闞安康 吳亦農(nóng) 張安闊 劉少帥 蔣珍華

(1中國科學(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 上海 201306)

丙綸填充式回?zé)崞鲉渭壝}管制冷機(jī)性能研究

闞安康1,2吳亦農(nóng)1張安闊1劉少帥1蔣珍華1

(1中國科學(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 上海 201306)

采用丙綸纖維作為回?zé)崞餍滦吞畛浣橘|(zhì)，對單級脈管制冷機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。對丙綸微尺度空間結(jié)構(gòu)及物理性能進(jìn)行了分析，基于充氣壓力分別為3.5、3.0、2.8、2.5、2.0、1.5 MPa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%@170 K/10.06 W/77 W，最大制冷量為5.47 W@120 K/2.5 MPa，12.02 W@150 K/3.0 MPa，16.49 W@170 K/3.0 MPa，并獲得了96.4 K的最低制冷溫度。

脈管制冷機(jī) 回?zé)崞?丙綸纖維 制冷性能 試驗(yàn)研究

1 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)對空間用制冷機(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越高，開發(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，對其性能的影響甚大?；?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。Clearman W M、Cha J S[2-3]等基于交變流下，對不同填料結(jié)構(gòu)的回?zé)崞鬏S向壓降進(jìn)行測試，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)。高凡[4]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?，同時對回?zé)崞魈盍系膿Q熱和流動性能進(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[5-6]對層疊絲網(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[7]對回?zé)崞鬟M(jìn)行了軸向和徑向混合絲網(wǎng)填充，對回?zé)崞鞯臒釗p失進(jìn)行了理論計算，得出減少軸向熱損失的方法。Bernard等[8]對纖維多孔介質(zhì)填料的流動阻力進(jìn)行了理論分析，并推到出計算公式。T Jin等[9]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)[10]。采用多孔介質(zhì)纖維作為回?zé)崞鞯奶盍?，可以有效的減輕制冷機(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)果對回?zé)崞魈盍系倪x擇和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計具有借鑒意義。

2 丙綸纖維結(jié)構(gòu)及物性參數(shù)

試驗(yàn)采用丙綸纖維主要成分為聚對苯二甲酸乙二醇酯，其質(zhì)量份數(shù)約為99%，其余為灰分，主要為TiO2含量約為1%，丙綸的宏觀結(jié)構(gòu)、微尺度空間結(jié)構(gòu)如圖1a、圖1b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發(fā)生改變的特性，故而在后續(xù)的工作中將開展對丙綸纖維材料低溫性能測試，尤其是測試其低溫下的導(dǎo)熱性能，熱擴(kuò)散系數(shù)等，對后期丙綸回?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，為確?；?zé)崞鲀?nèi)丙綸纖維填充均勻，孔隙率一致，需對丙綸纖維進(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)崞餍阅艿某煞郑凑栈責(zé)崞饕?guī)格加工成為若干微團(tuán)結(jié)構(gòu)，如圖1c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)。

圖1 丙綸纖維材料Fig.1 Fibrous polyester material

表1 丙綸材料物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of Fibrous Polyester Material

3 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2給出了單級脈管制冷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。脈管制冷機(jī)壓縮機(jī)采用對置式活塞壓縮機(jī)LVDT20，通過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，級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TC采用Pt100型電阻式溫度傳感器測量，冷指置于真空腔內(nèi)，試驗(yàn)中采用分子泵來維持真空腔內(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量，電壓由恒壓電源控制。采用慣性管和氣庫組合方式進(jìn)行調(diào)相。回?zé)崞鞑捎貌讳P鋼材質(zhì)，總長度為55 mm，內(nèi)徑尺寸為23.5 mm；脈管采用薄壁鈦合金材質(zhì)，長度為80 mm，兩端備以導(dǎo)流絲網(wǎng)；慣性管采用銅管材質(zhì)，長度為4.3 m；氣庫不銹鋼材質(zhì)，容量為400 mL。

圖2 脈沖管制冷機(jī)系統(tǒng)圖1.對置式活塞壓縮機(jī)；2.外接電源及變頻控制器；3.傳輸管；4級后換熱器接恒溫水?。?.接真空泵；6.真空罩內(nèi)置回?zé)崞?、冷指及脈管；7.熱端換熱器；8.慣性管；9.標(biāo)準(zhǔn)氣庫Fig.2 Schematic of pulse tube refrigerator

