回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)用回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)研究綜述

陳 曦 郭永飛 張 華 吳亦農(nóng)

(1 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093; 2 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083)

回?zé)崞魇腔責(zé)崾降蜏刂评錂C(jī)中的關(guān)鍵部件，它對(duì)回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)性能有重要影響，尤其是在高頻情況下，這種影響更為明顯[1]。在低溫制冷機(jī)工作過(guò)程中，冷熱氣流交替流過(guò)回?zé)崞?，以回?zé)崞魈盍蠟橹薪閷?shí)現(xiàn)冷熱氣流之間的熱量交換，起到儲(chǔ)存和回收冷量的作用，并且建立起制冷機(jī)冷端(腔)與熱端(腔)之間很大的溫度梯度[2]?；?zé)崞魈盍系慕Y(jié)構(gòu)形式對(duì)回?zé)崞鞯男阅苡兄苯拥臎Q定性影響，因此選擇合適的填充方式對(duì)提高回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)的整體性能顯得尤為重要。近些年來(lái)，研究人員提出了回?zé)崞鞯亩喾N填充方式，并對(duì)不同填充方式下回?zé)崞鞯奶匦约爸评錂C(jī)的整體性能做了大量研究，這些研究有力地推動(dòng)了低溫制冷機(jī)的發(fā)展。

1 回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展

1.1 北美

美國(guó)、加拿大在低溫制冷機(jī)及回?zé)崞鞣矫娴难芯块_始較早，取得的研究成果也較多。

1996年，R. Yaron[3]等人提出了一種填料由長(zhǎng)方形蝕刻金屬薄片卷裹而成的回?zé)崞?，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中蝕刻金屬材料可以為不銹鋼、鈹銅合金或銻鉛合金。在無(wú)溫度梯度的穩(wěn)定流動(dòng)條件下，該回?zé)崞鲀?nèi)工質(zhì)的壓降是層疊絲網(wǎng)式回?zé)崞鞯?/8；在運(yùn)行頻率為50Hz、平均壓力為1.2MPa、壓比為1.57、散熱溫度為350K時(shí)，裝有該回?zé)崞鞯拿}管制冷機(jī)的冷端溫度可維持在71.81K。3年后，J.R.Olson[4]等研究了蝕刻金屬薄片式回?zé)崞鞯男阅?，結(jié)果顯示，由于該回?zé)崞餍纬傻牧鞯莱叽邕^(guò)大，在用于脈管和斯特林制冷機(jī)時(shí)，其性能不及常用的層疊絲網(wǎng)型回?zé)崞鳌?/p>

圖1 蝕刻金屬薄片式回?zé)崞鱂ig.1 Etched foil regenerator

1999年，Thomas Felmley[5]介紹了一種釹絲帶卷裹式回?zé)崞鳎障堵蕛H為15%～20%，可用于替代G-M制冷機(jī)二級(jí)回?zé)崞髦卸询B金屬珠式回?zé)崞鳌?/p>

2001年，M. A. Lewis[6]等對(duì)G-M制冷機(jī)用堆疊金屬珠式回?zé)崞鞯膶?dǎo)熱性能進(jìn)行了測(cè)試，回?zé)崞魈盍戏謩e為直徑在80μm～120μm之間的不銹鋼珠、鉛珠和銅珠。在充滿氦氣時(shí)，回?zé)崞鞯膶?dǎo)熱性能明顯優(yōu)于真空狀態(tài)，這說(shuō)明堆疊金屬珠間的高壓氦氣工質(zhì)能有效提高冷熱端間填料的導(dǎo)熱性能。

2002年，T.W. Wysokinski[7]等采用Er96.8O2.7N0.3C0.2粒代替鉛粒作為G-M制冷機(jī)二級(jí)回?zé)崞魈盍希怪评錂C(jī)的性能有所提高，由于具有較低熱導(dǎo)率、較高比熱容和拉伸強(qiáng)度，無(wú)毒無(wú)害，鉺合金被認(rèn)為是取代鉛作為低溫區(qū)回?zé)岵牧系牟诲e(cuò)選擇。T.W.Wysokinski[8]等研究了采用整體結(jié)構(gòu)填料對(duì)G-M制冷機(jī)性能的影響，由在Pb、Er3Ni、ErNi0.9Co0.1粒表面包裹一層環(huán)氧樹脂制成整體結(jié)構(gòu)填料，在不削弱回?zé)崞鳠崃π阅艿耐瑫r(shí)有效提高了填料強(qiáng)度。K.A.Gschneidner Jr.[9]闡述了回?zé)岵牧系倪m用溫區(qū)，不銹鋼和青銅適用于50K左右的回?zé)崞?；低?0K時(shí)，采用二級(jí)回?zé)崞?，用鉛珠作為回?zé)崞魈盍希坏陀?0K時(shí)，二級(jí)回?zé)崞鲀?nèi)需采用磁性材料，高溫端填充Pb，低溫端填充Er3Ni或HoCu2。

