三级热耦合斯特林/脉管混合型制冷机研究

李政坤; 丁旭鹏; 王晓涛; 戴巍

doi:10.12465/issn.0253-4339.20251119001

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

三级热耦合斯特林/脉管混合型制冷机研究

更新时间：2026-01-30

- 三级热耦合斯特林/脉管混合型制冷机研究
- Three-Stage Thermally Coupled Stirling/Pulse Tube Hybrid Cryocooler
- 制冷学报 2026年页码：1-7
- 作者机构：
  
  1.低温科学与技术全国重点实验室中国科学院理化技术研究所北京 100190
  2. 中国科学院大学北京 100049
- 作者简介：
  
  王晓涛，男，副研究员，中国科学院理化技术研究所，010-82543733，E-mail：xtwang@mail.ipc.ac.cn。研究方向：小型低温制冷系统（脉冲管、斯特林、J-T节流等）
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划(2022YFF0712601)
- DOI：10.12465/issn.0253-4339.20251119001
  中图分类号： TB61⁺1;TB651.5
- CSTR：XXXXX.XX.XXX.20251119001
- 修回：2025-12-25，
  
  录用：2026-01-05，
  
  网络出版：2026-01-30，
- 稿件说明：
移动端阅览
李政坤,丁旭鹏,王晓涛等.三级热耦合斯特林/脉管混合型制冷机研究[J].制冷学报,

Li Zhengkun,Ding Xupeng,Wang Xiaotao,et al.Three-Stage Thermally Coupled Stirling/Pulse Tube Hybrid Cryocooler[J].Journal of Refrigeration,
李政坤,丁旭鹏,王晓涛等.三级热耦合斯特林/脉管混合型制冷机研究[J].制冷学报, DOI：10.12465/issn.0253-4339.20251119001. CSTR： XXXXX.XX.XXX.20251119001.

Li Zhengkun,Ding Xupeng,Wang Xiaotao,et al.Three-Stage Thermally Coupled Stirling/Pulse Tube Hybrid Cryocooler[J].Journal of Refrigeration, DOI：10.12465/issn.0253-4339.20251119001. CSTR： XXXXX.XX.XXX.20251119001.

摘要

当前低温超导、空间探测等前沿领域对液氦温区制冷技术的小型化、高可靠性及长寿命特性提出迫切需求，多级斯特林型脉管制冷机是满足此类需求的极具潜力的解决方案。本文设计并研制了1台热耦合结构的三级斯特林型脉管制冷系统。该系统采用中科力函生产的两级高频斯特林制冷机（70 Hz）对第三级进行预冷，可提供5 W@70 K（即70 K下制冷量为5 W）和2 W@32 K的冷量。针对第三级冷指，首先利用Sage建立了简化制冷机模型，以此确定关键运行参数，包括运行频率、平均压力及预冷温度；再对第三级进行仿真优化，并最终完成设计与实验平台搭建。实验结果表明：在平均压力为1.4 MPa，频率为21 Hz，总输入电功约为370 W工况下，冷端最低温可达5.16 K，典型制冷量为50 mW@6 K和102 mW@7 K。

Abstract

Low-temperature superconductivity and space exploration urgently require compact， highly reliable， and long-lifespan cooling technologies that operate in the liquid-helium temperature range. Multistage Stirling-type pulse tube cryocoolers are a promising solution. In this study， a thermally coupled three-stage Stirling-type pulse tube cryocooler was designed and constructed. The system employs a two high-frequency （70 Hz） Stirling cryocooler （model TC3130， Lihan） to precool the third stage， thus providing cooling capacities of 5 W and 2 W at 70 K and 32 K， respectively. For the third stage， simplified models were first established using Sage to determine the key operating parameters， including the operating frequency， average pressure， and precooling temperature. The third stage was fully simulated， followed by the final design and experimental set up. Experimental results show that under an average pressure of 1.4 MPa， a frequency of 21 Hz， and a total input power of approximately 370 W， the lowest no-load temperature reached 5.16 K， with typical cooling capacities of 50 mW and 102 mW at 6 K and 7 K， respectively.

关键词

Keywords

references

戴巍，潘腾，赵鹏，等 . 主流极低温制冷技术简介与展望［J］. 制冷学报， 2024 ， 45 （ 6 ）： 1 - 13 .

DAI Wei ， PAN Teng ， ZHAO Peng ， et al . Brief review of sub-kelvin refrigeration technology ［J］. Journal of Refrigeration ， 2024 ， 45 （ 6 ）： 1 - 13 .

金新，胡旭华 . G-M制冷机热力学分析［J］. 制冷学报， 1987 ， 8 （ 3 ）： 36 - 40 .

