混合填充式回?zé)崞鲉渭?jí)脈管制冷機(jī)性能研究

闞安康 張安闊 吳亦農(nóng)

(1 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083; 2 上海海事大學(xué)商船學(xué)院 上海 201306)

混合填充式回?zé)崞鲉渭?jí)脈管制冷機(jī)性能研究

闞安康1,2張安闊1吳亦農(nóng)1

(1 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083; 2 上海海事大學(xué)商船學(xué)院 上海 201306)

回?zé)崞鳛榛責(zé)崾降蜏刂评錂C(jī)的關(guān)鍵部件，其性能對(duì)系統(tǒng)的影響甚大。為探索回?zé)崞鲀?nèi)金屬絲網(wǎng)混合填充對(duì)回?zé)崞餍阅艿挠绊?，文章基于回?zé)崞髂M軟件REGEN3.3仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，制作了單級(jí)脈管制冷裝置，采用#300SS，#400SS和#500SS的金屬絲網(wǎng)混填了四組回?zé)崞?，并在不同輸入功率下進(jìn)行了系統(tǒng)制冷性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較之低目數(shù)絲網(wǎng)填充的回?zé)崞髦评錂C(jī)，采用高目數(shù)絲網(wǎng)填充的回?zé)崞髦评錂C(jī)性能較優(yōu)；在回?zé)崞鳠岫颂畛涞湍繑?shù)，冷端填充高目數(shù)的絲網(wǎng)，可提高回?zé)崞骼涠藟罕?，提高整機(jī)制冷性能。

脈管低溫制冷機(jī)；回?zé)崞?；金屬絲網(wǎng)；實(shí)驗(yàn)研究

自脈管制冷機(jī)問世以來，其性能優(yōu)化及應(yīng)用研究得到廣泛關(guān)注[1]。由于其低溫端無運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)，振動(dòng)小等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來在信息、國(guó)家安全、航空航天、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用備受青睞，且已成為國(guó)際相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]?；?zé)崞鳛槊}管制冷機(jī)的重要部件之一，其性能對(duì)制冷機(jī)整機(jī)性能有著重要影響[3]。工作頻率、回?zé)崞鏖L(zhǎng)徑比、充氣壓力、冷端壓比、填充介質(zhì)物性等均對(duì)回?zé)崞餍阅苡兄匾∠蟆?guó)內(nèi)外諸多學(xué)者[3-16]就回?zé)崞髡归_了多方面的研究，尤其在回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)及填充方式上，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究方法，取得很大進(jìn)展。陳曦等[2]對(duì)回?zé)崞魈畛浣Y(jié)構(gòu)及填充介質(zhì)形式的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，并對(duì)不同填充形式下的回?zé)崞魈匦约罢麢C(jī)性能進(jìn)行了總結(jié)。絲網(wǎng)填充的回?zé)崞?，填充金屬絲網(wǎng)多為單一的某一目數(shù)，通過改變絲網(wǎng)目數(shù)及填充片數(shù)來調(diào)節(jié)回?zé)崞餍阅躘12-13]。Radebaugh R等[16]在既定填充絲網(wǎng)的情況下，通過改變工作頻率來提高整機(jī)性能。西安交通大學(xué)大學(xué)何雅玲課題組[14-15]對(duì)回?zé)崞鲀?nèi)絲網(wǎng)混填方式進(jìn)行了理論分析和仿真，研究成果對(duì)回?zé)崞鲀?yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的理論指導(dǎo)意義。中科院技術(shù)物理所吳亦農(nóng)課題組[4]采用實(shí)驗(yàn)的方法研究了脈管回?zé)崞鞯奶畛湫问?，?duì)金屬絲網(wǎng)的選擇具有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)意義，浙江大學(xué)甘智華等[10]通過優(yōu)化填充絲網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及材料，使單級(jí)GM型脈管制冷機(jī)獲得10 K的制冷溫度。這些研究工作都極大推動(dòng)了低溫制冷機(jī)的發(fā)展。