2004年，Uri Bin-Num[10]等在層疊絲網(wǎng)式回?zé)崞鞯幕A(chǔ)上提出了一種由絲網(wǎng)燒結(jié)黏結(jié)塊層疊裝配的絲網(wǎng)黏結(jié)塊式回?zé)崞?，該回?zé)崞骶哂休^高的軸向熱阻和較好的綜合性能。

同年，Matthew E. Moran[11]等設(shè)計(jì)制造了一種用于斯特林機(jī)的微型回?zé)崞鳎鐖D2所示，該回?zé)崞饔墒畬渔嚭凸庾璨牧掀瑺詈铣晌锝诲e(cuò)層疊而成，網(wǎng)片交替層疊形成了非連續(xù)性流道。這種交錯(cuò)層疊的設(shè)計(jì)破壞了流動(dòng)邊界層，在提高了熱力性能的同時(shí)有效降低了軸向?qū)釗p失。

圖2 交錯(cuò)層疊的格柵式回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)Fig.2 Layer-offset grating pattern regenerator design

圖3 鉛合金回?zé)崞鞯姆糯髨DFig.3 Photomicrograph of Pb alloy matrix disk

2004年，D.R.Ladner[12]等介紹了一種分段螺旋線型鋁合金薄片式回?zé)崞鳎鐖D3所示，該回?zé)崞饔善叫斜∑瑯?gòu)成統(tǒng)一的矩形流道，低空隙率的設(shè)計(jì)在理論上優(yōu)化了傳熱和運(yùn)行性能。

同年，D.J. Guidry[13]等介紹了一種由X射線光刻而成的微通道Er片回?zé)崞鳎撐⑼ǖ澜Y(jié)構(gòu)能有效降低壓降損失、提高蓄冷能力。在溫度低于15K時(shí)，通常采用HoSb、NdGe、PrGe、ErPr、Er3Ni、Er0.5Dy0.5Ni等合金作為回?zé)崞魈盍喜牧稀?/p>

2005年，Xiaoqin Yang[14]等研究了回?zé)崞鞒叽鐚?duì)微型斯特林制冷機(jī)的影響。得知，回?zé)崞鞯乃χ睆酱嬖谧顑?yōu)值，此時(shí)制冷機(jī)能獲得最大制冷量，當(dāng)水力直徑小于該值時(shí)，制冷機(jī)性能由壓降值決定；當(dāng)水力直徑大于該值時(shí)，制冷機(jī)性能由熱力損失值決定。

2007年，Matthew P. Mitchell[15]等測(cè)試了由三種不同蝕刻型式的蝕刻薄片平行組裝而成的平行片式回?zé)崞?。在Re為40～200時(shí)，其性能指數(shù)比隨機(jī)絲式、堆疊金屬珠式回?zé)崞鞫几?。在G-M型脈管制冷機(jī)[16]分別采用這三種回?zé)崞鲿r(shí)，具有最低空隙率、最大誘導(dǎo)二次流動(dòng)的回?zé)崞髂苁怪评錂C(jī)的性能表現(xiàn)最優(yōu)。

2008年，W.M. Clearman[17,18]，J.S.Cha[19,20]等分別對(duì)填料為層疊不銹鋼絲網(wǎng)、不銹鋼燒結(jié)絲網(wǎng)、燒結(jié)泡沫金屬、微加工的鎳片的回?zé)崞髟诜€(wěn)定、交變流動(dòng)下的軸向壓降進(jìn)行測(cè)試，并導(dǎo)出Forchheimer慣性系數(shù) cf,x和流阻因數(shù) fx等無(wú)量綱參數(shù)。

2009年，Mounir B. Ibrahim[21]等提及了一種隨機(jī)絲式回?zé)崞?，回?zé)崞魈盍嫌呻S機(jī)絲采用燒結(jié)法黏結(jié)而成，出于對(duì)隨機(jī)絲材料特性和燒結(jié)工藝的考慮，氣流流向垂直于隨機(jī)絲軸線方向。