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

試驗(yàn)過程中，保持整機(jī)工況一致，級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3.5、3.0、2.8、2.5、2.0、1.5 MPa。試驗(yàn)測試的主要整機(jī)性能包括降溫特性，頻率特性和制冷性能。

4.1 降溫特性

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

充氣壓力越大，在交變流過程中流經(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，制冷溫度也沒有達(dá)到預(yù)期效果；而充氣壓力小，交變流過程中流經(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2.5 MPa，工作頻率為50 Hz時對應(yīng)的降溫特性最佳。

圖3 降溫特性曲線Fig.3 Curves of cooling performance

4.2 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。頻率過高，回?zé)崞鲀?nèi)工作介質(zhì)與回?zé)崞魈盍现g無法得到充分換熱，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120 K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，對充氣壓力為3.5、3.0、2.8、2.5、2.0 MPa的工況進(jìn)行了2 W@120 K的輸入功率測試，對1.5 MPa的充氣壓力工況進(jìn)行了1 W@120 K，分析比較了在相同工況下，不同運(yùn)行頻率對輸出功的影響規(guī)律。從圖4中可以看出，在不同的充氣壓力下，丙綸回?zé)崞鞔嬖谝粋€最佳運(yùn)行頻率。充氣壓力為3.5 MPa時，獲得2 W@120 K在運(yùn)行頻率為50 Hz時最低，90.8 W；3.0 MPa/2.8 MPa對應(yīng)的最佳運(yùn)行頻率亦為50 Hz，且壓縮機(jī)輸入功率分別為87.82 W和82 W；充氣壓力為2.8 MPa的工況，頻率特性變化不顯著，但在50 Hz的輸入功率最小為69.77 W；充氣壓力為2.0 MPa的工況對應(yīng)最佳頻率為49 Hz，輸入功率為65 W；充氣壓力為1.5 MPa的工況對應(yīng)最佳頻率為48 Hz，輸入功率為55 W。

圖4 頻率特性曲線Fig.4 Curves of working frequency properties

4.3 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)時的輸入功可以電壓電流值測量及計算獲取，調(diào)整加熱單元的輸入電壓值來調(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120、150、170 K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120 K，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5a所示。從圖中可以看出，充氣壓力為2.5 MPa時，輸入為129.9 W時獲得最大制冷量為5.47 W，COP為4.2%，其比卡諾效率為6.11%，此時對應(yīng)的比卡諾效率在本實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的工況中也最高。

穩(wěn)定冷指溫度為150 K時，從圖5b可以看出，充氣壓力為3.0 MPa時，輸入功率為158.4 W時獲得最大制冷量為12.02 W，COP為7.59%，其比卡諾效率為7.23%。而事實(shí)上，充氣壓力為2.0 MPa時，輸入功率雖僅有66 W，但獲得了6 W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170 K時，從圖5c可以看出，充氣壓力為3.0 MPa時，輸入功率為159.54 W，可獲得16.49 W的最大制冷量，此時比卡諾效率為7.49%。充氣壓力為2.0 MPa時，輸入功率為77 W，卻可以獲得10.06 W的制冷量，對應(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，對既定丙綸填充回?zé)崞鞯膯渭壝}管制冷機(jī)而言，整機(jī)性能受充氣壓力的影響最為顯著。

5 結(jié) 論

對丙綸纖維材料進(jìn)行了微尺度空間結(jié)構(gòu)分析，并采用其作為填料，對單級脈管制冷機(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3.5、3.0、2.8、2.5、2.0、1.5 MPa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50 Hz，輸入功為120 W時，充氣壓力為2.5 MPa時獲得95.5 K的最低制冷溫度；充氣壓力為2.8 MPa時降溫速度最快，約15分鐘即可到達(dá)平衡。

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

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

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)整單級脈管制冷機(jī)的充氣壓力以匹配工程所需。

圖5 制冷性能Fig.5 Curves of cooling capacity

1 陳 曦，郭永飛，張 華，等.回?zé)崾降蜏刂评錂C(jī)用回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)研究綜述[J].制冷學(xué)報，2011，32(3)：6-14，28.

Chen Xi，Guo Yongfei，Zhang Hua，et al. Review of investigation on regenerator for regenerative cryocoolers[J]. Journal of Refrigeration，2011，32(3)：6-14，28.

