新型丙綸纖維填充式回?zé)崞鲉渭?jí)脈管制冷機(jī)性能實(shí)驗(yàn)研究

闞安康，吳亦農(nóng)，張安闊，劉少帥

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新型丙綸纖維填充式回?zé)崞鲉渭?jí)脈管制冷機(jī)性能實(shí)驗(yàn)研究

闞安康1,2，吳亦農(nóng)1，張安闊1，劉少帥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 201306）

回?zé)崞髯鳛榛責(zé)崾降蜏刂评錂C(jī)的關(guān)鍵部件，其填充介質(zhì)對(duì)整體性能影響很大。采用丙綸纖維作為回?zé)崞餍滦吞畛浣橘|(zhì)，對(duì)單級(jí)脈管制冷機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。對(duì)丙綸微尺度空間結(jié)構(gòu)及物理性能進(jìn)行了分析，基于充氣壓力分別為3.5MPa/3.0MPa/2.8MPa/2.5MPa/2.0MPa/1.5MPa的工況下，進(jìn)行了降溫性能、頻率性能、制冷性能試驗(yàn)，獲取了最低制冷溫度，最佳工作頻率及最大比卡諾效率。研究結(jié)果表明，充氣壓力對(duì)丙綸填充回?zé)崞鞯闹评錂C(jī)整體性能影響較大，工作頻率的影響不是很明顯。最終獲得了最大比卡諾效率9.46%@170K/10.06W/77W，最大制冷量為5.47W@120K/2.5MPa、12.02W@150K/3.0MPa、16.49W@170K/3.0MPa，并獲得了96.4K的最低制冷溫度。

脈管制冷機(jī)；回?zé)崞?；丙綸纖維；制冷性能

0 引言

隨著醫(yī)院、軍事、能源、生物等領(lǐng)域?qū)Φ蜏丨h(huán)境的需求，小型低溫制冷裝置得以迅速發(fā)展，尤其是軍事、空間技術(shù)（如紅外射線、X射線探測(cè)）對(duì)空間用制冷機(jī)的制冷溫度、效率、穩(wěn)定性、尺寸、重量及使用壽命等的要求越來(lái)越高，開(kāi)發(fā)高效、緊湊、質(zhì)輕的低溫制冷裝置已經(jīng)成為空間低溫技術(shù)的研究熱點(diǎn)[1]。在回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)中，回?zé)崞髯鳛槠潢P(guān)鍵部件之一，對(duì)其性能的影響甚大[2-20]。回?zé)崞魈畛浣橘|(zhì)的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式及熱物性等是決定回?zé)崞餍阅艿年P(guān)鍵因素。W. M. Clearman[2-3]，J. S. CHA[4-5]等基于交變流下，對(duì)不同填料結(jié)構(gòu)的回?zé)崞鬏S向壓降進(jìn)行測(cè)試，其填充介質(zhì)主要有層疊不銹鋼絲網(wǎng)、燒結(jié)絲網(wǎng)、屋疊鍵片等，文章導(dǎo)出了Forchheimer慣性系數(shù)和流阻因數(shù)等參數(shù)。陶于兵[6]、高凡[7-8]等建立了多孔填料回?zé)崞髂Ｐ停治隽藢盈B絲網(wǎng)格式回?zé)崞鞯膫鳠岷蛪航敌阅?，同時(shí)對(duì)回?zé)崞魈盍系膿Q熱和流動(dòng)性能進(jìn)行了優(yōu)化，得出用高密度和高比熱容的填料能夠得到較高的制冷量。中科院上海技術(shù)物理研究所[9-12]對(duì)層疊絲網(wǎng)填充的回?zé)崞鬟M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，采用不同目數(shù)的不銹鋼絲網(wǎng)進(jìn)行混填，并對(duì)脈管回?zé)崞餍阅苓M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出前疏后密的絲網(wǎng)填充方式有利于提高回?zé)崞鞯男阅?。王?qiáng)等[13]對(duì)回?zé)崞鬟M(jìn)行了軸向和徑向混合絲網(wǎng)填充，對(duì)回?zé)崞鞯臒釗p失進(jìn)行了理論計(jì)算，得出減少軸向熱損失的方法。Bernard Castagnede等[14]對(duì)纖維多孔介質(zhì)填料的流動(dòng)阻力進(jìn)行了理論分析，并推到出計(jì)算公式。劉益才等[15]在此基礎(chǔ)上研究了制冷機(jī)多孔介質(zhì)填料的頻率特性，推導(dǎo)出特征頻率的計(jì)算公式。T. Jin等[16]則采用納米尺度平行光纖作為回?zé)崞魈畛浣橘|(zhì)，獲得制冷系數(shù)13.6%@80K的效果。上述研究成果極大地推動(dòng)了制冷機(jī)，尤其是回?zé)崞鞯倪M(jìn)展。