1.2 歐洲

在歐洲，對(duì)低溫制冷機(jī)及回?zé)崞鞯难芯恐饕性诘聡?guó)、意大利等國(guó)。

1997年，C. Wang[22-24]等對(duì)在低于4K溫區(qū)內(nèi)運(yùn)行的雙級(jí)脈管制冷機(jī)進(jìn)行了研究。其中二級(jí)回?zé)崞饔?0%的ErNi0.9Co0.1珠、27%的ErNi珠和33%的鉛珠混合填充時(shí)，制冷機(jī)性能最優(yōu)，制冷溫度可低至2.23K，在制冷溫度為4.2K、5K時(shí)的制冷量分別為370mW、700mW。

兩年后，A.von SchneidemesserK[25]等介紹了G-M(56K&50W)脈管(4.2K&0.26W)混合式低溫制冷機(jī)，冷端溫度可低至2.2K。G-M制冷機(jī)回?zé)崞饕来翁畛淞?247不銹鋼絲網(wǎng)、#247磷青銅絲網(wǎng)、Ф0.18～0.23mm鉛珠；脈管制冷機(jī)回?zé)崞饕来翁畛淞?/3的鉛珠、2/3的釹珠。

2001年，L. M. Qiu[26]等介紹了一種由GdAlO3珠填充的回?zé)崞鳎沟妹}管制冷機(jī)在冷端溫度為2.8K、3.13K、3.70K時(shí)獲得的制冷量分別為200mW、300mW、400mW，性能比采用HoCu2、ErNi作為填料時(shí)提升了150%。

2002年，L. Trevisani[27]等介紹了二級(jí)回?zé)崞饔摄U珠與30%的磁性材料Er(Ni0.075Co0.925)2混合填充而成的雙級(jí)G-M制冷機(jī)，制冷機(jī)制冷量比僅填充鉛珠時(shí)增大了15%。

2004年，N. Jiang[28]等研究了低于1.3K的雙級(jí)脈管制冷機(jī)，其中一級(jí)回?zé)崞魈畛溆胁讳P鋼絲網(wǎng)和鉛珠，二級(jí)回?zé)崞鞲邷丶?jí)填充有不銹鋼絲網(wǎng)，二級(jí)回?zé)崞鞯蜏丶?jí)填充有鉛珠、ErNi珠和HoCu2珠。3年后，M. Dietrich[29]等通過(guò)改變混合填料的填充比例研究了斯特林型脈管制冷機(jī)用回?zé)崞鞯臏囟炔痪鶆蛐裕弥?0目銅絲網(wǎng)的替代率為50%的不銹鋼絲網(wǎng)回?zé)崞鬏^適用于冷端溫度高于70K的制冷機(jī)。

1.3 亞洲

在亞洲，對(duì)回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)的研究比較活躍，取得的研究成果也較多，中國(guó)、日本和韓國(guó)是主要研究國(guó)家。

1996年，陳炳輝[30]等研究了圓形網(wǎng)片填料的直徑尺寸對(duì)層疊絲網(wǎng)式回?zé)崞鳠崃π阅艿挠绊憽＿x擇直徑尺寸大于回?zé)崞魈淄矁?nèi)徑的圓形網(wǎng)片能有效減少沿回?zé)崞鲀?nèi)筒壁的工質(zhì)滲漏損失，直徑尺寸超出值為0.55mm的回?zé)崞骶哂凶詈玫臒崃π阅?，但阻力系?shù) f 也最大；尺寸超出值降為0.05mm時(shí)，回?zé)崞鞯膿Q熱性能平均下降17%。

1997年，T. Tsukagoshi[31]等研究了雙級(jí)G-M制冷機(jī)用二級(jí)回?zé)崞?，通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較填料Er0.75Gd0.25Ni珠、Er3Co珠、Er0.75Yb0.1Ni珠填充體積比為0.25:0.25:0.5的回?zé)崞鰾和填料Er3Co珠、Er0.75Yb0.1Ni珠填充體積比為0.5:0.5的回?zé)崞鰽得知，回?zé)崞鰾的性能優(yōu)于A。

1998年，巨永林[32]等對(duì)層疊絲網(wǎng)式回?zé)崞髟诮蛔兞鲃?dòng)下的流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果顯示，在具有相同的雷諾數(shù)時(shí)，回?zé)崞髟诮蛔兞鲃?dòng)下的周期平均壓降是穩(wěn)態(tài)流動(dòng)下的3～4倍。