通過上述專家的研究，筆者分析回?zé)崞鞯幕責(zé)釗p失和工作氣體在回?zé)崞鲀?nèi)流動(dòng)所造成的壓降損失是影響其性能的主要原因。采用金屬絲網(wǎng)填充的回?zé)崞?，高目?shù)絲網(wǎng)所致軸向?qū)釗p失小，壓降大；低目數(shù)絲網(wǎng)流阻小，壓降小，所致軸向?qū)釗p失嚴(yán)重。綜合兩者利弊，筆者所在課題組提出采用不同目數(shù)的金屬絲網(wǎng)按照一定的比例組合填充，可以提高回?zé)崞鞯男阅?，是回?zé)崞鲀?yōu)化的有效方法。

文章采用REGEN對(duì)單級(jí)直線型回?zé)崞鬟M(jìn)行模擬，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)脈管制冷機(jī)，采用不同目數(shù)的金屬絲網(wǎng)混合填充，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果對(duì)回?zé)崞魈畛浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有借鑒意義。

1 回?zé)崞髟O(shè)計(jì)

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)所推出的REGEN3.3軟件，可用于模擬計(jì)算低溫制冷機(jī)回?zé)崞餍阅?，指?dǎo)脈管制冷機(jī)回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì)。在該軟件中，回?zé)崞髯鳛楸欢嗫捉橘|(zhì)填充的圓管，工作流體氦氣在多孔介質(zhì)孔體積內(nèi)交變流動(dòng)，并與之進(jìn)行換熱?；诤庖痪S流動(dòng)基礎(chǔ)，采用焓流調(diào)相理論和守恒原理的有限差分方程，該軟件對(duì)所建立的模型采用熱平衡法，對(duì)給定的回?zé)崞骼涠速|(zhì)量流、冷端壓力波相位、平均壓力、壓比、頻率及回?zé)崞魈畛涠嗫捉橘|(zhì)幾何和物性參數(shù)等，進(jìn)行數(shù)值求解。一般設(shè)計(jì)時(shí)，需先確定回?zé)崞魈畛浣橘|(zhì)的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，然后假定回?zé)崞鞯某叽纾鶕?jù)實(shí)際工況進(jìn)行計(jì)算和調(diào)整，最終按照設(shè)計(jì)要求的制冷量和算例制冷量對(duì)比，獲得回?zé)崞鞯淖罴阎睆健?/p>

選擇的回?zé)崞鞴r：工作頻率為50 Hz，冷端溫度為90 K，初始充氣壓力為3.0 MPa，壓比為1.2～1.5，冷端質(zhì)量流為6 g/s，回?zé)崞魈畛浣橘|(zhì)為不銹鋼絲網(wǎng)混填，具體參數(shù)如表1所示。最終確定回?zé)崞鏖L(zhǎng)度為55 mm。

表1 回?zé)崞魈畛浣橘|(zhì)金屬絲網(wǎng)物性參數(shù)Tab.1 The physical properties of regenerator filled porous materials (metal twilled screen)

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1給出了單級(jí)脈管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。壓縮機(jī)采用對(duì)置式活塞壓縮機(jī)LVDT20，通過外接電源及變頻器控制壓縮機(jī)的輸出功率和頻率；制冷機(jī)為直線型設(shè)計(jì)，級(jí)后換熱器和脈管熱端換熱器均采用水冷方式，換熱器形式為狹縫式。測(cè)試單元中，冷端溫度Tc采用Pt-100型電阻式溫度傳感器測(cè)量，冷指置于真空腔內(nèi)，實(shí)驗(yàn)中采用分子泵來維持真空腔內(nèi)真空度在10-4Pa以下；制冷量采用電阻絲測(cè)量，加熱單元采用直流電源加熱進(jìn)而模擬熱負(fù)荷，電壓由恒電壓電源控制；線性壓縮機(jī)輸氣壓力等采用壓力傳感器采集和傳輸。采用慣性管和氣庫(kù)組合方式進(jìn)行調(diào)相。系統(tǒng)相位對(duì)制冷性能的影響極大，采用氣庫(kù)和慣性管調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量流、壓力波的相位及兩者的相位差[4]。一般冷端質(zhì)量流相位滯后于壓力波而熱端質(zhì)量流相位領(lǐng)先于壓力波，可獲得較好的制冷性能。冷端30°的相位滯后一般認(rèn)為最優(yōu)[10]。故而在回?zé)崞鲀?nèi)部填充介質(zhì)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，其對(duì)應(yīng)的氣庫(kù)和慣性管也需要做相應(yīng)的調(diào)整。