為滿足低溫的需要，回?zé)崞鲀?nèi)的多孔介質(zhì)填料必須有傳熱面積大，軸向?qū)嵝?，壓降小，體積熱容大，空體積小等優(yōu)點(diǎn)[17-20]。采用多孔介質(zhì)纖維作為回?zé)崞鞯奶盍?，可以有效地減輕制冷機(jī)的形體質(zhì)量。文章選用丙綸纖維作為填料，對(duì)丙綸的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了分析，并基于即定脈管制冷機(jī)下進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果對(duì)回?zé)崞魈盍系倪x擇和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

1 丙綸纖維結(jié)構(gòu)及物性參數(shù)

在低溫制冷機(jī)的回?zé)崞魈盍线x取上，要綜合考慮填料的熱物性及結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，在綜合考慮回?zé)崞魈盍系膫鳠岷土髯栌绊?，在回?zé)崞魈盍系倪x擇上應(yīng)滿足以下要求[12]：

1）回?zé)崞魈盍象w積比熱容要遠(yuǎn)大于工作氣體比熱容。

2）回?zé)崞魈盍狭鞯赖漠?dāng)量直徑應(yīng)小于工作氣體的熱滲透深度，以保證氣體與填料換熱充分。流道過(guò)小的當(dāng)量直徑不可取，過(guò)小的流道會(huì)增加回?zé)崞髁鲃?dòng)阻力損失，影響制冷機(jī)性能。運(yùn)行在特定頻率下的工作氣體，其熱滲透深度與粘性滲透深度共同決定了回?zé)崞魈盍峡紫锻ǖ喇?dāng)量直徑的上下限。

3）回?zé)崞魈盍瞎腆w基質(zhì)也存在熱穿透深度，所以回?zé)崞魈盍系漠?dāng)量直徑應(yīng)當(dāng)小于或接近填料的熱穿透深度。

丙綸材料的物性參數(shù)與不銹鋼絲網(wǎng)SS304的比較如表1所示。

由于丙綸纖維狀材質(zhì)與常用低溫填充介質(zhì)不銹鋼絲網(wǎng)、球形填料等都不相同，故而在采用此種材料作為填充介質(zhì)來(lái)理論計(jì)算其孔隙率時(shí)，參數(shù)需另建物理模型。丙綸纖維材料微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。單根纖維絲為中空?qǐng)A柱狀，以此計(jì)算回?zé)崞骺紫堵实葏?shù)。

試驗(yàn)采用丙綸纖維主要成分為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，其質(zhì)量份數(shù)約為99%，其余為灰分，主要為TiO2，其質(zhì)量份數(shù)約為1%，丙綸的宏觀結(jié)構(gòu)、微尺度空間結(jié)構(gòu)如圖1(a)、(b)所示。丙綸纖維常態(tài)下的物性參數(shù)如表1所示。鑒于常規(guī)材料在低溫下性能會(huì)發(fā)生改變的特性，故而在后續(xù)的工作中將開(kāi)展對(duì)丙綸纖維材料低溫性能測(cè)試，尤其是測(cè)試其低溫下的導(dǎo)熱性能、熱擴(kuò)散系數(shù)等，對(duì)后期丙綸回?zé)崞鞯男阅芊治龊蛿?shù)值模擬提供必要的理論參數(shù)。