2001年，K. Muralidhar[33]等利用諧波分析法分析了交變流動(dòng)下層疊絲網(wǎng)式回?zé)崞鲀?nèi)的工質(zhì)流動(dòng)和傳熱特性。層疊絲網(wǎng)式回?zé)崞骺障堵瘦^大，回?zé)崞鲀?nèi)壓力梯度與流動(dòng)速度同步變化，使工質(zhì)流動(dòng)變得紊亂，形成了高次諧波，從而顯著增大了流動(dòng)阻力系數(shù)。

2003年，Kwanwoo Nam[34]等對(duì)層疊絲網(wǎng)式回?zé)崞髟谟糜贕-M制冷機(jī)和斯特林制冷機(jī)時(shí)的性能進(jìn)行了研究。得知，工質(zhì)壓降受運(yùn)行頻率的影響極小，而與氣體工質(zhì)的質(zhì)量流量線性相關(guān)，工質(zhì)壓降的相位轉(zhuǎn)換特征主要由交變頻率決定。次年，Sangkwon Jeong[35]等人研究了材料為不銹鋼、耐高溫聚合物的隨機(jī)絲式回?zé)崞?。得知，回?zé)崞鞯臒o(wú)效效率由瞬時(shí)壓力、工質(zhì)流量和回?zé)崞鲀啥说臏囟鹊纫蛩貨Q定；耐高溫聚合物的比熱容雖小于不銹鋼，但聚合物填料因傳熱面積大而具有較高的換熱效率。

2004年，陳國(guó)邦[36]等對(duì)采用He-H2混合氣體作為工質(zhì)、Er3Ni為填料的雙級(jí)脈管制冷機(jī)進(jìn)行了研究，其中一級(jí)回?zé)崞魈盍蠟榱浊嚆~絲網(wǎng)、鉛珠，二級(jí)回?zé)崞魈盍蠟镋r3Ni珠。發(fā)現(xiàn)Er3Ni能吸收H2并形成Er3NiH3.5，由于Er3NiH3.5的熱力性能優(yōu)于Er3Ni，采用He-H2混合氣體作為工質(zhì)的制冷機(jī)性能比采用純He工質(zhì)高40%。次年，邱利民[37]等介紹了兩種用于單級(jí)G-M型脈管制冷機(jī)的回?zé)崞?，回?zé)崞鱝由18.4%的鉛珠、81.6%的磷青銅絲網(wǎng)混合填充而成，回?zé)崞鱞由鉛珠、磷青銅絲網(wǎng)、Er3Ni珠混合填充而成。在高于20K的溫區(qū)內(nèi)，Er3Ni的比熱容低于鉛，回?zé)崞鱞不易提高制冷機(jī)的性能；在10K～20K的溫區(qū)內(nèi)，Er3Ni比熱容較高，冷端溫度可低至12.6K。

2004年，Sungryel Choi[38]、Kwanwoo Nam[39,40]等分析了交變流動(dòng)和脈沖壓力下低溫制冷機(jī)回?zé)崞鞯膲航堤匦浴；诮蛔兞鲃?dòng)阻力系數(shù)、呼吸因子提出了無(wú)量綱的交變流動(dòng)模型，經(jīng)分析得知，交變流動(dòng)阻力系數(shù)由壓降幅度和工質(zhì)流速?zèng)Q定，呼吸因子可以較好地反映工質(zhì)壓降的相位角和工質(zhì)質(zhì)量流量。

2006年，Kwanwoo Nam[41]等介紹了一種平行絲式回?zé)崞?如圖4所示)的制作方法，并提出了分段填充的平行絲式回?zé)崞?如圖5所示)，然后分別對(duì)比分析了層疊絲網(wǎng)式回?zé)崞髋c平行絲式回?zé)崞?、無(wú)分段與不同分段填充平行絲式回?zé)崞鏖g的綜合特性，可知，平行絲式回?zé)崞鞯淖枇ο禂?shù)僅是層疊絲網(wǎng)式的20%～30%；采用分段填充平行絲能有效降低回?zé)崞鞯妮S向?qū)釗p失。

2007年，J. Imura[42]等介紹了一種用于超導(dǎo)磁蓄能系統(tǒng)的斯特林型脈管制冷機(jī)，J. Imura分析了絲網(wǎng)目數(shù)對(duì)制冷機(jī)性能的影響，可知，在采用#200、#250和#400的不銹鋼絲網(wǎng)混合層疊填充時(shí)，制冷機(jī)性能最優(yōu)。次年，J. Imura[43]等又對(duì)該回?zé)崞鬟M(jìn)行了優(yōu)化，在絲網(wǎng)填料間不同位置處填充#60銅絲網(wǎng)，使制冷機(jī)性能得以提高。

