中溫區(qū)高頻斯特林型脈管制冷機(jī)研究

李宜軒，陳 曦，武 飛，邵 帥

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 制冷與低溫技術(shù)研究所，上海 200093）

0 引言

由于冷端無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，脈管制冷機(jī)具有振動(dòng)小、壽命長(zhǎng)及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在紅外探測(cè)[3]，氣體液化[4-5]以及超導(dǎo)技術(shù)[6-7]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。脈管制冷機(jī)在中高溫區(qū)領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用價(jià)值，如用于生物醫(yī)學(xué)低溫冰箱等。

荀玉強(qiáng)等[8]實(shí)驗(yàn)研究了1臺(tái)同軸型高頻脈管制冷機(jī)在170 K溫區(qū)的性能，用于冷卻電子設(shè)備。對(duì)比分析了冷端采用不同絕熱形式時(shí)制冷機(jī)的輸入功的變化情況。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)絕熱良好時(shí)，在25 W的輸入功下，制冷機(jī)冷端即可達(dá)到-100℃，而在無(wú)絕熱條件下，則需要60 W左右的輸入功。為中溫區(qū)小冷量冷卻的電子設(shè)備提供了方向。

上海理工大學(xué)曹永剛等[9]和上海技物所合作對(duì)用于空間低溫冰箱的斯特林型脈管制冷機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明，冷端溫度為183 K，輸入功150 W，直線型結(jié)構(gòu)可獲得32.7 W的冷量，而同軸型結(jié)構(gòu)性能稍差為22.4 W，最高COP可達(dá)21.8%。隨后，劉少帥等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了直線和同軸結(jié)構(gòu)在170 K溫區(qū)時(shí)的性能，實(shí)驗(yàn)表明在170 K產(chǎn)生20 W冷量，直線型輸入功需要105 W，而同軸型則需要140 W，最大COP可達(dá)19.05%，通過(guò)該研究可以看出脈管制冷機(jī)在中溫區(qū)具有發(fā)展前景。2015年，海爾特種電氣有限公司陳海濤等[11]和上海理工大學(xué)制冷與低溫工程研究所合作研制了1臺(tái)工作溫度可達(dá)187 K的低溫冰箱。這給低溫冰箱的研制以及中高溫區(qū)脈管制冷機(jī)的應(yīng)用方面提供了借鑒。

闞安康等[12]用新型丙綸纖維填充回?zé)崞鳎瑢?duì)單級(jí)脈管制冷機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，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。最大制冷量為16.49 W@170 K/3.0 MPa，并獲得了96.4 K的最低制冷溫度。

高頻有助于實(shí)現(xiàn)脈管制冷機(jī)小型化和輕量化。高頻工作條件下盡量保證壓縮機(jī)運(yùn)行在系統(tǒng)的共振頻率上，這樣才會(huì)使得壓縮機(jī)輸出效率最高。夏洪軍等[13]對(duì)基于線性壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的高頻同軸型脈管制冷機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，在已知壓縮機(jī)參數(shù)的條件下，利用節(jié)點(diǎn)分析法模擬出結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，并搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)該脈管制冷機(jī)進(jìn)行了性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明，在充氣壓力2 MPa，運(yùn)行頻率45 Hz時(shí)，可達(dá)到的最低制冷溫度為116 K，具有良好的制冷性能。熊超等[14]對(duì)高頻同軸脈管制冷機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明在輸入功為210.3 W，運(yùn)行頻率為62 Hz時(shí)，獲得了10 W/80 K的制冷性能，比卡諾效率為12.66%，同時(shí)整機(jī)質(zhì)量小于5.5 kg。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室的1臺(tái)100 Hz線性壓縮機(jī)，以新型丙綸纖維為回?zé)崞魈盍?，設(shè)計(jì)了1臺(tái)中溫區(qū)工作的直線型脈管冷指，完成了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建，并對(duì)該脈管制冷機(jī)在不同條件下的制冷性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 脈管制冷機(jī)及實(shí)驗(yàn)裝置