回?zé)崞骺傞L(zhǎng)度為55 mm，內(nèi)部填充絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)為不銹鋼，混合填充情況如表2所示。實(shí)驗(yàn)選取了四種填充方式，每種填充方式均配以相應(yīng)的氣庫(kù)和慣性管組合，用以調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)所需相位，可提高制冷機(jī)性能。脈管采用薄壁鈦合金材質(zhì)，長(zhǎng)度為80 mm，兩端備以導(dǎo)流絲網(wǎng)，熱端換熱器采用狹縫式水冷換熱器以提高換熱效率。

1 對(duì)置式活塞壓縮機(jī)2傳輸管3級(jí)后換熱器4回?zé)崞?冷端 6脈管7熱端換熱器8慣性管9氣庫(kù)10電源11數(shù)據(jù)采集器 P1，P2壓力傳感器Tc溫度傳感器圖1 脈沖管制冷機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic of the pulse tube refrigerator

標(biāo)號(hào)目數(shù)絲網(wǎng)長(zhǎng)度/mmR1#40055R2#300#4002035R3#400#5003520R4#300#400#500102520

注：#填充順序?yàn)樽詿岫讼蚶涠恕?/p>

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

實(shí)驗(yàn)過程中，保持熱端溫度為300 K，考察四種填充方式對(duì)制冷量和制冷性能的影響。主要研究四種不同填充方式對(duì)降溫速度和制冷性能的影響。

3.1 降溫速度對(duì)比

圖2給出了在相同頻率工況下的降溫曲線。由上述可知，回?zé)崞魈畛渎首罡邽镽3，其次為R4，繼之R1，最低為R2。在頻率為50 Hz工況下，R2的最低制冷溫度可以達(dá)到75 K；其次為R1，71 K；繼之為R4，69 K；最低的為R3，約為66 K。降到設(shè)定溫度90 K，R1、R2、R3、R4分別用了5.5 min、6.5 min、4.5 min、5.5 min。脈管冷端實(shí)測(cè)壓比約為1.32、1.21、1.42、1.35，基本均在設(shè)計(jì)所需的冷端壓比(1.2～1.5)范圍內(nèi)。隨著填充目數(shù)的增多，填充率增大，回?zé)崞鲀?nèi)交變流動(dòng)工質(zhì)流速減小，壓降增大。回?zé)崞鲀?nèi)多孔介質(zhì)目數(shù)增高，微通道空間變細(xì)小，起到一定的節(jié)流降壓作用，能進(jìn)一步降低冷端制冷速度和最低溫度，如果改變充氣壓力或提高工作頻率，這種變化可能更為明顯，尚待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖2 填充回?zé)崞鲉渭?jí)脈管制冷機(jī)降溫曲線Fig.2 Cooling down process of pulse tube refrigerators with multi-metal-mesh filled regenerators

3.2 制冷性能對(duì)比

保持冷熱端溫度恒定為90 K，在相同工況下考察制冷機(jī)的整體制冷性能，獲得的制冷量與壓縮機(jī)輸入功關(guān)系如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，就制冷性能而言，R3(#400SS+#500SS)所對(duì)應(yīng)的制冷機(jī)性能最佳，而填充率最低的R2(#300SS+#400SS)所對(duì)應(yīng)之制冷機(jī)性能最差。填充絲網(wǎng)目數(shù)增大，填充過密，回?zé)崞骺杖莘e減小，回?zé)崞鹘z網(wǎng)比表面積增大，流道的水力直徑小于工作介質(zhì)的熱滲透深度，提高了氦氣的換熱能力，回?zé)崞餍阅茉鰪?qiáng)。另一方面，交變流工質(zhì)隨著回?zé)崞魈畛浣z網(wǎng)目數(shù)的增加，填充率的增大，其流速減緩，氣體焓流損失隨之降低。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與文獻(xiàn)[15]中的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論是一致的。事實(shí)上，增大回?zé)崞魈畛浣z網(wǎng)目數(shù)，會(huì)導(dǎo)致回?zé)崞髋c交變流工質(zhì)之間的流動(dòng)摩擦，造成能量損失，但在本實(shí)驗(yàn)過程中，在既定工況和相同頻率下，其帶來的摩擦損失并不明顯。隨著工作頻率的變化，這種損失的影響可能會(huì)存在差異[16]，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，將對(duì)其加以驗(yàn)證。