同年，邱利民[44]等對(duì)采用不銹鋼絲網(wǎng)、鉛珠和Er3Ni珠混合填充式回?zé)崞鞯膯渭?jí)G-M型脈管制冷機(jī)進(jìn)行了研究。得知，采用不銹鋼絲網(wǎng)代替磷青銅絲網(wǎng)，可使制冷機(jī)性能有所提高；在采用#247不銹鋼絲網(wǎng)時(shí)，制冷機(jī)性能最優(yōu)；絲網(wǎng)目數(shù)增加到295目時(shí)，壓降雖有少許增大，但換熱能力、回?zé)嵝史謩e得到了加強(qiáng)、提高。

2008年，陶于兵[45]、高凡[46,47]等通過(guò)建立回?zé)崞鞯姆歉飨蛲远嗫捉橘|(zhì)模型分析了交變流動(dòng)下層疊絲網(wǎng)式回?zé)崞鞯膫鳠岷蛪航敌阅埽瑢?duì)層疊絲網(wǎng)式回?zé)崞鲀?nèi)工質(zhì)流動(dòng)和換熱性能進(jìn)行了優(yōu)化分析。得知，回?zé)崞魈盍系谋葻崛莺兔芏仍酱螅捎帽葻崛菀泊?，則制冷量越大；可用比熱容相同時(shí)，熱滲透深度大的制冷量反而小。

圖4 平行絲式回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the parallel wire regenerator

圖5 分段填充的平行絲式回?zé)崞魇疽鈭DFig.5 Schematic diagram of the segmented parallel wire regenerator

2009年，甘智華[48]等研究了單級(jí)G-M型脈管制冷機(jī)的性能。利用REGEN3.3軟件分析了層疊不銹鋼絲網(wǎng)回?zé)崞?，并?duì)比測(cè)試了回?zé)崞鞯乃姆N填充方式對(duì)制冷機(jī)能的影響，得知，在回?zé)崞骼涠颂畛浯判圆牧螮r3Ni能使制冷機(jī)獲得更低的制冷溫度、更大的制冷量。

綜上所述，由于各回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)的工作溫區(qū)不同，回?zé)崞鞯奶畛浞绞礁魇礁鳂?，填料材料也有不同，?列出了上述各種不同回?zé)崞鞯男阅軈?shù)。

2 回?zé)崞鞯年P(guān)鍵問題及優(yōu)化

2.1 回?zé)崞鞯姆诸惣氨容^

根據(jù)上述文獻(xiàn)的比較和分析，可以發(fā)現(xiàn)回?zé)崞魈盍现饕腥惒煌奶畛浞绞?，第一類是徑向填充，主要包括層疊金屬絲網(wǎng)式回?zé)崞?包括絲網(wǎng)燒結(jié)塊式和交錯(cuò)層疊格柵式)、堆疊金屬珠式回?zé)崞?、金屬絲網(wǎng)和金屬珠混合填充式回?zé)崞?；第二類是軸向填充，主要包括平行金屬絲式回?zé)崞?、平行金屬片式回?zé)崞?包括蝕刻薄片卷裹式)；第三類是隨機(jī)絲填充。

徑向填充式的優(yōu)點(diǎn)是填充方式簡(jiǎn)單易控，蓄

冷能力強(qiáng)，回?zé)崞鲀?nèi)的工質(zhì)流動(dòng)比較均勻，軸向?qū)釗p失??；缺點(diǎn)是流動(dòng)阻力損失大，一般空隙率較大，空容積損失大。軸向填充式的優(yōu)點(diǎn)是填料流道與工質(zhì)流動(dòng)方向相一致，流動(dòng)阻力損失小，空隙率較小，空容積損失小，缺點(diǎn)是軸向?qū)釗p失較大，回?zé)崞鲀?nèi)工質(zhì)流動(dòng)的均勻性差，在大溫差沖擊下易變形。隨機(jī)絲填充式的填料采用無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)，填料空隙率高，流動(dòng)阻力和軸向?qū)釗p失較大，在一般情況下使用較少。

表1 不同回?zé)崞餍阅軈?shù)Tab.1 Parameters of different regenerators

2.2 回?zé)崞餍阅茉u(píng)價(jià)指標(biāo)

在低溫制冷機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，回?zé)崞鲀?nèi)存在三大主要損失，按損失值大小依次為回?zé)釗p失、軸向流動(dòng)阻力損失、軸向?qū)釗p失，對(duì)回?zé)崞餍阅艿脑u(píng)價(jià)主要基于如何反映這三種損失值上，由此，可以采取以下幾個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)回?zé)崞鬟M(jìn)行較為全面的評(píng)價(jià):