2 Clearman W M，Cha J S，Ghanaian S M，et al. Anisotropic steady-flow hy-drodynamic parameters of micro porous media applied to pulse tube and Stirling cryocooler regenerators. Cryogenics[J]，2008，48：112-121.

3 Cha J S，Ghiaasiaan S M，Kirkconnell C S. Oscillatory flow in microporous media applied in pulse-tube and Stirling-cycle cryocooler regenerators[J]. Experimental Thermal and Fluid Science，2008，32：1264-1278.

4 高 凡，何雅玲.絲網(wǎng)回?zé)崞髦袚Q熱性能的優(yōu)化[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2008(9)：1071-1075.

Gao Fan，He Yaling. Heat transfer performance optimization for mesh regenerator[J].Journal of Xi’an University，2008(9)：1071-1075.

5 張安闊，陳 曦，吳亦農(nóng)，等.脈沖管制冷機(jī)混合填充式蓄冷器的實(shí)驗(yàn)研究[J].低溫工程，2013(2)：36-37，41.

Zhang Ankuo，Chen Xi，Wu Yinong，et al.Yang Kaixiang.Experiment study of multi-mesh fill regenerator for pulse tube cryocooler [J]. Cryogenics，2013(2)：36-37，41.

6 闞安康，張安闊，吳亦農(nóng).混合填充式回?zé)崞鲉渭壝}管制冷機(jī)性能研究[J].制冷學(xué)報，2015，36(6)：74-77.

Kan Ankang，Zhang Ankuo，Wu Yinong. The performance of pulse tube cryogenic cryocooler with multi-metal-mesh filled regenerator[J]. Journal of Refrigeration，2015，36(6)：74-77.

7 王 強(qiáng)，陳 曦，劉業(yè)風(fēng)，等.新型徑軸向混合填充式回?zé)崞鬏S向?qū)崽匦匝芯縖J].低溫與超導(dǎo)，2011，39(5)：60-64.

Wang Qiang，Chen Xi，Liu Yefeng，et al. Study on axial heat conduction properties of novel regenerator with combined radial filling and axial filling[J]. Cryogenics and superconductivity，2011，39(5)：60-64.

8 Bernard Castagnede，Achour Aknine，Bruno Brouard，et al. Effects of compression on the sound absorbtion of fibrous materials[J]. Applied Acoustics，2000，61：173-182.

9 Jin T，Huang J L，Tang K，et al.Performance analysis of a micro-scale pulse tube cryocooler based on optical fiber regenerator[J].Cryogenics，2013(55-56)：30-34.

10 Ray Radebaugh. Cryocoolers for air craft superconducting generators and motors[C].Advances in Cryogenic Engineering，AIP Conf. Proc. 2012，1434：171-182.

Thermal performance analysis of a pulse tube refrigerator with the polyester fiber filled regenerator

Kan Ankang1,2Wu Yinong1Zhang Ankuo1Liu Shaoshuai1Jiang Zhenhua1

(1Shanghai Institute of Technical Physics，Chinese Academy of Science，Shanghai 200083，China)(2Merchant Marine College，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China)

Fine fibrous Polyester was selected as new filled material for regenerator，and experimental study was taken on a single-stage pulse tube cryocooler. The microstructure and physical parameters of the fibrous material were studitd. Based on helium charge pressure respectively under the condition of 3.5、3.0、2.8、2.5、2.0、1.5 MPa，the thermal performances of temperature dropping，working frequency and cooling were tested. The lowest refrigeration temperature，the optimum working frequency，maximum cooling capacity and the maximum percent of Carnot efficiency were obtained and analyzed. The charge air pressure has a profound effect on the thermal performance of the pulse tube cryocooler but the working frequency has a slightly effect on it. The maximum percent of Carnot efficiency9.46%@170 K/10.06 W/77 W，the maximum cooling capacity 5.47 W@120 K/2.5 MPa，12.02 W@150 K/3.0 MPa，16.49 W@170 K/3.0 MPa，and the lowest refrigeration temperature 96.4 K were obtained in the experiment.

pulse tube cryocooler；regenerator；polyester fiber；thermal performance；experimental research

2016-01-30；

2016-02-28

上海市自然基金資助項目(15ZR1419900)。

闞安康，男，35歲，博士。

TB651

A

1000-6516(2016)02-0020-06