浅谈冷凝泵分配阀部件的安装

许多现代电子器件如红外探测器和高温超导器件等的正常运行需要一种结构紧凑、高可靠性、低能耗的低温制冷机进行低温冷却。由于不存在任何低温机械运动部件，与斯特林制冷机、G - M制冷机相比，脉管制冷机具有结构简单、无密封和摩擦、可靠性高、振动小、控制简单等优点。

脉管制冷机根据其几何布置，可分为直线型、U型和同轴型脉管制冷机。同轴型脉管制冷机以其结构紧凑、便于与被冷却器件耦合的优点，在目前斯特林型脉管制冷机研究中占据了主导地位。

2000年美国国家标准局N IST研究成功脉管氧液化器，该制冷机在90K时可提供18. 8W制冷量，输入功率为222W.荷兰Thales公司2005年已经研制成功了4W@ 80K， 150W输入功率的LPT9310商业同轴脉管制冷机。*近，法国A ir L iquefier公司研制成功了2. 3W@ 50K，输入功率为160W的LPTC同轴脉管制冷机，目前已经开始进入可靠性试验阶段。而我国在大冷量同轴脉管制冷机的研制中相对落后。目前国内报道的大冷量制冷机只有中科院理化所研制的4W@ 80K压缩机输入功率100W的实验样机。

在同轴脉管制冷机中，制冷工质在冷头部位流动方向发生180逆转，在冷头部位容易增加了额外的空体积，因此冷头是同轴脉管制冷机的关键部件。本文设计、制作一种带有新型整体冷头的微型同轴脉管制冷机，进行了不同惯性管组合调相试验和不同输入功率试验，并对试验结果进行了分析，为以后的相关研究奠定了基础。

2新型冷头结构新型冷头结构由上冷头部分、下冷头部分、冷端挡板和导流丝网四部分构成，具体如所示。其中上冷头部分为圆柱体紫铜做成，从中心孔向外开有18道宽0. 3mm，深5mm，轴向长度13mm的槽。上冷头部分上下两端都有内螺纹，用于连接蓄冷器管和下冷头部分。下冷头部分也用紫铜做成，包括基座和凸台两部分。凸台高度为2mm，凸台上开有轴向对称的18条宽0. 3mm，深2mm的槽。基座外周有螺纹可与上冷头部分的螺纹相连。上冷头部分中间安装有冷端挡板，冷端挡板为紫铜制作的圆环体结构。冷端挡板外圆周与上冷头部分中孔配合，内圆周内与脉管端部配合。导流丝网为100目紫铜丝网加工而成。

上冷头部分和下冷头部分螺纹连接后，留有余量可供焊接。上下冷头部分焊接前要保证槽道对齐。

3实验装置3. 1实验系统本实验平台由压缩机系统、制冷机系统、温度测量系统、制冷量测量系统、压力测量系统和真空系统组成。其中压缩机采用中科院技术物理研究所研制的动圈式双活塞对置斯特林压缩机。利用变频交流电源和数字功率计控制压缩机的输入功率和运行频率。利用压力传感器和数字示波器测量压缩机出口压力波形。制冷机系统中蓄冷器管和脉管采用不锈钢加工而成。脉管外径为13. 5mm，壁厚0. 5mm.蓄冷器管外径为28. 1mm，厚度为0. 3mm.蓄冷器管和脉管之间填充400目不锈钢丝网，填充长度为65mm.脉管两端都有紫铜丝网作为层流化丝网。

3. 2实验仪器和设备太平洋115ASX变频交流电源；横河WT1600数字功率计； GW GDS - 810C数字示波器；K eithley 2000万用表； GW GPS - 2303C直流电源； VAR IAN Turbo- V70真空分子泵；铂电阻温度计。

3. 3实验方法实验中通过变频交流电源控制压缩机的运行频率和输入功率。通过压力传感器测量压缩机出口端的压力并在数字示波器上显示波形，测量出相应的平均压力和幅值。制冷性能的主要测量参数为制冷温度和制冷量。为了降低冷头辐射漏热量，冷头置于真空罩内，并用多层镀铝薄膜包裹。

（1）制冷温度的测量实验中，在脉管制冷机冷头上用低温胶粘贴铂电阻温度计，利用Keithley2000来读取铂电阻值，通过Labview程序将采集到的铂电阻值转换为温度值实时显示并储存。

（2）制冷量的测量测量制冷量采用的依据是热平衡原理。在实验中，在脉管制冷机冷头上粘贴微型电阻加热片，以两线接法通过真空电接头引出接入直流电源。

在制冷机到达*低温度后，直流电源输出一定功率，温度稳定后，记录此时加热片上的电压和电流值，从而计算出加热功率，得出的功率就是此温度下的制冷量。依次重复测量可得在不同温度时的制冷量。

4实验结果及分析4. 1不同惯性管组合对制冷机性能的影响惯性管作为一种新型的调相方式得到了广泛的研究和应用。目前对于60K 80K温区， 1 6W制冷量的脉管制冷机主要采用惯性管调相方式。

实验过程中，我们主要对四种不同惯性管组合调相进行了实验，惯性管之间采用法兰连接并采用O型圈密封。每组惯性管实验中，压缩机输入功率为100W，制冷系统充气压力为3. 0M Pa.具体惯性管规格如所示。

所示为不同惯性管调相作用下，冷头*低温度随运行频率的变化曲线。不同的惯性管组合下，制冷机都有一个*优频率与其对应。对同一组惯性管组合，随着运行频率的变化，冷头*低温度变化较小，在*优频率附近4Hz范围内，冷头温度变化不超过2K.不同惯性管组合与制冷性能呈强相关。如惯性管组合No. 3和No. 4两者相差5K左右，主要原因是不同惯性管组合对脉管冷端的质量流和压力波的相位角调节作用不同。在4种惯性管组合中， No. 1的惯性管调相效果*好。

所示为惯性管组合No. 1调相作用下典型的降温曲线。脉管制冷机的冷头温度在37分钟后降到了*低温度62K，压缩机输入功率为100W.充气压力和运行频率分别为3. 52MPa和41H z.

4. 2不同输入功率对制冷机性能的影响所示为制冷量随冷头温度的变化曲线图。运行频率为41H z，充气压力为3. 52MPa.如所示，当输入功率为134W时，冷头*低温度达到了56K.在80K时，输入功率为100W， 120W，134W时，冷头制冷量分别为2. 5W， 3. 5W， 4W.

目前所用的压缩机的实际效率为70% ，而当前报道的线性压缩机的效率*高为85%.假设压缩机的效率为85%，则该脉管制冷机能够在压缩机输入功率110. 3W时在80K提供4W制冷量。在这种情况下，该脉管制冷机相对于卡诺循环的效率能够达到10% ，接近于相同规格的斯特林制冷机的性能。

5结论本文设计制作了一台具有新型冷头结构的微型同轴脉管制冷机。通过优化惯性管组合，脉管制冷机在134W输入功率下，运行频率为41H z时在80K获得4W制冷量。与商业斯特林制冷机相比，该样机效率略低，但其具有制造简单、冷头振动小、高可靠性和可能的长寿命。下一步工作主要是进一步提高制冷量和线性压缩机的效率。