圖3 不同填充形式回?zé)崞髅}管制冷機(jī)性能Fig.3 Cooling performance curve for different filled forms of pulse tube refrigerators

回?zé)崞鱎4(#300SS +#400SS+#500SS)的性能較之單一絲網(wǎng)填充的R1(#400SS)性能要好，證明文獻(xiàn)[15]中所述的采用不同目數(shù)絲網(wǎng)填充時(shí)，冷端填充較高目數(shù)絲網(wǎng)，熱端填充較低目數(shù)絲網(wǎng)，可以有效提高回?zé)崞骼涠藟罕?，提高制冷機(jī)性能的預(yù)測(cè)。因此，在回?zé)崞鞯睦錈岫颂畛涓叩湍繑?shù)的絲網(wǎng)能有效提高回?zé)崞鞯男阅?。但R4制冷機(jī)的性能比R3(#400SS+#500SS)制冷機(jī)的性能要差一些，所以采用更密一些的絲網(wǎng)，回?zé)崞鲹Q熱更加充分。由于流道水力直徑的減小，交變流體在變流道內(nèi)節(jié)流降壓，換熱更為充分，即使阻力損失增大，整體性能卻提高了。

4 結(jié)論

本文采用REGEN3.3對(duì)脈管制冷機(jī)回?zé)崞鬟M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于設(shè)計(jì)和優(yōu)化的基礎(chǔ)上研制了單級(jí)脈管制冷機(jī)，并對(duì)回?zé)崞魈畛浣z網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)：

1)在設(shè)定冷指溫度為90 K的工況下，相對(duì)于回?zé)崞鞑捎脝我坏?400不銹鋼絲網(wǎng)填充方式，混合填充(#300+#400+#500和#400+#500)更有利于降低制冷機(jī)的冷卻時(shí)間，提高整機(jī)制冷性能；

2)在回?zé)崞鳠岫颂畛涞湍繑?shù)(#300 SS)的絲網(wǎng)，在回?zé)崞骼涠颂畛涓吣繑?shù)(#500 SS)的絲網(wǎng)，較之單一的(#400 SS)填充方式而言，可有效提高冷端壓比，提高制冷機(jī)的性能，設(shè)計(jì)時(shí)可采用該方法對(duì)回?zé)崞鬟M(jìn)行優(yōu)化。

本文受上海市自然基金(15ZR1419900)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Shanghai(No.15ZR1419900).)

[1] Gifford W E, Longsworth R C. Pulse tube refrigeration[J]. Trans ASME. 1964, 63: WA-210.

[2] 陳曦, 郭永飛, 張華, 等. 回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)用回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)研究綜述[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2011, 32(3): 6-14, 28. (Chen Xi, Guo Yongfei, Zhang Hua, et al. Review of investigation on regenerator for regenerative cryocoolers[J]. Journal of Refrigeration, 2011, 32(3): 6-14, 28.)

[3] Radebaugh R, Louie B. A simple first step to the optimization of regenerator geometry[C]//Proceedings of the 3rd International Cryocooler Conference, Boulder, Colorado, USA, 1984: 177-198.

[4] 張安闊, 陳曦, 吳亦農(nóng), 等. 脈沖管制冷機(jī)混合填充式蓄冷器的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 低溫工程, 2013(2): 36-37, 41. (Zhang Ankuo, Chen Xi, Wu Yinong, et al. Experiment study of multi-mesh filled regenerator for pulse tube cryocooler[J]. Cryogenics, 2013(2): 36-37, 41.)

[5] Jafari S, Mohammadi B, Boroujerdi A A. Multi-objective optimization of a stirling-type pulse tube refrigerator[J]. Cryogenics, 2013, 55/56: 53-62.

[6] Nam K, Jeong S. Development of parallel wire regenerator for cryocoolers[J]. Cryogenics, 2006, 46(4): 278-287.

[7] Nam K, Jeong S. Measurement of cryogenic regenerator characteristics under oscillating flow and pulsating pressure[J]. Cryogenics, 2003, 43(10/11): 575-581.

