超高頻微型脈沖管制冷機(jī)回?zé)崞鲀?yōu)化設(shè)計(jì)

李?yuàn)檴櫍貉┮?，?釗，陶光炎

(大連民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

超高頻微型脈沖管制冷機(jī)回?zé)崞鲀?yōu)化設(shè)計(jì)

李?yuàn)檴?，昂雪野，?釗，陶光炎

(大連民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

為了指導(dǎo)超高頻回?zé)崞髟O(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)行參數(shù)的選取，基于準(zhǔn)確度較高的回?zé)崞髟O(shè)計(jì)軟件REGEN3.3開(kāi)展了超高頻1W@80K脈沖管制冷機(jī)回?zé)崞鲀?yōu)化設(shè)計(jì)工作，總結(jié)了運(yùn)行參數(shù)對(duì)于超高頻回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)尺寸的影響。研究表明：冷端壓比越高，回?zé)崞髯顑?yōu)長(zhǎng)度越短，直徑越??；頻率對(duì)回?zé)崞髯顑?yōu)直徑影響較小，進(jìn)一步提高頻率，回?zé)崞鏖L(zhǎng)度可適當(dāng)變短；充氣壓力對(duì)回?zé)崞髯顑?yōu)長(zhǎng)度和直徑影響均較小。最后總結(jié)出了超高頻回?zé)崞鬟\(yùn)行參數(shù)選取方法，在保證回?zé)崞鞲咝疤嵯逻M(jìn)一步減小回?zé)崞鞒叽?，并將顯著減少設(shè)計(jì)計(jì)算量。

超高頻脈沖管制冷機(jī)；回?zé)崞鳎籖EGEN3.3；運(yùn)行參數(shù)

Abstract:In order to select operation parameters of the ultra-high frequency regenerator in the process of design, the regenerator for the 1W@80K ultra-high frequency miniature pulse tube cryocooler is designed based on the software of REGEN3.3 which has more precision, and the influence of operation parameters on the structural dimensions of ultra-high frequency regenerator is summarized. Investigation results show that the optimum length of the regenerator is shorter and the diameter is smaller with a higher pressure ratio at the cold end. The frequency has little influence on the optimum diameter, and the length can be shortened when the frequency increases. The charging pressure has little influence on the optimum length and diameter of the regenerator.At last, the selection method of operation parameters for the ultra-high frequency regenerator is concluded which will further reduce the amount of design calculation and the size of the regenerator without greatly reducing the efficiency of the regenerator.

Keywords:miniature pulse tube cryocooler; regenerator; REGEN3.3; operation parameters

高頻脈沖管制冷機(jī)低溫端沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，具有可靠性高、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)[1]，這些顯著的優(yōu)點(diǎn)使其成為近年來(lái)最熱門(mén)的小型低溫制冷機(jī)，已在航天和軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，近年來(lái)也逐步向民用領(lǐng)域拓展[2]。低溫制冷機(jī)的尺寸、質(zhì)量影響武器裝備的反應(yīng)速度和機(jī)動(dòng)性能，航天上高昂的發(fā)射成本也要求制冷機(jī)在壽命周期內(nèi)以最小的尺寸和質(zhì)量提供所需的制冷量，而且民用移動(dòng)基站等領(lǐng)域也對(duì)制冷機(jī)的尺寸和質(zhì)量提出了越來(lái)越嚴(yán)格的限值，因此低溫制冷機(jī)小型化甚至微型化是其發(fā)展的必然趨勢(shì)。