1)回?zé)崞鞯幕責(zé)嵝师?/p>

回?zé)崞骰責(zé)嵝实奈锢硪饬x是回?zé)崞鲗?shí)際換熱量與最大可能換熱量之比，是衡量回?zé)崞餍阅艿闹匾笜?biāo)，其定義式為[49]:

2)比表面積a

比表面積是指單位體積回?zé)崞髦刑盍吓c工質(zhì)間熱交換的表面積，經(jīng)推導(dǎo)可知，理論上層疊絲網(wǎng)式、平行絲式、隨機(jī)絲式回?zé)崞鞯谋缺砻娣e為:

堆疊球式回?zé)崞鞯谋缺砻娣e為:

其中，ε—空隙率；dw—填料絲徑，m；ds—填料粒徑，m。

3)流動(dòng)不均勻性指數(shù)Fm

回?zé)釗p失主要由填料與氣體工質(zhì)間換熱不完全、填料與氣體工質(zhì)間溫差波動(dòng)所致，從回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)方面考慮，對(duì)回?zé)嵝视绊戄^大的氣體流動(dòng)分布不均勻性指數(shù)Fm定義為:

4)流動(dòng)阻力系數(shù) f

回?zé)崞鞯牧鲃?dòng)阻力系數(shù) f 由穩(wěn)定流動(dòng)條件下測(cè)得的流動(dòng)壓降與流速值計(jì)算而得[41]:

回?zé)崞髟谝粋€(gè)交變周期內(nèi)的平均壓降比相同Re條件下穩(wěn)定流動(dòng)的平均壓降高2～3倍，因此，在交變流動(dòng)條件下，需考慮實(shí)際運(yùn)行時(shí)交變頻率、冷端溫度等因素對(duì)流動(dòng)阻力的影響，對(duì)阻力系數(shù)f值進(jìn)行適當(dāng)修正。

5)填料幾何因數(shù)Γ

Kays and London[50]定義了填料幾何參數(shù)Γ:

其中，St—斯坦頓數(shù)，Pr—普朗特?cái)?shù)，NTU—換熱單元數(shù)，f—為流動(dòng)阻力系數(shù)，rh—水力半徑，m。

填料幾何因數(shù)Γ僅與回?zé)崞鲙缀谓Y(jié)構(gòu)有關(guān)，有效地表達(dá)了換熱量與工質(zhì)流動(dòng)阻力間的關(guān)系。

6)填料軸向?qū)嶂笖?shù)Ck

為有效反映填料填充方式對(duì)填料軸向?qū)岬挠绊懬闆r，定義了填料軸向?qū)嶂笖?shù):

采用不銹鋼作填料時(shí)，層疊絲網(wǎng)式回?zé)崞髋c堆疊球式回?zé)崞鞯奶盍陷S向?qū)嶂笖?shù)Ck分別為0.10，0.11[6]。在交變流動(dòng)下氣體工質(zhì)能有效增大填料間的導(dǎo)熱量，使堆疊球式回?zé)崞鞯奶盍陷S向?qū)嶂笖?shù)Ck提高到0.16[51]。

7)長(zhǎng)徑比L/D

回?zé)崞髦刑盍陷S向?qū)釗p失與工質(zhì)流動(dòng)阻力損失均與回?zé)崞鏖L(zhǎng)度L的大小密切相關(guān)，對(duì)于閥切換式回?zé)崞?，壓比一般較大，對(duì)流動(dòng)阻力損失的限制不嚴(yán)，回?zé)崞鏖L(zhǎng)度往往設(shè)計(jì)得較長(zhǎng)(50mm～125mm)，以增強(qiáng)換熱，提高效率；對(duì)于無(wú)閥式回?zé)崞?，壓比一般較小，對(duì)流動(dòng)阻力和空容積的限制較嚴(yán)，回?zé)崞鞯拈L(zhǎng)度通常都設(shè)計(jì)得較短(40mm～70mm)[52]。

填料填充腔容積由回?zé)崞髦睆紻、長(zhǎng)度L決定，對(duì)于相同體積的回?zé)崞?，其長(zhǎng)徑比L/D的不同會(huì)導(dǎo)致制冷機(jī)中損失大小的差異，因此，為保證在回?zé)崞骶哂休^高回?zé)嵝实耐瑫r(shí)使回?zé)崞髦锌倱p失降到最低，需要選取合適的長(zhǎng)徑比L/D，比如脈管制冷機(jī)用回?zé)崞髯罴验L(zhǎng)徑比為6～8[53]。