圖1給出了脈管制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖?；谝痪S數(shù)值模擬軟件SAGE 5.0，建立了脈管制冷機(jī)的數(shù)值模型并進(jìn)行了仿真模擬。由于所使用的直線壓縮機(jī)的參數(shù)已經(jīng)確定，則優(yōu)化目的是各結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)與該直線壓縮機(jī)匹配。經(jīng)優(yōu)化后，冷指各部件尺寸參數(shù)和最佳運(yùn)行參數(shù)如表1所列。所用制冷工質(zhì)為99.999%的高純氦氣，采用新型丙綸纖維為回?zé)崞魈盍希哂邪惭b方便，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中其絲徑為23 μm，孔隙率為70%。所用壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電源為EC1000S智能電源。壓力傳感器為ENDEVCO公司研制的603型，壓力波動(dòng)信號(hào)可在示波器上實(shí)時(shí)顯示。采用熱電偶測(cè)量冷端溫度，并通過(guò)HP34970實(shí)現(xiàn)電腦數(shù)據(jù)采集。恒溫水箱的控溫范圍是-5～95℃，水箱進(jìn)口有Pt100溫度傳感器，可將溫度波動(dòng)控制在±0.05℃。

圖1 脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of the pulse tube crycooler

表1 脈管制冷機(jī)優(yōu)化參數(shù)Table 1 Optimization parameters of the pulse tube crycooler

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的中溫區(qū)高頻斯特林型脈管制冷機(jī)開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)改變充氣壓力、運(yùn)行頻率、冷熱端溫度等運(yùn)行參數(shù)測(cè)試了制冷機(jī)的性能，獲得了降溫曲線以及不同輸入電功率下的制冷量與COP，并將最終的數(shù)據(jù)與理論情況進(jìn)行了對(duì)比分析。

2.1 降溫性能實(shí)驗(yàn)

維持制冷機(jī)系統(tǒng)的充氣壓力為3 MPa，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率為100 Hz，輸入功在150 W，熱端溫度為300 K。在此工況下，通過(guò)SAGE模擬所得的無(wú)負(fù)荷制冷溫度為135.6 K，如圖2為實(shí)驗(yàn)中冷機(jī)的降溫曲線。

圖2 脈管制冷機(jī)的降溫曲線Fig.2 Cooling-down curve

實(shí)驗(yàn)中隨著脈管制冷機(jī)工作時(shí)間的推移，冷端溫度快速降低，可以看出在前30 min內(nèi)溫度的降幅較大，在第30 min時(shí)冷頭已經(jīng)從300 K降至170 K；當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為70 min后，冷頭的溫度趨于穩(wěn)定，最后得到149.3 K的無(wú)負(fù)荷制冷溫度，與模擬值相差13.7 K。

2.2 充氣壓力對(duì)制冷性能的影響

脈管制冷機(jī)充氣壓力的提高可以增大回?zé)崞鲀啥说膲罕?，同時(shí)也影響著壓縮機(jī)的固有頻率和活塞阻尼。在本次實(shí)驗(yàn)研究中保持系統(tǒng)運(yùn)行頻率100 Hz，熱端300 K，壓縮機(jī)電功100 W。如圖3為不同冷端溫度下制冷量隨系統(tǒng)充氣壓力曲線，制冷量隨著制冷溫度的增加而增加。

圖3 不同充氣壓力對(duì)制冷量的影響Fig.3 Cooling power versus charging pressure

如表2所列，由示波器測(cè)得當(dāng)充氣壓力分別為2.5 MPa、3.0 MPa、3.5 MPa時(shí)，壓縮機(jī)出口壓比分別為1.23、1.22、1.20?？梢哉f(shuō)明在100 W輸入電功時(shí)，當(dāng)制冷機(jī)內(nèi)的充氣壓力升高，壓縮腔內(nèi)氣體剛度增大，阻抗增大，使得振幅減小，壓縮機(jī)效率降低，即壓縮活塞電功轉(zhuǎn)化為PV功的效率減小，從而導(dǎo)致制冷量減小。

表2 壓縮機(jī)出口壓力波參數(shù)Table2 Pressure wave parameters of the compress or outlet

2.3 脈管制冷機(jī)的頻率特性實(shí)驗(yàn)

當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行在諧振頻率時(shí)其效率最高。一般來(lái)說(shuō)壓縮機(jī)的固有頻率與彈簧和氣體剛度以及動(dòng)子質(zhì)量有關(guān)，而本實(shí)驗(yàn)所使用的壓縮機(jī)其彈簧剛度與動(dòng)子質(zhì)量已經(jīng)給定，因此其固有頻率只與氣體剛度有關(guān)。壓縮機(jī)輸入電功為150 W時(shí)，當(dāng)頻率在94～110 Hz增加時(shí)，制冷量隨頻率的改變?nèi)鐖D4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示制冷量隨著脈管制冷機(jī)的運(yùn)行頻率增加而先增加后減少，在102 Hz時(shí)制冷量達(dá)到最大值，最佳頻率為102 Hz。即當(dāng)制冷機(jī)運(yùn)行在102 Hz時(shí)最接近其諧振狀態(tài)，壓縮機(jī)效率最高。與模擬值100 Hz符合的較好，誤差較小。當(dāng)制冷機(jī)運(yùn)行頻率在100～106 Hz之間時(shí)制冷量較為接近，只有小幅度的增減。

