VM液氦溫區(qū)制冷機中熱壓縮機性能的數值模擬與實驗研究

趙月晶 王曉濤 戴 巍* S Vanapalli 陳燕燕 羅二倉

(1中國科學院理化技術研究所低溫工程學重點實驗室 北京 100190)

(2中國科學院大學 北京100049)

(3荷蘭特文特大學能源、材料及系統(tǒng)科學技術學院 荷蘭恩斯赫德7500 AE)

1 引言

脈沖管制冷機是一種近幾十年來廣泛發(fā)展的小型低溫制冷機。因其冷側不存在運動部件，具有結構簡單、運行可靠性高以及使用壽命長等優(yōu)點［1-2］。隨著現代信息技術、空間技術、超導電子學、紅外探測、低溫生物醫(yī)學等行業(yè)飛速發(fā)展，尤其是低溫電子學器件及低溫超導磁體在各領域的推廣應用，對小型液氦溫區(qū)制冷機提出更多的需求和更高的要求。目前液氦溫區(qū)小型低溫制冷機主要為GM制冷機或GM型脈沖管制冷機這兩款機型的共同點是需要有閥壓縮機和配氣閥來提供低頻高壓比的壓力波(通常2 Hz以內，壓比2—3)。這樣的結構中存在很嚴重的能量損失:氦氣通過單向閥和配氣閥時由于壓降會造成不可逆損失［3］。

針對上述問題，近年來的一個前沿領域為利用斯特林型脈沖管制冷機獲得液氦溫度，但制冷量以毫瓦計，系統(tǒng)的熱效率也遠低于GM型制冷機［4-8］。根本原因在于，液氦溫區(qū)的回熱器填料一般選取磁性材料，形式為顆粒狀或球狀，直徑比較小，一般為百微米級，故而回熱器的孔隙率比較低，采用直線壓縮機進行驅動，在高頻交變流動狀態(tài)下，流動阻力帶來的損失比較大，進而造成整機的熱效率比較低，而直線壓縮機提供低頻的壓力波又比較困難，故整個技術發(fā)展還不太成熟。

本課題組提出利用VM型熱壓縮機驅動低溫脈沖管制冷機這一新結構形式獲得液氦溫度，如圖1所示，①為高效液氮溫區(qū)斯特林型脈沖管制冷機，②為熱壓縮機，③為低溫脈沖管制冷機。其中由高效液氮溫區(qū)斯特林型脈沖管制冷機提供VM型熱壓縮機所需要的冷量，熱壓縮機利用室溫與液氮溫區(qū)之間的溫度梯度產生壓力波動，進而驅動低溫脈沖管制冷機，最終達到液氦溫區(qū)。本系統(tǒng)中VM熱壓縮機具有運行頻率低、驅動功小、無噪音、可靠性高等優(yōu)點，藉此可能獲得比已有GM型液氦溫區(qū)制冷機更高的系統(tǒng)效率、更高的功率密度和更高的可靠性及壽命。整個系統(tǒng)結構中，VM型熱壓縮機的性能是能否獲得液氦溫度的關鍵，并對整機效率以及冷量有很大影響。本文接下來針對無負載熱壓縮機進行了數值模擬與實驗研究，分析了熱壓縮機排出器位移、工作頻率以及冷端溫度對壓比的影響規(guī)律。

2 實驗裝置介紹

圖1 VM型熱壓縮機驅動低溫脈沖管制冷機Fig.1 VM thermal compressor driven pulse tube cryocooler

無負載時，熱壓縮機是一個等質量和等體積的系統(tǒng)，隨著排出器在高低溫之間的運動，系統(tǒng)內部氣體溫度發(fā)生變化，從而產生壓力波動，對應的聲場以駐波為主。圖2是測試熱壓縮機工作性能的實驗裝置圖，其中包括預冷系統(tǒng)和熱壓縮機系統(tǒng)。

圖2 實驗裝置圖Fig.2 Experiment apparatus picture

預冷用兩臺制冷機均采取CFIC 2S241 W直線壓縮機驅動，相當于一臺直線壓縮機驅動兩臺制冷機，壓縮機與兩臺制冷機之間通過紫銅管連接，為了保證安全性，連接管采取水套冷卻的方式進行冷卻。系統(tǒng)運行時真空罩內部真空度維持在5.8×10-3Pa左右。

表1為熱壓縮機各部件的主要參數值，其中回熱器填充的60目不銹鋼絲網，回熱器壁厚為0.5 mm。排出器位移最大值為7 mm，其驅動電機的最大工作電壓為28 V，工作電流不許超過6 A。

表1 熱壓縮機的各部件參數值Table 1 Main structure parameters of each component in thermal compressor