在填充時(shí)，為確?；?zé)崞鲀?nèi)丙綸纖維填充均勻，孔隙率一致，需對(duì)丙綸纖維進(jìn)行預(yù)處理。本試驗(yàn)填充前將丙綸纖維均分為若干份，進(jìn)行真空干燥去除其中水分等可能影響回?zé)崞餍阅艿某煞?，并按照回?zé)崞饕?guī)格加工成為若干微團(tuán)結(jié)構(gòu)，如圖1(c)所示。填充完成后并在回?zé)崞鲀啥朔謩e添加銅質(zhì)導(dǎo)流絲網(wǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2給出了單級(jí)脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。脈管制冷機(jī)壓縮機(jī)采用對(duì)置式活塞壓縮機(jī)LVDT20，通過(guò)外接電源及變頻器控制壓縮機(jī)輸出功率及頻率；整機(jī)為直線型設(shè)計(jì)，級(jí)后換熱器采用水冷方式，形式為狹縫結(jié)構(gòu)，恒溫水浴溫度設(shè)置為20℃。脈管熱端換熱器采用直接風(fēng)冷式。冷端溫度C采用Pt100型電阻式溫度傳感器測(cè)量，冷指置于真空腔內(nèi)，試驗(yàn)中采用分子泵來(lái)維持真空腔內(nèi)真空度在10－4Pa以下；加熱單元采用直流電源加熱模擬熱負(fù)荷，制冷量采用電阻絲測(cè)量，電壓由恒壓電源控制。采用慣性管和氣庫(kù)組合方式進(jìn)行調(diào)相。回?zé)崞鞑捎貌讳P鋼材質(zhì)，總長(zhǎng)度為55mm，內(nèi)徑尺寸為23.5mm；脈管采用薄壁鈦合金材質(zhì)，長(zhǎng)度為80mm，兩端備以導(dǎo)流絲網(wǎng)；慣性管采用銅管材質(zhì)，長(zhǎng)度為4.3m；氣庫(kù)不銹鋼材質(zhì)，容量為200mL。

表1 丙綸纖維材料與不銹鋼絲網(wǎng)熱物性參數(shù)

圖1 丙綸纖維材料

圖2 脈管制冷機(jī)系統(tǒng)圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

試驗(yàn)過(guò)程中，保持整機(jī)工況一致，級(jí)后換熱器水浴溫度維持在20℃。考察在不同的參數(shù)狀態(tài)下整機(jī)的性能。選擇工作氣體為氦氣3，在不同充氣壓力下進(jìn)行整機(jī)性能試驗(yàn)，充氣壓力分別為3.5MPa/3.0MPa/2.8MPa/2.5MPa/2.0MPa/1.5MPa。試驗(yàn)測(cè)試的主要整機(jī)性能包括降溫特性，頻率特性和制冷性能。

3.1 降溫特性

降溫特性可以表征制冷機(jī)內(nèi)建立穩(wěn)定的溫度梯度需要的時(shí)間，也是回?zé)崞餍阅艿闹匾w現(xiàn)。圖3給出了工作頻率為50Hz，輸入功率為120W時(shí)，不同充氣壓力下的整機(jī)降溫性能曲線。充氣壓力為2.8 MPa是對(duì)應(yīng)的降溫速度最快，15min后基本趨于穩(wěn)定，且達(dá)到了101.7K的冷指溫度，其次為3.0 MPa，16min后也基本穩(wěn)定，達(dá)到了102.6K的制冷溫度；充氣壓力為2.5MPa的工況在16min后也能基本趨于穩(wěn)定，且達(dá)到幾種工況下的最低制冷溫度96.5K。隨后，充氣壓力為3.2MPa，17min后達(dá)到104.4K并趨于恒定；2.0 MPa，18min后趨于恒定為100.99K；3.5MPa，20min后趨于穩(wěn)定在102.95K；1.5MPa降溫速度最慢，27min后才逐漸趨于穩(wěn)定在111.3K。

充氣壓力越大，在交變流過(guò)程中流經(jīng)丙綸介質(zhì)的氦氣質(zhì)量流量大，阻力損失嚴(yán)重，壓降大，造成降溫速度緩慢，制冷溫度也沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果；而充氣壓力小，交變流過(guò)程中流經(jīng)丙綸纖維孔隙的氦氣質(zhì)量流也小，阻力損失小了，但參與制冷的工質(zhì)少，降溫緩慢，制冷效果也不理想。從試驗(yàn)曲線分析，充氣壓力為2.5MPa，工作頻率為50Hz時(shí)對(duì)應(yīng)的降溫特性最佳。