圖4 不同運(yùn)行頻率時(shí)制冷量的變化曲線Fig.4 Cooling power versus operating frequency

2.4 熱端溫度對(duì)制冷性能的影響

若要保證回?zé)崞髟诓煌h(huán)境下穩(wěn)定工作，首先要了解制冷機(jī)在不同環(huán)境下的制冷性能，因此本次實(shí)驗(yàn)對(duì)脈管熱端溫度對(duì)制冷量的影響進(jìn)行研究。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持系統(tǒng)充氣壓力3 MPa，運(yùn)行在100 Hz，冷端溫度為170 K，壓縮機(jī)電功為150 W。

圖5為不同熱端溫度下測(cè)試的脈管制冷機(jī)的冷量。當(dāng)熱端溫度在區(qū)間280 K到300 K之間增加時(shí)制冷量明顯下降。

圖5 不同熱端溫度時(shí)的制冷量曲線Fig.5 Cooling power versus hot end temperature

在熱端280 K時(shí)，制冷量為9 W左右，而當(dāng)熱端溫度增加到300 K時(shí)，制冷性能惡化，制冷量只有5 W，下降幅度44%。由此趨勢(shì)可以推測(cè)當(dāng)脈管制冷機(jī)熱端溫度305 K時(shí)，即制冷機(jī)在170 K制冷溫度下無(wú)法提供冷量。

2.5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試性能與SAGE模擬比較分析

如圖6所示，當(dāng)冷端溫度的升高時(shí)，模擬值基本保持均勻增漲。實(shí)際制冷量有較小的不均勻性。制冷量隨冷頭溫度的上升斜率也小于模擬值。在溫度較低時(shí)二者的制冷量差值較小，150 K時(shí)模擬值為6.5 W，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為2 W，相差4.5 W。在溫度較高時(shí)制冷量差別增大，220 K時(shí)模擬值為45 W，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為24 W，相差21 W。

圖6 模擬和實(shí)驗(yàn)的性能對(duì)比曲線Fig.6 Comparison between simulation and experiment on cooling performance

模擬分析時(shí)，SAGE默認(rèn)回?zé)崞鲀?nèi)填充材料均勻、不可壓，且工質(zhì)與填料處于熱平衡。但本次實(shí)驗(yàn)中采用了丙綸纖維作為回?zé)崞魈盍?，通過(guò)手工按壓的方式進(jìn)行了隨機(jī)填充，雖然操作簡(jiǎn)單成本低廉，但是與模擬中的理想假設(shè)相差較大。保溫結(jié)構(gòu)采用珠光砂作為絕熱材料，存在一定的跑冷損失。同時(shí)考慮到后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及在一定程度上減少實(shí)驗(yàn)成本，該脈管冷指沒(méi)有采用一體化加工，而是由各個(gè)部件通過(guò)法蘭、螺釘和螺母組裝而成，這些因素都會(huì)造成偏差較大。

3 結(jié)論

基于1臺(tái)線性壓縮機(jī)，研制出1臺(tái)與其相匹配的中溫區(qū)斯特林型脈管制冷機(jī)。在150 W電功下可取得149 K的最低溫度，在170 K的制冷溫度下可獲得9 W的制冷量。實(shí)驗(yàn)中最優(yōu)頻率為102 Hz，與模擬值100 Hz相差不大?；?zé)崽盍喜捎眯滦捅]纖維，相較于金屬絲網(wǎng)安裝方便且成本低廉，但裝填過(guò)程的不可控因素使得均勻性指標(biāo)難以達(dá)到，再加上加工工藝水平有限，珠光砂絕熱層的漏熱損失等因素，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)所測(cè)制冷量與模擬值偏差較大。高頻運(yùn)行可以使制冷機(jī)小型化和輕量化，但是同時(shí)增大了內(nèi)部流動(dòng)損失從而降低效率，所以功回收型高頻脈管制冷機(jī)將會(huì)有較好的發(fā)展前景。

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