JIN Xin ， HU Xuhua . The thermodynamic analysis about the amount of refrigeration of g-m cryorefrigerator ［J］. Journal of Rfrigeration ， 1987 ， 8 （ 3 ）： 36 - 40 .

陈国邦，汤珂 . 小型低温制冷机原理［M］. 北京：科学出版社， 2010 .

CHEN Guobang ， TANG Ke . Principle of small cryogenic refrigerator ［M］. Beijing ： Science Press ， 2010 .

JACO C ， NGUYEN T ， COLBERT R ， et al . 10k em pulse tube cooler ［J］. AIP Conference Proceedings ， 2008 ， 985 （ 1 ）： 659 - 664 .

OLSON J ， NAST T C ， EVTIMOV B ， et al . Development of a 10 K pulse tube cryocooler for space applications ［M］// Cryocoolers 12 . Boston， MA ： Springer US ， 2003 ： 241 - 246 .

ZHI X Q ， HAN L ， DIETRICH M ， et al . A three-stage Stirling pulse tube cryocooler reached 4.26K with He-4 working fluid ［J］. Cryogenics ， 2013 ， 58 ： 93 - 96 .

植晓琴，邱利民，甘智华，等 . 可达5K以下的三级斯特林型脉管制冷机性能研究［J］. 工程热物理学报， 2012 ， 33 （ 5 ）： 735 - 738 .

ZHI Xiaoqin ， QIU Limin ， GAN Zhihua ， et al . Performance investigation on a three-stage stirling pulse tube cryocooler operating below 5K ［J］. Journal of Engineering Thermophysics ， 2012 ， 33 （ 5 ）： 735 - 738 .

CHEN Liubiao ， WU Xianlin ， WANG Jue ， et al . Study on a high frequency pulse tube cryocooler capable of achieving temperatures below 4 K by helium-4 ［J］. Cryogenics ， 2018 ， 94 ： 103 - 109 .

WEN Fengshuo ， LIU Shaoshuai ， WU Wenting ， et al . Frequency response characteristics of a thermally coupled three-stage Stirling-type pulse tube cryocooler capable of achieving 110 mW@7 K ［J］. International Journal of Refrigeration ， 2023 ， 145 ： 208 - 216 .

LI Zhengkun ， DING Xupeng ， CHEN Yanyan ， et al . Nusselt number correction for stacked wire mesh considering finite heat capacity below 50 K ［J］. Cryogenics ， 2025 ， 146 ： 104025 .

温丰硕，刘少帅，伍文婷，等 . 10～30 K温区纯不锈钢丝网与混填磁性填料制冷性能对比［J］. 化工进展， 2022 ， 41 （ 1 ）： 113 - 119 .

WEN Fengshuo ， LIU Shaoshuai ， WU Wenting ， et al . Comparison of pure stainless steel wire mesh and mixed HoCu 2 particle as regenerator material at 10-30 K ［J］. Chemical Industry and Engineering Progress ， 2022 ， 41 （ 1 ）： 113 - 119 .

YANG Biao ， XI Xiaotong ， GAO Zhaozhao ， et al . Investigation on the dynamic adsorption characteristics of activated carbon to Helium-4 for 4-20 K regenerator of cryocoolers ［J］. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering ， 2022 ， 1240 （ 1 ）： 012026 .

GEDEON D . Sage： object-oriented software for cryocooler design ［M］// Cryocoolers 8 . Boston， MA ： Springer US ， 1995 ：： 281 - 292 .

SNODGRASS R ， SWIFT G ， ULLOM J ， et al . Intermediate cooling from pulse tube refrigerator regenerators operating in the real-fluid regime ［J］. Cryogenics ， 2023 ， 132 ： 103685 .

CAO Qiang ， LUAN Mingkai ， LI Peng ， et al . A critical review of real gas effects on the regenerative refrigerators ［J］. Journal of Thermal Science ， 2021 ， 30 （ 3 ）： 782 - 806 .

ZHU Shaowei . 4 K pulse tube refrigerator and excess cooling power ［J］. AIP Conference Proceedings ， 2002 ， 613 （ 1 ）： 633 - 640 .

段超祥 . 脉管制冷机惯性管相位特性及测量方法研究［D］. 浙江大学， 2018 .

DUAN Chaoxiang . Research on the phase characteristics and measurement methods of the inertial tube of pulse tube refrigerator ［D］. Zhejiang University ， 2018 .

LI Z K ， DING X P ， YU F Q ， et al . Numerical study on heat transfer characteristics of regenerator based on a simplified geometry ［J］. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering ， 2024 ， 1301 （ 1 ）： 012147 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

脉管制冷机波纹连管内交变流动及声功传输特性

两种回热型NH_3-H_2O-LiBr吸收式制冷机的实验研究

回热式低温制冷机用回热器结构研究综述

混合填充式回热器单级脉管制冷机性能研究