[8] Hua J Y, Dai W, Luo E C, et al. Development of high efficiency stirling-type pulse tube cryocoolers[J]. Cryogenics, 2010, 50(9): 603-607.

[9] Gan Z H, Dong W Q, Qiu L M, et al. A single-stage GM-type pulse tube cryocooler operating at 10.6 K[J]. Cryogenics, 2009, 49(5): 198-201.

[10] 甘智華, 董文慶, 邱利民, 等. 10 K單級(jí)脈管制冷機(jī)性能研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2008, 37(Suppl.4): 408-411. (Gan Zhihua, Dong Wenqing, Qiu Limin, et al. Performance study of a single-stage pulse tube cooler at 10 K[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2008, 37(Suppl.4): 408-411.)

[11] 方蕾, 黃永華. 低溫回?zé)崞髂Ｐ蚏EGEN[J]. 低溫與超導(dǎo), 2010, 38(8): 4-9. (Fang Lei, Huang Yonghua. REGEN-A numerical model for cryogenic regenerator[J]. Cryogenics and Superconductivity, 2010, 38(8): 4-9.)

[12] Tao Y B, Liu Y W, Gao F, et al. Numerical analysis on pressure drop and heat transfer performance of mesh regenerators used in cryocoolers[J]. Cryogenics, 2009, 49(9): 497-503.

[13] Jensen J B, Engelbrecht K, Bahl C R H, et al. Modeling of parallel-plate regenerators with non-uniform plate distributions[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, 53(23/24): 5065-5072.

[14] 高凡, 何雅玲, 劉迎文. 交變流動(dòng)下絲網(wǎng)回?zé)崞髦袎航堤匦缘臄?shù)值分析[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2008, 29(4): 668-670. (Gao Fan, He Yaling, Liu Yingwen. Numerical analysis of pressure drop characteristic in mesh regenerator under oscillating flow[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2008, 29(4): 668-670.)

[15] 高凡, 何雅玲. 絲網(wǎng)回?zé)崞髦袚Q熱性能的優(yōu)化[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 42(9): 1070-1075. (Gao Fan, He Yaling. Heat transfer performance optimization for mesh regenerator [J]. Journal of Xi′an Jiaotong University, 2008, 42(9): 1070-1075.)

[16] Radebaugh R, O Gallagher A. Regenerator operation at very high frequencies for microcryocoolers[J]. Advances in Cryogenic Engineering, 2006, 51: 1919-1928.

About the author

Kan Ankang, male, Ph.D./senior engineer, postdoctoral of Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, +86 21-38282971, E-mail: ankang0537@126.com. Research fields: heat and mass transfer in porous materials, cryogenic technology, et al.

The Performance of Pulse Tube Cryogenic Cryocooler with Multi-metal-meshFilled Regenerator

Kan Ankang1,2Zhang Ankuo1Wu Yinong1

(1. Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Science, Shanghai, 200083, China; 2. Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai, 201306, China)

As the key component of the pulse tuber cryocooler, the regenerator plays a vital role on the thermal performance. In order to analyze the effect of the filled metal meshes on the thermal performance of regenerator, the real single-stage pulse tube cryocooler was designed and manufactured, according to the results of calculation and simulation by REGEN3.3. Four typical multi-metal-mesh filled regenerators were built with stainless screens #300SS, #400SS and #500SS. The comparison experiments were carried out. The thermal property of the refrigerator was collected and the conclusion was obtained. The thermal performance of the pulse tube refrigerator with small metal mesh screen filled regenerator is superior to that of the one with lager metal mesh screen filled regenerator. And filling the lager mesh screen at the hot end of the regenerator and the small mesh screen at the cold end can improve the gas compression ratio and the thermal performance.

pulse tube cryogenic cryocooler; regenerator; metal twilled screen; experimental study

2015年4月17日

0253- 4339(2015) 06- 0074- 04

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.06.074

TB651+.4;TP391.9

A

闞安康, 男，博士，高級(jí)工程師，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所博士后，上海海事大學(xué)商船學(xué)院，(021)38282971，E-mail: ankang0537@126.com。研究方向：多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)、低溫制冷技術(shù)等。