傳統(tǒng)高頻脈沖管制冷機(jī)的運(yùn)行頻率為30～60 Hz，僅僅通過(guò)減小尺寸來(lái)減小體積和重量會(huì)使脈沖管制冷機(jī)的效率大大降低，為此美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的R. Radebaugh提出了采用更高的頻率實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化和微型化的想法[3]。超高頻脈沖管制冷機(jī)工作頻率大于80 Hz，并且采用高目數(shù)絲網(wǎng)及高的充氣壓力，可在不大幅降低制冷機(jī)效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的小型化及微型化。國(guó)際上，美國(guó)NIST[4-5]、諾思羅普格魯門(mén)航空航天系統(tǒng)公司(NGAS)公司[6、7]、法國(guó)CEA公司[8]等都已開(kāi)發(fā)了百赫茲超高頻樣機(jī)，并已進(jìn)入工程應(yīng)用階段。國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所[9-12]、浙江大學(xué)[13]等也已經(jīng)開(kāi)展了超高頻脈沖管制冷機(jī)樣機(jī)的研制工作，但是國(guó)內(nèi)起步較晚，尤其在小冷量超高頻制冷機(jī)研發(fā)上與國(guó)際水平相比還存在整機(jī)效率偏低、質(zhì)量較大等問(wèn)題。大連民族大學(xué)于近期開(kāi)展了1W@80K小冷量超高頻脈沖管制冷機(jī)的研制工作。回?zé)崞髟O(shè)計(jì)的優(yōu)劣決定了制冷量及整機(jī)效率，其是整機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件，本文基于準(zhǔn)確度較高的回?zé)崞髟O(shè)計(jì)軟件REGEN3.3[14]開(kāi)展了1W@80K超高頻脈沖管制冷機(jī)回?zé)崞鲀?yōu)化設(shè)計(jì)工作，總結(jié)了運(yùn)行參數(shù)對(duì)于超高頻回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)尺寸的影響，研究結(jié)果將指導(dǎo)超高頻回?zé)崞髟O(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)行參數(shù)的選取，使得在不大幅降低制冷機(jī)效率的前提下進(jìn)一步減小回?zé)崞鞒叽?，并且顯著減少設(shè)計(jì)計(jì)算量。

1 理論模型及計(jì)算參數(shù)的選取

數(shù)值模擬方法是回?zé)崞骼碚撗芯康闹髁鞣椒ǎ琑EGEN軟件是針對(duì)制冷機(jī)回?zé)崞髟O(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)軟件，其通過(guò)質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程以及氣體狀態(tài)方程等來(lái)模擬交變流動(dòng)下回?zé)崞鲀?nèi)氣體和填料之間的熱交換，計(jì)算準(zhǔn)確度高，廣泛應(yīng)用于制冷機(jī)回?zé)崞鞯膬?yōu)化設(shè)計(jì)。本文基于最新版本REGEN3.3軟件開(kāi)展了1W@80K超高頻脈沖管制冷機(jī)回?zé)崞鞯膬?yōu)化設(shè)計(jì)工作，在軟件中輸入回?zé)崞鞯倪\(yùn)行參數(shù)、填料尺寸及材料、結(jié)構(gòu)尺寸等，得到回?zé)崞髦评淞考靶实??；責(zé)崞鬟\(yùn)行參數(shù)包括：頻率、充氣壓力、回?zé)崞骼錈岫藴囟取⒗涠藟罕?、質(zhì)量流幅值及質(zhì)量流與壓力波之間的相位角等，回?zé)崞餍蕿閮糁评淞颗c回?zé)崞鳠岫寺暪χ取?/p>

通過(guò)調(diào)研，填料選用高目數(shù)620目不銹鋼絲網(wǎng)，冷端質(zhì)量流的取值需保證回?zé)崞鲀糁评淞吭?W左右，回?zé)崞骼涠藴囟?0 K，熱端溫度保守取值310 K。在不同冷端壓比及質(zhì)量流幅值下，回?zé)崞餍首顑?yōu)時(shí)所對(duì)應(yīng)的冷端相位角基本不變[15]，考慮到調(diào)相機(jī)構(gòu)的調(diào)相能力，冷端質(zhì)量流與壓力波之間的相位角保守取為-20°，負(fù)值代表質(zhì)量流落后于壓力波。通過(guò)大量改變回?zé)崞鬟\(yùn)行頻率、充氣壓力、冷端壓比及結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算得到不同運(yùn)行參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸下回?zé)崞餍?，以回?zé)崞餍首顑?yōu)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，總結(jié)運(yùn)行參數(shù)對(duì)于超高頻回?zé)崞鬏^優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸的影響規(guī)律。

考慮到耦合壓縮機(jī)的動(dòng)力特性，頻率的變化范圍為80-96 Hz,計(jì)算步長(zhǎng)4 Hz；充氣壓力變化范圍3.4-4.0 MPa，計(jì)算步長(zhǎng)0.2 MPa?？紤]到調(diào)相機(jī)構(gòu)的調(diào)相能力，冷端壓比變化范圍1.13-1.2，計(jì)算步長(zhǎng)0.1?；?zé)崞髦睆阶兓秶?-10 mm，計(jì)算步長(zhǎng)0.5 mm；回?zé)崞鏖L(zhǎng)度變化范圍32 - 40 mm，計(jì)算步長(zhǎng)4 mm。