圖3 降溫特性曲線

3.2 頻率特性

運(yùn)行頻率也是影響制冷機(jī)性能的重要參數(shù)之一。頻率過(guò)高，回?zé)崞鲀?nèi)工作介質(zhì)與回?zé)崞魈盍现g無(wú)法得到充分換熱，造成回?zé)崞鞑豢赡鎿p失增大，從而影響整機(jī)效率。如運(yùn)行頻率太低，在實(shí)現(xiàn)相同制冷量的前提下，需要大尺寸的回?zé)崞髋c之相匹配。圖4顯示了120K下的丙綸填充回?zé)崞髦评錂C(jī)頻率特性。因整機(jī)性能匹配因素，試驗(yàn)中，對(duì)充氣壓力為3.5MPa/3.0MPa/2.8MPa/2.5MPa/2.0MPa的工況進(jìn)行了2W@120K的輸入功率測(cè)試，對(duì)1.5MPa的充氣壓力工況，獲得1W@120K。分析比較了在相同工況下，不同運(yùn)行頻率對(duì)輸出功的影響規(guī)律。

圖4 頻率特性曲線

從圖中可以看出，在不同的充氣壓力下，丙綸回?zé)崞鞔嬖谝粋€(gè)最佳運(yùn)行頻率。充氣壓力為3.5MPa時(shí)，可獲得2W@120K的性能，在運(yùn)行頻率為50Hz時(shí)，壓縮機(jī)輸入功最低，90.8W；3.0MPa/2.8MPa對(duì)應(yīng)的最佳運(yùn)行頻率亦為50Hz，且壓縮機(jī)輸入功率分別為87.82W和82W；充氣壓力為2.8MPa的工況，頻率特性變化不顯著，但在50Hz的輸入功率最小為69.77W；充氣壓力為2.0MPa的工況對(duì)應(yīng)最佳頻率為49Hz，輸入功率為65W；充氣壓力為1.5MPa的工況對(duì)應(yīng)最佳頻率為48Hz，輸入功率為55W。

3.3 制冷性能

制冷機(jī)的性能一般可以從最大制冷量和比卡諾效率兩個(gè)參數(shù)加以考察。保持冷端的溫度恒定，在相同的邊界條件下獲得制冷量及壓縮機(jī)輸入功率的關(guān)系及制冷量和比卡諾系數(shù)的關(guān)系是分析整機(jī)性能的常用方法。實(shí)驗(yàn)時(shí)的輸入功可以電壓電流值測(cè)量及計(jì)算獲取，調(diào)整加熱單元的輸入電壓值來(lái)調(diào)整加熱量，穩(wěn)定冷指溫度，進(jìn)而采用熱平衡的方法獲取該工況下的制冷量。本試驗(yàn)分別獲得了制冷溫度為120K/150K/170K三種工況下的丙綸填充回?zé)崞鞯闹评湫阅芮€如圖5所示。

穩(wěn)定冷指溫度為120K，采用熱平衡法獲得不同工況下的制冷量和輸入功率的關(guān)系及比卡諾效率如圖5所示。從圖中可以看出，充氣壓力為2.5MPa時(shí)，輸入為129.9W時(shí)獲得最大制冷量為5.47W，COP為4.2%，其比卡諾效率為6.11%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的比卡諾效率在本實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的工況中也最高。

穩(wěn)定冷指溫度為150K時(shí)，從圖6可以看出，充氣壓力為3.0MPa時(shí)，輸入功率為158.4W時(shí)獲得最大制冷量為12.02W，COP為7.59%，其比卡諾效率為7.23%。而事實(shí)上，充氣壓力為2.0MPa時(shí)，輸入功率雖僅有66W，但獲得了6W的制冷量，COP為9.1%，比卡諾效率達(dá)8.68%。

穩(wěn)定冷指溫度為170K時(shí)，從圖7可以看出，充氣壓力為3.0MPa時(shí)，輸入功率為159.54W，可獲得16.49W的最大制冷量，此時(shí)比卡諾效率為7.49%。充氣壓力為2.0MPa時(shí)，輸入功率為77W，卻可以獲得10.06W的制冷量，對(duì)應(yīng)COP為13.06%，比卡諾效率為9.46%。實(shí)際工程中，可以根據(jù)制冷量的需要，調(diào)整充氣壓力以實(shí)現(xiàn)整機(jī)性能最佳。