3 無負載熱壓縮機性能的實驗研究

兩臺預冷用制冷機的冷端和熱壓縮機的冷端采用熱橋的形式連接，具體形式如圖3所示，為了緩沖溫度不均勻以及材料的不同產生的熱應力，兩臺制冷機的冷端均采取了軟連接的形式。制冷機的冷頭以及熱橋對稱布置了8個溫度計，其中兩臺制冷機的冷頭上標號為T2和T7，熱壓縮機冷端標號為T3和T5。

圖3 溫度計布置圖Fig.3 Thermometer distribution picture

開展無負載熱壓縮機性能的實驗研究，熱橋最低溫達到了66.2 K，從圖中可以看到兩臺制冷機與熱橋上各點的降溫曲線，大約經過3個小時溫度趨于穩(wěn)定。

圖4 熱橋的降溫曲線Fig.4 Cool-down curve of thermal bridge

表2為熱壓縮機非工作狀態(tài)下預冷系統(tǒng)開啟后熱橋上的溫度分布。熱壓縮機冷端對應的最低溫為66 K，兩臺預冷用制冷機的冷頭分別為61 K和59 K。由于兩臺制冷機接有相對大的熱負載(熱壓縮機)，實際運行時制冷機的冷頭溫度比無負荷溫度高。

表3 熱橋上各點的最低溫Table 3 The lowest temperature of thermal bridge

圖5—圖8給出了無負載下熱壓縮機的運行規(guī)律，圖5、圖6和圖7顯示，在不同頻率運行下，熱壓縮機的壓比隨著排出器位移的增大而增大，基本上呈線性關系，其中運行在3 Hz，位移為6.0 mm時候，壓比達到了最大值1.3。圖8顯示不同熱壓縮機冷頭溫度對壓比位移的影響。從圖中可以看出隨著熱壓縮機冷端溫度的下降，熱壓縮機的壓比也在升高。另外，從圖9(雖熱壓縮機的冷端溫度不一致，但預冷用制冷機的工作狀態(tài)一樣)中可以看出，在相同位移下，熱壓縮機工作在3Hz的時候，所獲得的壓比更大些。

圖5 1 Hz時熱壓縮機位移與壓比的關系曲線Fig.5 Dependence of pressure ratio on displacement when thermal compressor works at 1 Hz

圖6 3 Hz時熱壓縮機位移與壓比的關系曲線Fig.6 Dependence of pressure ratio on displacement when thermal compressor works at 3 Hz

圖7 5 Hz時熱壓縮機位移與壓比的關系曲線Fig.7 Dependenceof pressure ratio on displacement when thermal compressor works at 5 Hz

圖8 熱壓縮機冷端溫度與壓比的關系曲線Fig.8 Dependence of pressure ratio on temperature when thermal compressor works at 3 Hz

圖9 不同頻率下熱壓縮機位移與壓比的關系Fig.9 Dependence of pressure ratio on displacement at different frequencies

4 無負載熱壓縮機性能的實驗結果與數值模擬結果的比較

采用Sage軟件進行數值模擬分析［9-10］，采用圖形化界面，對熱壓縮機的各個部件分別建立模塊，輸入部件的幾何尺寸、材料物性等參數，各模塊通過質量、壓力、能量的連接形成整機，在給定合適的邊界條件后即可求解。針對各實驗工況，對無負載熱壓縮機性能的實驗結果與數值模擬結果進行比較，見圖10—圖13。從圖中看出數值模擬計算結果與實驗結果趨勢基本一致，尤其是3 Hz、5 Hz時，計算結果與實驗結果基本相當。本文建立的數值計算模型可預測熱壓縮機的工作性能，并且能夠指導熱壓縮機的設計、實驗以及改進提高。

圖10 1 Hz的實驗結果與理論計算比較Fig.10 Comparisons between calculated and experimental results at 1 Hz

圖11 3 Hz的實驗結果與理論計算比較Fig.11 Comparisons between calculated and experimental results at 3 Hz

圖12 5 Hz的實驗結果與理論計算比較Fig.12 Comparisons between calculated and experimental results at 5 Hz

圖13 溫度對壓比的影響實驗與計算的比較Fig.13 Comparisons between calculated and experimental results at different temperatures

5 總結

根據本文實驗結果以及與數值模擬結果的對比可以得出:無負載情況下熱壓縮機所獲得的壓比主要受頻率、排出器位移(即掃氣量)和冷端溫度的影響。排出器位移越大，所獲壓比越高;冷端溫度越低，所獲壓比越高，并且兩者結果吻合良好。在現有測試情況下，無負載熱壓縮機工作在3Hz時能夠獲得較高壓比，其中無負載情況下熱壓縮機工作在3Hz、位移為6.0mm時，可以獲得最大壓比為1.3。建立的數值模型可以很好地預測熱壓縮機的工作性能。

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