2 運(yùn)行參數(shù)對(duì)于回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)尺寸的影響規(guī)律

2.1 冷端壓比對(duì)回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)尺寸的影響規(guī)律

頻率92 Hz，充氣壓力3.4 MPa時(shí)，不同回?zé)崞骼涠藟罕取⒅睆郊伴L(zhǎng)度下回?zé)崞餍实淖兓鐖D1-2，可見(jiàn)回?zé)崞骼涠藟罕仍礁撸首顑?yōu)時(shí)回?zé)崞鞯闹睆皆叫?，長(zhǎng)度越短。在冷端壓比較低時(shí)，直徑的變化對(duì)回?zé)崞餍实挠绊戄^??；在冷端壓比較高時(shí)，直徑的變化對(duì)回?zé)崞餍实挠绊戄^大如圖1。對(duì)于任一直徑，存在最優(yōu)的冷端壓比使得回?zé)崞餍首罡?，但不同直徑下，效率最?yōu)值不同，對(duì)于本算例，直徑7 mm，冷端壓比1.2時(shí)，回?zé)崞餍首畲鬄?.1037。回?zé)崞髦睆綖? mm，當(dāng)冷端壓比增加時(shí)，回?zé)崞鏖L(zhǎng)度越長(zhǎng)，回?zé)崞餍试黾拥姆仍叫∪鐖D2。

圖1 不同冷端壓比及回?zé)崞髦睆较禄責(zé)崞餍首兓?/p>

圖2 不同冷端壓比及回?zé)崞鏖L(zhǎng)度下回?zé)崞餍首兓?/p>

2.2 頻率對(duì)回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)尺寸的影響規(guī)律

冷端壓比1.16時(shí)，不同頻率、回?zé)崞髦睆郊伴L(zhǎng)度下回?zé)崞餍实淖兓鐖D3-6,充氣壓力為3.4 MPa如圖3-4，充氣壓力為4.0 MPa如圖5-6，可見(jiàn)頻率對(duì)回?zé)崞髯顑?yōu)直徑影響較小，進(jìn)一步提高頻率，回?zé)崞鏖L(zhǎng)度可適當(dāng)變短；回?zé)崞餍孰S著頻率的增加而降低，直徑越小、長(zhǎng)度越短，效率降低的幅度越小。充氣壓力3.4 MPa、回?zé)崞鏖L(zhǎng)度36 mm時(shí)，最優(yōu)回?zé)崞髦睆綖?.5 mm如圖3。充氣壓力4.0 MPa、回?zé)崞鏖L(zhǎng)度36 mm時(shí)，最優(yōu)回?zé)崞髦睆綖? mm如圖5?；?zé)崞鏖L(zhǎng)度36 mm、直徑為7或7.5 mm時(shí)，頻率96 Hz、充氣壓力4.0 MPa時(shí)的回?zé)崞餍逝c頻率80 Hz、充氣壓力3.4 MPa時(shí)的效率相當(dāng)，可見(jiàn)在回?zé)崞髦睆浇咏^優(yōu)值時(shí)，提高頻率的同時(shí)可提高充氣壓力使回?zé)崞餍逝c低頻相比基本保持不變。

圖3 不同頻率及回?zé)崞髦睆较禄責(zé)崞餍首兓?充氣壓力3.4 MPa)

圖4 不同頻率及回?zé)崞鏖L(zhǎng)度下回?zé)崞餍首兓?充氣壓力3.4 MPa)

圖5 不同頻率及回?zé)崞髦睆较禄責(zé)崞餍首兓?充氣壓力4.0 MPa)

圖6 不同頻率及回?zé)崞鏖L(zhǎng)度下回?zé)崞餍首兓?充氣壓力4.0 MPa)