從上述分析可以也可以看出，對(duì)既定丙綸填充回?zé)崞鞯膯渭?jí)脈管制冷機(jī)而言，整機(jī)性能受充氣壓力的影響最為顯著。

4 結(jié)論

文章對(duì)丙綸纖維材料進(jìn)行了微尺度空間結(jié)構(gòu)分析，并采用其作為填料，對(duì)單級(jí)脈管制冷機(jī)回?zé)崞鬟M(jìn)行了填充?；诩榷ㄏ到y(tǒng)下，充氣壓力分別為3.5MPa/3.0MPa/2.8MPa/2.5MPa/2.0MPa/1.5Mpa的工況下分別進(jìn)行了降溫特性、頻率特性和制冷性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)論如下：

1）充氣壓力是影響降溫速度的關(guān)鍵因素。在工作頻率為50Hz，輸入功為120W時(shí)，充氣壓力為2.5MPa時(shí)獲得95.5K的最低制冷溫度；充氣壓力為2.8MPa時(shí)降溫速度最快，約15min即可到達(dá)平衡。

圖5 120K運(yùn)行工況制冷性能

Fig.5 Curves of cooling capacity@120K

圖6 150K運(yùn)行工況制冷性能

圖7 170K運(yùn)行工況制冷性能

Fig.7 Curves of cooling capacity@170K

2）脈管制冷機(jī)一般存在最佳工作頻率，試驗(yàn)中對(duì)不同充氣壓力下的工況進(jìn)行了掃頻試驗(yàn)，并獲取了對(duì)應(yīng)工況的最佳工作頻率。事實(shí)上，工作頻率對(duì)丙綸填充回?zé)崞鞯膯渭?jí)脈管制冷機(jī)性能影響不大。

3）基于不同充氣壓力下考察了120K/150K/170K制冷溫度下的制冷性能，測(cè)取了最大制冷量和最大比卡諾效率。獲得最大制冷量為5.47W@120K/2.5MPa、12.02W@150K/3.0Mpa、16.49 W@170K/3.0MPa，獲得最大比卡諾效率為6.11%@120K/2.0MPa，8.68%@150K/2.0MPa，9.46%@170K/2.0MPa。

文章選擇了一種新型的回?zé)崞魈畛涠嗫捉橘|(zhì)材料，并基于即定低溫制冷機(jī)下進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)充氣壓力是影響整機(jī)效率的關(guān)鍵參數(shù)，故而可以調(diào)整單級(jí)脈管制冷機(jī)的充氣壓力以匹配工程所需。

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Thermal Performance Analysis of a Pulse Tube Refrigerator with Fine Polyester Fibrous Material FilledRegenerator

KAN Ankang1,2，WU Yinong1，ZHANG Ankuo1，LIU Shaoshuai1

(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 regenerative cryocooler, regenerator and its filled material has great influence on thermal performance of the whole machine. Fine fibrous Polyester was selected as new material filled for regenerator, and experimental research was taken on a single-stage pulse tube cryocooler. The microstructure and physical parameters of the fibrous material were taken. Based on helium-3 charging pressures respectively of 3.5MPa /3.0MPa /2.8MPa /2.5MPa /2.0MPa /1.5MPa, the thermal performances of temperature dropping, working frequency and cooling are collected. The lowest refrigeration temperature, the optimum working frequency, maximum cooling capacity and the maximum percent of Carnot efficiency are obtained and analyzed. The charging air pressure had a profound effect on the thermal performance of the pulse tube cryocooler while the operating frequency played a slightly effect on it. The maximum percent of Carnot efficiency 9.46%@170K/10.06W/77W, the maximum cooling capacity 5.47W@120K/2.5MPa, 12.02W@150K/3.0MPa, 16.49W@170K/3.0MPa, and the lowest refrigeration temperature 96.4K are obtained in the experiment.

pulse tube cryocooler，regenerator，Polyester fiber，cooling capacity

TB651

A

1001-8891(2017)04-0372-06

2016-04-10；

2016-10-25.

闞安康（1981-），男，山東濟(jì)寧人，博士后，主要從事小型低溫制冷裝置性能研究。E-mail：ankang0537@126.com。

中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2016M590385）；上海市自然基金資助項(xiàng)目（15ZR1419900）。