韓 磊 邱利民 甘智華 黃 宸 夏 曦 植曉琴

(1浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027) (2 浙江省制冷與低溫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310027) (3溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 溫州 325035)

DC流對(duì)液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機(jī)的影響

韓 磊1,2,3邱利民1,2甘智華1,2黃 宸1,2夏 曦1,2植曉琴1,2

(1浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027) (2浙江省制冷與低溫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310027) (3溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 溫州 325035)

理論研究表明DC流(Direct Current flow)存在于大多數(shù)雙向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的脈管制冷機(jī)中。開展了10 K以下多級(jí)斯特林脈管的實(shí)驗(yàn)研究，考察了在液氦溫區(qū)斯特林脈管內(nèi)直流流動(dòng)對(duì)制冷機(jī)性能影響的規(guī)律。在采用雙向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)對(duì)DC流流向及流量適當(dāng)控制時(shí)，制冷機(jī)性能得到明顯提升，在8—7 K溫區(qū)適當(dāng)?shù)腄C流下冷端由7.42 K降低至7.16 K。

脈管制冷機(jī) 回?zé)崞鲹p失 DC流 液氦溫區(qū)

1 引 言

從20世紀(jì)60年代年Gifford和Longsworth發(fā)明有制冷效果的基本型脈管以來，由于脈管制冷機(jī)具有冷端無運(yùn)動(dòng)部件及相對(duì)于其它類型制冷機(jī)在壽命、振動(dòng)、可靠性和價(jià)格等方面的優(yōu)勢(shì)，更多的學(xué)者對(duì)其應(yīng)用產(chǎn)生興趣并開始研究[1]。1984年，前蘇聯(lián)科學(xué)家Mikulin在基本型脈管制冷機(jī)的脈管和熱端換熱器間增加節(jié)流小孔，使用空氣作為工質(zhì)的最低溫度達(dá)到105 K[2]。1986年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院的Radebaugh博士將小孔從脈管與熱端換熱器之間移到氣庫(kù)與熱端換熱器之間，并用針閥代替小孔。采用氦氣為工質(zhì)，得到60 K最低制冷溫度[3]。1990年，朱紹偉等提出了雙向進(jìn)氣型脈管制冷機(jī)方案，使得制冷機(jī)性能得到顯著提升，單級(jí)脈管制冷機(jī)最低制冷溫度降低至42 K[4]，相比小孔型降低13 K。雙向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)減輕了回?zé)崞鳠嶝?fù)荷，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)雙向進(jìn)氣具有增強(qiáng)調(diào)相的作用，預(yù)計(jì)使得使得制冷機(jī)內(nèi)部獲得更優(yōu)的相位關(guān)系,因此雙向進(jìn)氣顯著地提高制冷性能。雙向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究機(jī)構(gòu)均得到驗(yàn)證[5-7]。雙向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)是脈管制冷機(jī)重要的調(diào)相方式，尤其是G-M型脈管制冷機(jī)突破液氦溫區(qū)的重要技術(shù)之一。

1996年,日本學(xué)者Seki等人指出，使用雙向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的脈管制冷機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)溫度波動(dòng)，而這種波動(dòng)是由雙向進(jìn)氣閥門帶來的環(huán)流引起的[8]。隨后，Gedeon首次理論上分析了脈管制冷機(jī)中環(huán)路引起的DC流特性，相關(guān)機(jī)理及計(jì)算方法[9]。此后，研究者將雙向進(jìn)氣產(chǎn)生的此環(huán)流稱為Gedeon直流(DC flow)，直流不僅從熱端流向冷端附加熱流增大冷端換熱器負(fù)荷，還可能使制冷溫度不穩(wěn)定甚至惡化制冷性能。脈管內(nèi)的直流問題在一定范圍內(nèi)也限制了雙向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。由此直流效應(yīng)被正式提出并引起廣泛重視。