2.3 充氣壓力對(duì)回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)尺寸的影響

頻率96 Hz時(shí)，不同充氣壓力、回?zé)崞髦睆郊伴L(zhǎng)度下回?zé)崞餍实淖兓鐖D7-10，冷端壓比為1.18如圖7-8，冷端壓比為1.13如圖9-10，可見(jiàn)充氣壓力對(duì)回?zé)崞髯顑?yōu)長(zhǎng)度和直徑影響較小。冷端壓比為1.18時(shí)，回?zé)崞餍孰S著充氣壓力的增加而降低，直徑越大，降低的幅度越大如圖7。冷端壓比為1.13時(shí)，直徑小于8.5 mm時(shí)，回?zé)崞餍孰S著充氣壓力的增加而增加，直徑越小，增加的幅度越大如圖9；直徑大于8.5 mm時(shí)，回?zé)崞餍孰S著充氣壓力的增加而減小，但減小的幅度小于壓比為1.18時(shí)的幅度?？梢?jiàn)，在冷端壓比較低且直徑較小時(shí)，高充氣壓力可提升回?zé)崞餍?，在冷端壓比較大時(shí)，充氣壓力不宜過(guò)高。

圖7 不同充氣壓力及回?zé)崞髦睆较禄責(zé)崞餍首兓?冷端壓比1.18)

圖8 不同充氣壓力及回?zé)崞鏖L(zhǎng)度下回?zé)崞餍首兓?冷端壓比1.18)

圖9 不同充氣壓力及回?zé)崞髦睆较禄責(zé)崞餍首兓?冷端壓比1.13)

圖10 不同充氣壓力及回?zé)崞鏖L(zhǎng)度下回?zé)崞餍首兓?冷端壓比1.13)

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于準(zhǔn)確度較高的回?zé)崞髟O(shè)計(jì)軟件REGEN3.3開(kāi)展了超高頻1W@80K脈沖管制冷機(jī)回?zé)崞鲀?yōu)化設(shè)計(jì)工作，通過(guò)大量改變回?zé)崞鬟\(yùn)行頻率、充氣壓力、冷端壓比及結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算得到不同運(yùn)行參數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸下回?zé)崞餍?，以回?zé)崞餍首顑?yōu)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，總結(jié)了運(yùn)行參數(shù)對(duì)于超高頻回?zé)崞鬏^優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸的影響規(guī)律：

(1)冷端壓比越高，回?zé)崞髯顑?yōu)長(zhǎng)度越短，直徑越??；

(2)頻率對(duì)回?zé)崞髯顑?yōu)直徑影響較小，進(jìn)一步提高頻率，回?zé)崞鏖L(zhǎng)度可適當(dāng)變短；

(3)充氣壓力對(duì)回?zé)崞髯顑?yōu)長(zhǎng)度和直徑影響較小。

(4)在較優(yōu)直徑下，頻率較高時(shí)，可通過(guò)提高充氣壓力使回?zé)崞餍逝c低頻時(shí)相比基本保持不變。

(5)在冷端壓比較低且直徑較小時(shí)，高充氣壓力可提升回?zé)崞餍?，在冷端壓比較大時(shí)，充氣壓力不宜過(guò)高。

從(1)-(5)可見(jiàn)，對(duì)超高頻回?zé)崞鞯脑O(shè)計(jì)，可采用如下方法在不大幅降低制冷機(jī)效率的前提下進(jìn)一步減小回?zé)崞鞒叽纾?/p>

(1)滿(mǎn)足調(diào)相能力的同時(shí)，盡可能選擇高的冷端壓比；

(2)兼顧考慮耦合壓縮機(jī)的性能，選擇允許的最高的運(yùn)行頻率；

(3)基于所選擇的高的冷端壓比及頻率，優(yōu)化充氣壓力。

上述(1)-(3)條將指導(dǎo)超高頻回?zé)崞髟O(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)行參數(shù)的選取，使得在不大幅降低制冷機(jī)效率的前提下進(jìn)一步減小回?zé)崞鞒叽?，并且顯著減少設(shè)計(jì)計(jì)算量。

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(責(zé)任編輯 王楠楠)

OptimumDesignofRegeneratorforUltra-highFrequencyMiniaturePulseTubeCryocooler

LIShan-shan,ANGXue-ye,WANGZhao,TAOGuang-yan

(School of Civil Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

TU834.1

A

2017-07-04；

2017-07-16

遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目(L2014541);遼寧省自然科學(xué)基金指導(dǎo)計(jì)劃(20170540195)。

李?yuàn)檴?1984 —)，女，黑龍江呼瑪人，副教授，博士，主要從事小型低溫制冷機(jī)及建筑技術(shù)研究。

2096-1383(2017)05-0487-04