Ray Radebaugh的焓流调相理论，对比和修正制冷机内部各部件压力波和质量流之间的相位关系，使压缩机与膨胀机达到优化匹配，整机效率提高。

（1）整机数值模拟

        为了获得整机高COP，需要压缩机达到高效率，即制冷机运行频率等于压缩机的谐振频率，同时，制冷机运行频率也会对整机的阻抗实部、虚部和相位分布有很大影响，因此需要对整机的运行频率进行优化，从而获取整机的运行频率。

（2）惯性管尺寸数值模拟

        C392脉冲管制冷机采用双段惯性管加气库的调相方式，通过数值软件对惯性管的内径和长度进行模拟，对制冷机COP进行优化。两段惯性管的内径和长度为制冷机的关键尺寸参数，组合方式非常多，经过前期大量数值分析，综合考虑调相结构的轻量化和紧凑性，以及已有标准细长管尺寸，选取第一段惯性管内径为2.0 mm，第二段惯性管内径为3.0 mm。选择曲线变化较平缓的区域作为惯性管的尺寸。

运行频率实验研究

        C392脉冲管制冷机使用两段惯性管加气库的方式进行调相，第一段惯性管尺寸为内径Φ2.0 mm，长度0.3 m，第二段惯性管尺寸为内径Φ3.0 mm，长度2.5 m。C392脉冲管制冷机的运行频率和制冷性能实验研究情况如下文所示。

（1）行频率实验研究

（2）制冷性能实验研究

        C392大冷量单级同轴脉冲管制冷机采用线性压缩机驱动，压缩机使用高效Redlich动磁式直线电机结构，脉冲管膨胀机采用单级同轴结构，制冷机整机重5.5 kg，控制器重0.25 kg。制冷机获得10 W@80 K和10 W@90 K制冷性能所需的输入电功分别为210.3 W和144.8 W，比卡诺效率分别为12.66%和15.58%，电机效率分别为83%和85%，达到设计目标。

by《低温工程》