為了抑制雙向進(jìn)氣引起的直流，研究者開始嘗試多種措施。1997年，巨永林等在環(huán)路打開下采用熱線風(fēng)速儀測(cè)量到進(jìn)出口制冷不平衡現(xiàn)象，觀察并證實(shí)了多路旁通脈管制冷機(jī)內(nèi)DC流的存在。隨后通過分析旁通閥開度與制冷機(jī)內(nèi)質(zhì)量流關(guān)系，證實(shí)了適當(dāng)?shù)亩嗦放酝ㄕ{(diào)節(jié)可以抑制雙向進(jìn)氣導(dǎo)致的脈管內(nèi)直流現(xiàn)象[10]。同時(shí)，浙江大學(xué)邱利民等提出第二小孔創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，通過小孔閥將氣庫(kù)與壓縮機(jī)低壓側(cè)連接，引入一股可控直流來消除雙向進(jìn)氣帶來的直流，使得二級(jí)脈管達(dá)到了3.1 K[11]。Swift等由流體力學(xué)角度出發(fā)對(duì)DC流產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，提出利用流體阻力來消除和控制直流，且取得明顯效果[12]。隨后，王超等采用串聯(lián)兩個(gè)雙氣進(jìn)氣閥的方式研究了單級(jí)脈管制冷機(jī)中雙向進(jìn)氣與DC流控制間的關(guān)系[13]。浙江大學(xué)甘智華等在分析單閥雙向進(jìn)氣問題的基礎(chǔ)上提出采用雙閥結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該閥門結(jié)構(gòu)可以對(duì)脈管制冷機(jī)的直流進(jìn)行有效控制，是使脈管制冷機(jī)單級(jí)情況下達(dá)到低于20 K溫區(qū)的有效手段[14]。1998年，王超等理論和實(shí)驗(yàn)研究了液氦溫區(qū)G-M脈管制冷機(jī)中DC流調(diào)節(jié)和控制的影響。結(jié)果顯示，在G-M脈管制冷機(jī)中適當(dāng)?shù)腄C流量控制可以提高液氦溫區(qū)脈管制冷機(jī)性能，4.2 K下制冷量由260 mW增大到460 mW[15]。以上針對(duì)G-M型脈管制冷機(jī)研究結(jié)果表明，有效的DC流調(diào)節(jié)和控制可以提高脈管制冷機(jī)性能。

相對(duì)于G-M型脈管制冷機(jī)，斯特林型脈管制冷機(jī)通常運(yùn)行于30—60 Hz頻率范圍，體積更為緊湊，且有著更高的潛在電功轉(zhuǎn)化效率。斯特林型脈管制冷機(jī)主要采用慣性管作為調(diào)相裝置，實(shí)驗(yàn)表明在高頻情況下要優(yōu)于小孔氣庫(kù)調(diào)相[16]。不同于G-M型脈管制冷機(jī)，由于使用高頻慣性管調(diào)相方式且DC流存在溫度波動(dòng)不確定性等問題，因此在斯特林型脈管尤其是液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機(jī)中，很少采用雙向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)形式。針對(duì)帶有DC流的雙向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)應(yīng)用到液氦溫區(qū)斯特林型脈管制冷機(jī)中是否同樣可以有效提高制冷性能的問題，本研究將調(diào)節(jié)DC流的雙向進(jìn)氣結(jié)構(gòu)應(yīng)用到三級(jí)斯特林脈管制冷機(jī)上，實(shí)驗(yàn)研究DC流調(diào)節(jié)和控制在液氦溫區(qū)斯特林脈管制冷機(jī)中的影響規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

本文DC流實(shí)驗(yàn)裝置主體為自制液氦溫區(qū)三級(jí)斯特林型脈管制冷機(jī)[17-18]。圖1示出了第三級(jí)脈管熱端(20 K溫區(qū))通過毛細(xì)管穿出真空罩后與一組高精度可調(diào)針閥組成的閥門組相連，該閥門組另一端接壓縮機(jī)出口。規(guī)定從回?zé)崞鳠岫肆飨蚶涠藶檎?。DC流支路選用內(nèi)徑0.5 mm的不銹鋼管。

在100—300 K 和7—100 K制冷機(jī)溫度位區(qū)間分別布置了4只鉑電阻溫度計(jì)和8只銠鐵電阻溫度計(jì)，溫度計(jì)測(cè)量精度均為0.1 K，數(shù)據(jù)采集相應(yīng)的分別為L(zhǎng)akeshore218溫度采集儀器和Keithley2000。二級(jí)冷頭、三級(jí)冷頭回?zé)崞骱兔}管側(cè)均采用Cernox溫度傳感器，其測(cè)量精度為0.01 K。

圖1 帶DC流回路的第三級(jí)斯特林型脈管制冷機(jī)試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of the three-stage SPTC with DC flow loop

3 實(shí)驗(yàn)研究和討論

圖2為第三級(jí)冷端最低溫度隨不同閥門開度下DC流量變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖中曲線可以看出，當(dāng)DC=0時(shí)，冷端溫度為7.42 K。隨開度增大，冷端溫度逐漸減小，在閥開度為50時(shí)，冷端溫度最小為7.16 K。隨后開度進(jìn)一步增大，冷端溫度開始增大。