在以上各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，回?zé)崞骰責(zé)嵝师?、比表面積a、流動(dòng)不均勻性Fm都與填料和工質(zhì)間換熱性能密切相關(guān)；流動(dòng)阻力系數(shù)f、填料幾何因數(shù)Γ、填料軸向?qū)嵯禂?shù)Ck分別與工質(zhì)流動(dòng)、回?zé)崤c流阻間關(guān)系、填料軸向?qū)嵯嚓P(guān)；長(zhǎng)徑比L/D反映了流動(dòng)阻力、填料軸向?qū)崤c填料回?zé)嵝阅荛g的平衡關(guān)系。由此可知，這七個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在全面評(píng)定回?zé)崞鞯男阅苌暇哂休^好的實(shí)用性。

2.3 回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于所述的回?zé)崞餍阅茉u(píng)價(jià)指標(biāo)，可以通過(guò)優(yōu)化回?zé)崞魈畛浞绞絹?lái)減少總的不可逆損失，主要包括以下幾個(gè)方面:

當(dāng)填料材料的種類一定時(shí)，可通過(guò)減少回?zé)崞鞯目障堵师乓栽龃蠡責(zé)崞鲀?nèi)填料的比表面積a、減小流動(dòng)不均勻性指數(shù)Fm以增強(qiáng)工質(zhì)與填料間換熱的充分性等方式來(lái)提高回?zé)崞餍?。ε、Fm均由填料填充方式?jīng)Q定，堆疊球式回?zé)崞鞯目障堵师判∮谄渌畛漕愋偷幕責(zé)崞鳎硪环矫?，層疊絲網(wǎng)式、堆疊球式回?zé)崞鞯墓べ|(zhì)流動(dòng)均勻性優(yōu)于平行絲式、蝕刻片式回?zé)崞?，因此，在選取回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)兼顧減小ε、Fm值。

當(dāng)制冷機(jī)運(yùn)行交變頻率、工作壓力一定時(shí)，工質(zhì)流動(dòng)阻力系數(shù)f由填料填充方式?jīng)Q定，平行絲式、平行金屬片式回?zé)崞鞯牧鲃?dòng)阻力系數(shù)f明顯小于層疊絲網(wǎng)式、堆疊球式回?zé)崞?，在?yōu)化回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)時(shí)為減小流動(dòng)阻力應(yīng)積極選用流動(dòng)阻力系數(shù)f較小的填充方式。

填料幾何因數(shù)Γ反映了回?zé)崞鲀?nèi)工質(zhì)與填料間換熱量與工質(zhì)流動(dòng)阻力間的比重情況，在回?zé)崞鞲邷貐^(qū)，填料比熱容較大，回?zé)嵝Ч^好，填料幾何因數(shù)Γ較大，流動(dòng)阻力損失對(duì)回?zé)崞餍阅苡绊戄^??；在回?zé)崞鞯蜏貐^(qū)，氣體工質(zhì)黏性雖有所下降，流動(dòng)阻力系數(shù)f有所減小，但填料比熱容大大減小，回?zé)嵝Ч彼賽夯率固盍蠋缀我驍?shù)Γ急劇減小。因此，在回?zé)崞鞯蜏貐^(qū)，除采用低溫回?zé)岵牧贤?，?yīng)重視回?zé)崞鞯蜏囟说奶盍辖Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，可采用填充高目數(shù)金屬絲網(wǎng)或小粒徑金屬顆粒的方式來(lái)提高回?zé)崞鞯蜏囟说奶畛渎省?/p>

填料軸向?qū)嶂笖?shù)Ck反映了填料填充方式對(duì)填料軸向?qū)釗p失的影響情況，由于沒有接觸熱阻的存在，平行絲式回?zé)崞鞯奶盍陷S向?qū)嶂笖?shù)Ck要遠(yuǎn)大于層疊絲式、堆疊金屬珠式回?zé)崞?。?duì)平行絲式回?zé)崞?，可采用分段填充的方式?lái)降低填料軸向?qū)嶂笖?shù)Ck。

在設(shè)計(jì)回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，長(zhǎng)徑比L/D是一項(xiàng)需要重點(diǎn)考慮的參數(shù)，在直徑D確定的情況下，回?zé)崞魈L(zhǎng)會(huì)增大流動(dòng)阻力，回?zé)崞魈虝?huì)導(dǎo)致填料填充量不足，同時(shí)又會(huì)增大填料軸向?qū)嶂笖?shù)Ck。因此，在設(shè)計(jì)回?zé)崞鞒叽鐣r(shí)應(yīng)根據(jù)制冷機(jī)類型、填料填充方式的不同選取合適的長(zhǎng)徑比。

由上述分析可以看出，各國(guó)對(duì)采用不同填充方式的回?zé)崞鬟M(jìn)行了一些理論和實(shí)驗(yàn)研究，傳統(tǒng)的徑向填充式回?zé)崞鞯玫搅溯^快發(fā)展。近些年來(lái)，軸向填充回?zé)崞饔捎诰哂辛髯栊〉膬?yōu)勢(shì)，也得到不斷的發(fā)展和越來(lái)越多的重視。在同一個(gè)回?zé)崞髦?，一般只采用一種填料結(jié)構(gòu)，因而總是不能滿足對(duì)回?zé)崞鞯目量桃?，這不可避免地降低了回?zé)崞鞯目傮w效率?？紤]到徑、軸向填充這兩種填充方式的優(yōu)缺點(diǎn)是互補(bǔ)的，因此可以把二者結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)一種綜合徑向填充和軸向填充的徑軸向混合填充式回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)，通過(guò)徑向填充層疊絲網(wǎng)或金屬珠來(lái)減小軸向?qū)釗p失、改善流動(dòng)不均勻性；通過(guò)軸向填充平行金屬絲或卷裹式絲網(wǎng)(或蝕刻金屬片)來(lái)降低流動(dòng)阻力損失、減小回?zé)崞鲀?nèi)的空容積。這種徑軸向混合填充式回?zé)崞骺梢栽诨責(zé)嵝屎土鲃?dòng)阻力間實(shí)現(xiàn)有效的平衡，同時(shí)，軸向?qū)釗p失和空容積較小，具有提高回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)的性能的潛力。

3 總結(jié)及展望

回?zé)崞髟谔盍吓c工質(zhì)間傳熱、工質(zhì)流動(dòng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、回?zé)崞鲗?duì)制冷機(jī)性能影響等方面的分析研究均獲得了巨大的發(fā)展?；?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)用回?zé)崞鞯奶盍现饕袕较蛱畛?、軸向填充和隨機(jī)絲填充三種填充方式。

可采用回?zé)崞餍师?，比表面積a、工質(zhì)流動(dòng)不均勻性指數(shù)Fm、阻力系數(shù)f、填料幾何因數(shù)Γ、填料軸向?qū)嶂笖?shù)Ck、長(zhǎng)徑比L/D等七個(gè)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)回?zé)崞餍阅苓M(jìn)行較為全面的評(píng)價(jià)。對(duì)回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要是基于降低填料孔隙率、提高工質(zhì)流動(dòng)均勻性、減小流動(dòng)阻力和填料軸向?qū)釗p失、優(yōu)化回?zé)崞鏖L(zhǎng)徑比等目標(biāo)進(jìn)行的，同時(shí)考慮到了采用在回?zé)崞鞯蜏囟颂畛涓吣繑?shù)金屬絲網(wǎng)或小粒徑金屬顆粒的方式來(lái)提高低溫端的填充率以改善回?zé)崞髟诘蜏囟说幕責(zé)嵝Ч?/p>

徑軸向混合填充式回?zé)崞鞯膹较蛱盍峡筛纳乒べ|(zhì)流動(dòng)的均勻性、降低軸向?qū)釗p失，軸向填料可降低流動(dòng)阻力損失、減小回?zé)崞鲀?nèi)的空容積，混合填充式結(jié)構(gòu)具有較大的填料幾何因數(shù)Γ，這些特性可有效提高回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)的性能，使得這種新型徑軸向混合填充式結(jié)構(gòu)有望成為一種有廣闊應(yīng)用前景的回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)。

回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)方面的研究取得了很大發(fā)展的同時(shí)也面臨著一些難題與挑戰(zhàn)，譬如低溫用磁性填料材料不易加工成型、特種填料結(jié)構(gòu)形式加工精度要求高致使制作成本過(guò)高難以市場(chǎng)化、微型回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及裝配技術(shù)不成熟等諸多問題為回?zé)崞魈峁┝诵碌陌l(fā)展方向。

本文受上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目 (J50502)和上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(10YZ96)資助。(The project was supported by Leading Academic Discipline Project of Shanghai Municipal Education Commission (No.J50502)and Innovation Program of Shanghai Municipal Education Commission(No.10YZ96).)

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