圖2 第三級(jí)冷端最低溫度隨DC流量變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Measured no-load temperatures of the third stage as function of opening of the DC Valve

降低預(yù)冷溫度對(duì)于制冷機(jī)調(diào)相能力影響非常重要，預(yù)冷溫度越低，慣性效應(yīng)越強(qiáng)，調(diào)相能力也越大。同時(shí)，降低預(yù)冷溫度對(duì)于增大絕熱膨脹效率及減小回?zé)崞鬏S向損失也很重要。在調(diào)節(jié)DC流時(shí)發(fā)現(xiàn)，流量大小對(duì)熱耦合第二級(jí)冷端溫度有影響。圖3為第二級(jí)預(yù)冷溫度隨DC流量變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由曲線可以看出，當(dāng)流動(dòng)方向?yàn)檎龝r(shí)，隨著流量增大，第二級(jí)冷端溫度減小，DC從0增大到20小格時(shí)，二級(jí)溫度Tc2從28 K降到26.85 K，隨后降幅減小，當(dāng)開度為90時(shí)二級(jí)溫度Tc2降低到26.2 K。由圖8知冷端溫度對(duì)應(yīng)最佳開度為50—60小格。因此，雖然增加開度帶來預(yù)冷溫度降低，但當(dāng)直流流量增加到一定程度回?zé)崞鲀?nèi)損失加劇，最終使得性能下降。

圖3 第二級(jí)冷端溫度隨DC流量變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Measured temperatures of the second stage as function of opening of the DC Valve

圖4不同DC流量下第三級(jí)制冷量曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果。DC流向?yàn)檎颍椿責(zé)崞鳠岫肆飨蚶涠朔较?。由圖看出，DC=0時(shí)，冷端無負(fù)荷最低溫度為7.75 K，8.2 K對(duì)應(yīng)冷量為20 mW，制冷量線斜率為43.3 mW/K。隨直流質(zhì)量流增大DC=30時(shí)，冷端無負(fù)荷最低溫度為7.17 K，7.7 K對(duì)應(yīng)冷量為20 mW，制冷量線斜率為33.2 mW/K。由兩條制冷量曲線對(duì)比看出，DC流可以提高液氦溫區(qū)脈管制冷機(jī)制冷性能，在制冷溫度低的情況下更明顯。由曲線斜率可以預(yù)測(cè)當(dāng)冷端溫度升高到一定值時(shí)，DC流影響為零，繼續(xù)升高溫度開度將降低制冷性能。

圖4 不同DC流量下第三級(jí)制冷量曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Cooling power versus temperature of the 3nd stage with different opening of the DC Valve

4 結(jié) 論

理論研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)流量下由回?zé)崞鳠岫肆飨蚶涠朔较虻腄C流可以提高液氦溫區(qū)斯特林脈管制冷機(jī)制冷性能，這是因?yàn)橹评錂C(jī)內(nèi)DC流使冷端PV功增大。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，正向流動(dòng)的DC流在6—8 K溫區(qū)同樣可以提高制冷機(jī)性能。引入DC流后，一、二級(jí)預(yù)冷溫度也將隨之減小。因此，對(duì)于斯特林型脈管制冷機(jī)，如何綜合利用DC流對(duì)制冷機(jī)各溫度區(qū)間影響提高制冷性能將是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

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Effect of DC flow on a Stirling-type pulse tube cryocooler working around liquid helium temperature range

Han Lei1,2,3Qiu Limin1,2Gan Zhihua1,2Huang Chen1,2Xia Xi1,2Zhi Xiaoqin1,2

(1Institute of Cryogenics and Refrigeration, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China) (2Key Laboratory of Refrigeration and Cryogenic Technology of Zhejiang Province, Hangzhou 310027, China) (3College of Mechnical and Electrical Engineering, Wenzhou University, Wenzhou 325035,China)

Previous numerical and experimental analysis show the effect of DC flow (Direct Current flow) in pulse tube cooler with double-inlet. This paper analyzes effect of DC flow on multi-stage pulse tube cryocooler with double inlet below 10 K.We have found that the proper DC flow control can enhance the performance and reduce the cold end temperature from 7.42 K to 7.16 K in 8—7 K temperature area.

Stirling pulse tube cryocooler; liquid helium temperature; regenerator losses; DC flow

2016-09-28；

2016-09-28

國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(50825601)資助。

韓 磊，男，33歲，博士研究生。

邱利民，博士，教授，博導(dǎo)。

TB651

A

1000-6516(2016)05-0001-04